Кіріспе

Компьютерлік жадының түрі. Статикалық кездейсоқ сұраныс жады (static RAM немесе SRAM) — кездейсоқ сұраныс жадының (RAM) әрбір битін сақтау үшін құлыптау тізбегін (flip flop) пайдаланатын түрі. SRAM – ұшқыш жад; қуатты өшіргенде деректер жоғалады. «Статикалық» термині SRAM-ді DRAM-нан (динамикалық кездейсоқ сұраныс жады) ажыратады: SRAM қуат болғанда деректерін тұрақты сақтайды, ал DRAM деректері секундық ішінде жойылады, сондықтан оларды үнемі жаңарту қажет. SRAM, DRAM-нан жылдамырақ, бірақ кремний алаңы және құны тұрғысынан қымбат. SRAM әдетте процессордың (CPU) кэші мен ішкі тіркегіштері үшін, ал DRAM – компьютердің негізгі жадысы үшін қолданылады.

Тарих

Жартылай өткізгіш биполярлы SRAM-ді 1963 жылы Fairchild Semiconductor компаниясында Роберт Норман ойлап тапты. Металл-оксидті жартылай өткізгіш SRAM (MOS SRAM) 1964 жылы Джон Шмидт Fairchild Semiconductor компаниясында ойлап тапты. Бұл 64 биттік MOS p-арналы SRAM болды. SRAM 1959 жылдан бастап CMOS ойлап табылғаннан бері кез келген жаңа CMOS технологиялық өндіріс процесінің басты драйвері болды. 1964 жылы, IBM компаниясында жұмыс істейтін Арнольд Фарбер мен Эуджин Шлиг, транзисторлық қақпа мен түйін диодты құлыпты пайдаланып, аппараттық жад ұясын жасады. Олар құлыпты екі транзистормен және екі резистормен алмастырды, бұл конфигурация Фарбер-Шлиг ұясы ретінде белгілі болды. Сол жылы олар өнертабыстың ашылуын ұсынды, бірақ бастапқыда ол қабылданбады. 1965 жылы Бенджамин Агуста және оның IBM командасы Фарбер-Шлиг ұясының негізінде 80 транзистор, 64 резистор және 4 диодтан тұратын 16 биттік кремнийлі жад чипін жасады. 1969 жылдың сәуір айында Intel Inc. өзінің алғашқы өнімін – Intel 3101 SRAM жад чипін таныстырды, ол көлемді магниттік ядролық жад модульдарын алмастыруға арналған; Оның сыйымдылығы 64 бит болды (алғашқы нұсқаларда бір қатеге байланысты тек 63 биті ғана қолданылды) және ол биполярлы қосылыс транзисторларына негізделген, rubylith пайдаланылып жобаланды.

Сипаттамалары

Дегенмен, оны ұшқыр жад деп сипаттаса да, SRAM деректерді сақтап қалады. SRAM қарапайым деректерге қолжеткізу үлгісін ұсынады және жаңарту тізбегін қажет етпейді. Оның өнімділігі мен сенімділігі жоғары, ал күшін жоғалтқанда энергия тұтынуы төмен. SRAM-ға бір битті жүзеге асыру үшін көбірек транзисторлар қажет болғандықтан, ол DRAM-ге қарағанда тығыздығы төмен және қымбат, сондай-ақ оқу немесе жазу кезінде энергияны көп тұтынады. SRAM-ның энергия тұтынуы оған қаншалықты жиі қол жеткізілетініне байланысты кең ауқымда өзгереді. Шамалы көлемі (килобайт немесе одан аз) дерлік барлық заманауи құралдарда, ойыншықтарда және электрондық пайдаланушы интерфейсін іске асыратындарда кездеседі. SRAM-ның екі портты нұсқасы кейде нақты уақыттық цифрлық сигналды өңдеу тізбектерінде қолданылады.

Компьютерде

SRAM жеке компьютерлерде, жұмыс станцияларында, маршрутизаторларда және шеткі құрылғыларда да қолданылады: CPU тіркелімдері, ішкі CPU кэші, ішкі GPU кэші және сыртқы импульстік режимдегі SRAM кэші, қатты дискідегі буферлер, маршрутизатор буферлері және т.б. Сұйық кристалды экрандар мен принтерлер әдетте көрсетіліп жатқан (немесе басылып шығарылатын) кескінді сақтау үшін SRAM-ды пайдаланады. Сұйық кристалды экрандардың контроллерлерінде SRAM болуы мүмкін. SRAM көптеген ерте дербес компьютерлердің негізгі жады ретінде қолданылды, мысалы ZX80, TRS 80 Model 100 және VIC 20. 1980 жылдардың соңы мен 1990 жылдардың басындағы кейбір ерте жад карталары SRAM-ды сақтау ортасы ретінде пайдаланды, бұл SRAM-ның мазмұнын сақтау үшін литий батареясын қажет етті.

Әуесқойлар

Хоббистер, әсіресе үйде жасалған процессорға құмарлар, интерфейстің қарапайымдылығы үшін көбінесе SRAM-ді таңдайды. DRAM-ға қарағанда онымен жұмыс істеу әлдеқайда оңай, себебі жаңарту циклдері болмайды және адрестік және дерек шиналары көбінесе тікелей қолжетімді болады. Шиналар мен қуат қосылыстарынан өзге, SRAM әдетте үш басқару сигналын қажет етеді: Чипті қосу (CE), Жазуды қосу (WE) және Шығаруды қосу (OE). Синхронды SRAM-да сағат (CLK) сигналы да болады.

Ұшып кетпейтін SRAM

Ұшпайтын SRAM (nvSRAM) стандартты SRAM-ның мүмкіндіктеріне ие, бірақ қуат көзі үзілген кезде деректерді сақтап, маңызды ақпараттың жоғалуын қамтамасыз етеді. nvSRAM-дар кең ауқымды салаларда қолданылады: желілік құрылғылар, ғарыш және медицина, және басқа да деректерді сақтау маңызды және батареяларды пайдалану қиын жағдайларда.

Псевдостатикалық оперативті жады

Псевдостатикалық жад (PSRAM) – DRAM-ның өзін-өзі жаңарту тізбегімен үйлесімді жұмыс істейтін түрі. Ол сырттан қарағанда SRAM-нан баяурақ көрінеді, бірақ нағыз SRAM-нан жоғары тығыздыққа және төмен бағаға ие, сонымен қатар DRAM-ның күрделі қолжетімділік мәселелерінен таза.

Функциясы бойынша

Сағат жиілігіне тәуелсіз асинхронды; кіріс және шығыс деректері адрес өзгеруімен басқарылады. Мысалдарға кең таралған 28 контактілі 8K × 8 және 32K × 8 чиптері (көбінесе, бірақ әрқашан 6264 және 62C256 деп аталатын) және бір чипке 16 Мбит дейінгі ұқсас өнімдер жатады. Синхронды жадта барлық уақыт параметрлері сағат импульсының жиегімен басталады. Адрес, кіріс деректері және басқа басқару сигналдары сағат сигналдарымен байланысты. 1990 жылдары асинхронды SRAM жылдам қолжетімділік үшін қолданылды. Асинхронды SRAM өнеркәсіптік электроника және өлшеу жүйелерінен бастап, қатты дискілер мен желілік жабдықтарға дейін, және тағы да көптеген қолдануларда қолданылатын кіші кэшсіз енгізілген процессорлар үшін негізгі жад ретінде пайдаланылды. Бүгінгі таңда синхронды SRAM (мысалы, DDR SRAM) синхронды DRAM сияқты қолданылады. Синхронды жад интерфейсі әлдеқайда жылдам, себебі құбырлы архитектураны қолдану арқылы қолжетімділік уақытын едәуір қысқартуға болады. Сонымен қатар, DRAM SRAM-нан әлдеқайда арзан болғандықтан, үлкен көлемде деректер қажет болған жағдайда SRAM көбінесе DRAM-мен алмастырылады. Дегенмен, SRAM жады кездейсоқ (блоктық/бірнешелік емес) қолжетімділік үшін әлдеқайда жылдам. Сондықтан SRAM жады негізінен CPU кэші, кіші чип жады, FIFO немесе басқа кіші буферлер үшін қолданылады.

Қасиеттері бойынша

Нөлдік шинаның айналу уақыты (ZBT) – айналу уақыты дегеніміз, SRAM-ға жазудан оқуға және керісінше қол жеткізуді өзгертуге кеткен сағат циклдарының саны. ZBT SRAM-дар үшін айналу уақыты немесе оқу және жазу циклдары арасындағы кешігу нөлдік болады. syncBurst (syncBurst SRAM немесе синхронды жарылыс режиміндегі SRAM) – SRAM-ға жазу операцияларын жылдамдету үшін SRAM-ға синхронды жарылыс режимінде жазу мүмкіндігін ұсынады. DDR SRAM – синхронды, бір оқу/жазу порты, екі есе дерек беру жылдамдығымен I/O. Quad Data Rate SRAM – синхронды, жеке оқу және жазу порттары, төрт есе дерек беру жылдамдығымен I/O.

Дизайн

Стандартты SRAM жасушасы алты MOSFET-тен тұрады және көбінесе 6T (6 транзисторлы) SRAM жасушасы деп аталады. Жасушадағы әрбір бит төрт транзисторда (M1, M2, M3, M4) сақталады, олар екі өзара байланысқан инвертор құрайды. Бұл сақтау жасушасы 0 және 1 сандарын белгілеу үшін қолданылатын екі тұрақты күйге ие. Екі қосымша транзистор оқу және жазу операциялары кезінде сақтау жасушасына қол жеткізуді басқаруға арналған. 6T SRAM – SRAM-ның ең көп таралған түрі. 6T SRAM-нан басқа, SRAM-ның басқа түрлері бір бит үшін 4, 5, 7, 8, 9 (4T, 5T, 7T, 8T, 9T, 10T SRAM) немесе одан да көп транзисторларды қолданады. Төрт транзисторлы SRAM жеке SRAM құрылғыларында (CPU кэштері үшін қолданылатын SRAM-нан өзгеше) жиі қолданылады, олар полисилицийдің қосымша қабаты бар арнайы процестерде жасалады, бұл өте жоғары кедергілі резисторларды жасауға мүмкіндік береді. 4T SRAM-ды пайдаланудың басты кемшілігі – төмен тарту транзисторларының (M1 немесе M2) бірі арқылы тұрақты ток ағынының нәтижесінде статикалық қуатты ұлғайту. Бұл кейде бірнеше портты (оқу және/немесе жазу) жүзеге асыру үшін қолданылады, бұл көп портты SRAM схемасымен жүзеге асырылған бейне жадының және регистрлік файлдардың кейбір түрлері үшін пайдалы болуы мүмкін. Жалпы, жасуша үшін қажет транзисторлардың саны неғұрлым аз болса, жасушаның мөлшері соғұрлым кіші болады. Кремнийлі пластинаны өңдеу құны салыстырмалы түрде тұрақты болғандықтан, кішірек жасушаларды пайдалану және бір пластинаға көбірек биттерді орналастыру жад битіне келетін шығынды азайтады. Төрттен кем транзисторды қолданатын жад жасушалары мүмкін; алайда, мұндай 3T немесе 1T жасушалары DRAM, емес SRAM (тіпті «1T SRAM» деп аталатын жасушалар да). Жасушаға қол жеткізу сөз желісі (суреттегі WL) арқылы жүзеге асырылады, ол екі кіру транзисторын (M5 және M6) басқарады, олар өз кезегінде жасушаның бит желілеріне (BL және BL) қосылуын бақылайды. Олар оқу және жазу операциялары үшін деректерді беру үшін қолданылады. Екі бит желісінің болуы міндетті емес, бірақ сигналдың және оның инверсиясының шу маржасын және жылдамдығын жақсарту үшін ұсынылады. Оқу операциялары кезінде бит желілері SRAM жасушасындағы инверторлармен белсенді түрде жоғары және төмен деңгейге жетеді. Бұл DRAM-мен салыстырғанда SRAM өткізу қабілетін жақсартады, себебі DRAM-да бит желісі сақтау конденсаторларына қосылады және зарядты бөлісу бит желісінің жоғары немесе төмен қарай қозғалуына себеп болады. SRAM-ның симметриялық құрылымы дифференциалдық сигналдауға мүмкіндік береді, бұл кернеудің кішігірім өзгерістерін анықтауды жеңілдетеді. SRAM-ды DRAM-нан жылдам етуіне әсер ететін тағы бір айырмашылық – коммерциялық чиптер барлық адрес биттерін бір уақытта қабылдайды. Керісінше, стандартты DRAM-дарда адрес екі бөлікке бөлінеді, яғни жоғары биттер төменгі биттерден кейін, бірдей корпус тіректері арқылы орналасады, осылайша олардың мөлшері мен құнын төмендетуге болады. m адрес желісі және n дерек желісі бар SRAM-ның мөлшері 2^m сөз немесе 2^m × n бит болады. Ең көп таралған сөз мөлшері 8 бит, яғни SRAM чипіндегі әр түрлі сөздердің әрқайсысына бір байтты оқуға немесе жазуға болады. Көптеген таралған SRAM чиптерінде 11 адрес желісі (осылайша 2k сөз сыйымдылығы) және 8 бит сөз бар, сондықтан оларды «2k × 8 SRAM» деп атайды. IC-дегі SRAM жасушасының мөлшері IC-ді жасау үшін қолданылатын процестің ең кіші элементінің мөлшерімен анықталады.

Күту күйінде

Егер сөз сызығы күшінсіз болса, M5 және M6 транзисторлары жад ұяшығын бит сызықтарынан ажыратады. M1 және M4 транзисторларынан құралған екі өзара байланысқан инверторлар, олар қуат көзіне қосылғанша бір-бірін күшейтуді жалғастырады.

Оқу

Теориялық тұрғыдан алғанда, оқу үшін тек WL сөз сызығын күшпен қосу және бір қолжетімді транзистор мен бит сызығы арқылы, мысалы, M6, BL, SRAM ұяшығының күйін оқу жеткілікті. Дегенмен, бит сызықтары салыстырмалы түрде ұзын және паразиттік сыйымдылығы жоғары. Оқу жылдамдығын арттыру үшін практикада күрделірек процесс қолданылады: Оқу циклі BL және BL бит сызықтарын жоғары (логикалық 1) кернеуге алдын ала зарядтау арқылы басталады. Содан кейін WL сөз сызығын күшпен қосу M5 және M6 транзисторларын ашады, бұл бір бит сызығының, BL, кернеуін сәл төмендетеді. Осыдан кейін BL және BL сызықтары арасында шамалы кернеу айырмасы пайда болады. Сезімтал күшейткіш қай сызықта кернеу жоғары екенін анықтап, осылайша 1 немесе 0 сақталғанын білдіреді. Сезімтал күшейткіштің сезімталдығы жоғары болған сайын, оқу операциясы жылдамырақ орындалады. NMOS транзисторының қуаты жоғары болғандықтан, кернеуді төмендету оңайырақ. Сондықтан, бит сызықтары дәстүрлі түрде жоғары кернеуге алдын ала зарядталады. Көптеген зерттеушілер энергия тұтынуды азайту мақсатында, аздап төмен кернеуде алдын ала зарядтаудың жолдарын іздеп жатыр.

Жазу

Жазу циклі біт сызықтарына жазылатын мәнді қолдану арқылы басталады. 0 жазу үшін біт сызықтарына 0 мәні беріледі, мысалы, BL-ді 1 және BL-ді 0 деп қою. Бұл SR құлпына қайта орнату импульсін беруге ұқсас, бұл флип-флоптың күйін өзгертеді. 1 жазу үшін біт сызықтарының мәндері инверттеледі (кері қайтарылады). Содан кейін WL белсендіріледі (расталады) және сақталуға тиіс мән кіргізіледі. Бұл мынадай жұмыс істейді: біт сызығының кіріс драйверлері жасушаның өзіндегі салыстырмалы түрде әлсіз транзисторлардан әлдеқайда күшті болу үшін жасалған, сондықтан олар өзара байланысқан инверторлардың бұрынғы күйін оңай жеңе алады. Іс жүзінде, кіріс NMOS транзисторлары M5 және M6 төменгі NMOS (M1, M3) немесе жоғарғы PMOS (M2, M4) транзисторларынан күшті болуы керек. Бұл оңай қол жеткізіледі, себебі бірдей өлшемде PMOS транзисторлары NMOS транзисторларына қарағанда әлдеқайда әлсіз. Соның салдарынан, егер бір транзистор жұбы (мысалы, M3 және M4) жазу процесінде сәл ғана жеңілсе, қарама-қарсы транзистор жұбының (M1 және M2) қақпалық кернеуі де өзгереді. Бұл M1 және M2 транзисторларын оңай жеңуге болады дегенді білдіреді, және т.б. Осылайша, өзара байланысқан инверторлар жазу процесін күшейтеді.

Автобус жүріс-тұрысы

70 нс-тік кіру уақыты бар жад, адрестік желілер жарамды болған сәттен бастап 70 нс ішінде жарамды деректерді шығарады. Кейбір SRAM жасушаларында "беттік режим" болады, онда бір беттегі сөздер (256, 512 немесе 1024 сөз) айтарлықтай қысқа уақытта (әдетте шамамен 30 нс) тізбектей оқылуы мүмкін. Бет жоғарғы адрестік желілерді орнату арқылы таңдалады, ал сөздер төменгі адрестік желілер арқылы тізбектей оқылады.

Өндірістік қиындықтар

FinFET транзисторы қолданылған SRAM жасушаларында жасуша өлшемдерінің тиімсіздігі күшейе бастады. Соңғы 30 жыл ішінде (1987 жылдан 2017 жылға дейін) транзистордың мөлшері (торт мөлшері) үздіксіз азайып, SRAM жасушасы топологиясының кішіреюі баяулады, бұл жасушаларды тығыз орналастыруды қиындатты.

Зерттеу

2019 жылы француз институты IoT үшін жасалған 28 нм технологиясымен өндірілген интегралды схеманы (IC) зерттеу туралы хабарлады. Ол толыққанды оқшауланған кремний-изолятор транзисторларына (FD SOI) негізделген, синхронды/асинхронды қолжетімділік үшін екі портты SRAM жад тізбегі және таңдамалы виртуалды жерге (SVGND) ие болды. Зерттеу авторлары кернеуді дәл реттеу арқылы «күшті ұйқы» және оқу режимдерінде SVGND тогының өте төмен деңгейге жететінін мәлімдеді.