Полупроводниковая память: типы, история и применение.

Введение

Устройство хранения данных

Полупроводниковая память — это цифровое электронное полупроводниковое устройство, используемое для хранения цифровых данных, таких как компьютерная память. Обычно под этим термином подразумевают устройства, в которых данные хранятся в металл-оксид-полупроводниковых (MOS) ячейках памяти на кремниевой интегральной микросхеме. Существует множество различных типов, использующих различные полупроводниковые технологии. Два основных типа памяти с произвольным доступом (RAM) — статическая RAM (SRAM), использующая несколько транзисторов на ячейку памяти, и динамическая RAM (DRAM), использующая транзистор и MOS-конденсатор на ячейку. Неисчезняемая память (такая как EPROM, EEPROM и флэш-память) использует ячейки памяти с плавающим затвором, состоящие из одного транзистора с плавающим затвором на ячейку. Большинство типов полупроводниковой памяти обладают свойством произвольного доступа, что означает, что время доступа к любому адресу памяти одинаково, поэтому данные можно эффективно получать в любом произвольном порядке. Это отличается от носителей информации, таких как компакт-диски, которые считывают и записывают данные последовательно, и поэтому доступ к данным возможен только в той же последовательности, в которой они были записаны. Полупроводниковая память также имеет значительно более быстрое время доступа, чем другие типы хранения данных: байт данных может быть записан или прочитан из полупроводниковой памяти за несколько наносекунд, в то время как время доступа к вращающимся носителям, таким как жесткие диски, составляет миллисекунды. По этим причинам она используется для основной памяти, для хранения программы и данных, с которыми компьютер в данный момент работает, а также для других целей. По состоянию на 2017 год объем продаж полупроводниковых чипов памяти составил 124 миллиарда долларов в год, что составляет % от полупроводниковой промышленности. Регистры сдвига, процессорные регистры, буферы данных и другие небольшие цифровые регистры, не имеющие механизма декодирования адреса памяти, обычно не классифицируются как память, хотя они также хранят цифровые данные.

Нелетучая память

Нелетучая память (NVM) сохраняет данные, хранящиеся в ней, даже при отключенном питании чипа. Поэтому она используется в памяти портативных устройств, не имеющих дисков, а также в съемных картах памяти и других областях применения. Основные типы: Биполярная полупроводниковая память, изготовленная из дискретных компонентов, впервые была поставлена компанией Texas Instruments ВВС США в 1961 году. В том же году инженер-прикладник Боб Норман из Fairchild Semiconductor предложил концепцию твердотельной памяти на интегральной схеме (ИС). Первой однокристальной микросхемой памяти стала 16-битная BJT IBM SP95, изготовленная в декабре 1965 года под руководством Пола Каструччи.

Память MOS

Появление металлического полупроводникового полевого транзистора (MOSFET), изобретенного Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в лабораториях Bell в 1959 году, позволило практически использовать металлическо-оксидные-полупроводниковые (MOS) транзисторы в качестве элементов хранения в ячейках памяти, функцию, которую ранее выполняли магнитные сердечники в компьютерной памяти. Помимо более высокой производительности, MOS-память была дешевле и потребляла меньше энергии, чем память на магнитных сердечниках. Это привело к тому, что MOSFET в конечном итоге заменили магнитные сердечники в качестве стандартных элементов хранения в компьютерной памяти. Разработка технологии MOS-интегральных схем (MOS IC) с кремниевым затвором Федерико Фэггином в Fairchild в 1968 году позволила начать производство чипов памяти MOS. Память NMOS была коммерциализирована компанией IBM в начале 1970-х годов. В начале 1970-х годов MOS-память обогнала память на магнитных сердечниках, став доминирующей технологией памяти. Коммерческое использование SRAM началось в 1965 году, когда IBM представила свой чип SP95 SRAM для System/360 Model 95. Хотя она предлагала улучшенную производительность по сравнению с памятью на магнитных сердечниках, биполярная DRAM не могла конкурировать с более низкой ценой доминирующей в то время памяти на магнитных сердечниках. Технология MOS является основой современной DRAM. В 1966 году доктор Роберт Дэннард из Исследовательского центра IBM Томаса Уотсона работал над MOS-памятью. Изучая характеристики технологии MOS, он обнаружил, что она позволяет создавать конденсаторы, и что хранение заряда или его отсутствие на конденсаторе MOS может представлять 1 и 0 бита, в то время как MOS-транзистор может управлять записью заряда в конденсатор. Это привело к разработке однотранзисторной ячейки памяти DRAM. Это привело к созданию первого коммерческого чипа DRAM IC, Intel 1103, в октябре 1970 года. Синхронная динамическая память с произвольным доступом (SDRAM) позже дебютировала с чипом Samsung KM48SL2000 в 1992 году. Термин "память" также часто используется для обозначения энергонезависимой памяти, в частности, флэш-памяти. Она берет свое начало в памяти только для чтения (ROM). Программируемая память только для чтения (PROM) была изобретена Вэнь Цин Чоу в 1956 году, работая в подразделении Arma корпорации American Bosch Arma. В 1967 году Давон Канг и Саймон Сзе из Bell Labs предложили использовать плавающий затвор полупроводникового устройства MOS для ячейки перепрограммируемой памяти только для чтения (ROM), что привело к тому, что Дов Фроман из Intel изобрел EPROM (стираемую PROM) в 1971 году. EEPROM (электрически стираемая PROM) была разработана Ясуо Таруи, Ютакой Хаяши и Киёко Нага в электротехнической лаборатории Министерства международной торговли и промышленности Японии (MITI) в 1972 году. Флэш-память была изобретена Фудзио Масуокой в компании Toshiba в начале 1980-х годов. Масуока и его коллеги представили изобретение NOR flash в 1984 году, а затем NAND flash в 1987 году. Компания Toshiba коммерциализировала флэш-память NAND в 1987 году.

The advent of the metal–oxide–semiconductor field effect transistor (MOSFET), invented by Mohamed M. Atalla and Dawon Kahng at Bell Labs in 1959, enabled the practical use of metal–oxide–semiconductor (MOS) transistors as memory cell storage elements, a function previously served by magnetic cores in computer memory. In addition to higher performance, MOS memory was cheaper and consumed less power than magnetic core memory. This led to MOSFETs eventually replacing magnetic cores as the standard storage elements in computer memory. The development of silicon gate MOS integrated circuit (MOS IC) technology by Federico Faggin at Fairchild in 1968 enabled the production of MOS memory chips. NMOS memory was commercialized by IBM in the early 1970s. MOS memory overtook magnetic core memory as the dominant memory technology in the early 1970s. Commercial use of SRAM began in 1965, when IBM introduced their SP95 SRAM chip for the System/360 Model 95. While it offered improved performance over magnetic core memory, bipolar DRAM could not compete with the lower price of the then dominant magnetic core memory. MOS technology is the basis for modern DRAM. In 1966, Dr. Robert H. Dennard at the IBM Thomas J. Watson Research Center was working on MOS memory. While examining the characteristics of MOS technology, he found it was capable of building capacitors, and that storing a charge or no charge on the MOS capacitor could represent the 1 and 0 of a bit, while the MOS transistor could control writing the charge to the capacitor. This led to his development of a single transistor DRAM memory cell. This led to the first commercial DRAM IC chip, the Intel 1103, in October 1970. Synchronous dynamic random access memory (SDRAM) later debuted with the Samsung KM48SL2000 chip in 1992. The term "memory" is also often used to refer to non volatile memory, specifically flash memory. It has origins in read only memory (ROM). Programmable read only memory (PROM) was invented by Wen Tsing Chow in 1956, while working for the Arma Division of the American Bosch Arma Corporation. In 1967, Dawon Kahng and Simon Sze of Bell Labs proposed that the floating gate of a MOS semiconductor device could be used for the cell of a reprogrammable read only memory (ROM), which led to Dov Frohman of Intel inventing EPROM (erasable PROM) in 1971. EEPROM (electrically erasable PROM) was developed by Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi and Kiyoko Naga at Japan's Ministry of International Trade and Industry (MITI) Electrotechnical Laboratory in 1972. Flash memory was invented by Fujio Masuoka at Toshiba in the early 1980s. Masuoka and colleagues presented the invention of NOR flash in 1984, and then NAND flash in 1987. Toshiba commercialized NAND flash memory in 1987.

Приложения

+ Применения MOS-памяти Тип MOS-памяти Сокращение (аббревиатура) MOS-ячейка памяти ПримененияСтатическая память с произвольным доступом (SRAM) MOSFET Кэш-память, сотовые телефоны, eSRAM, мэйнфреймы, мультимедийные компьютеры, сети, персональные компьютеры, серверы, суперкомпьютеры, телекоммуникации, рабочие станции, буфер DVD-диска, буфер данных, энергонезависимая память BIOS Динамическая память с произвольным доступом (DRAM) MOSFET, MOS-конденсатор Видеокамеры, встроенная логика, eDRAM, графические карты, жесткие диски (HDD), сети, персональные компьютеры, персональные цифровые помощники, принтеры, Ферроэлектрическая память с произвольным доступом (FRAM) MOSFET, ферроэлектрический конденсатор Энергонезависимая память, радиочастотная идентификация (RFID), смарт-карты, цифровое телевидение, электронные книги, карты памяти, мобильные устройства, приставки, смартфоны, твердотельные накопители, планшетные компьютеры Энергонезависимая память с произвольным доступом (NVRAM) MOSFET Плавающий затвор Медицинское оборудование, космические аппараты.