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半导体存储器
阅读:10293时间:2011-03-05 16:00:23

半导体存储器,是一种以存储二值信息的大规模集成电路作为存储媒体的存储器,常用于存储程序、常数、原始数据、中间结果和最终结果等数据,是微型计算机的重要记忆元件。半导体存储器有存储速度快、存储密度高、与逻辑电路接口容易等优点,主要用作高速缓冲存储器、主存储器、只读存储器、堆栈存储器等。

概述

  和逻辑运算器一样,半导体存储器同样也是各种电子计算机的关键部件,并且广泛应用于各类通讯和家用电子设备中;如今大到超级计算机和航天飞机,小到手机、语言复读机、各种电子玩具以及智能卡,都用到不同种类的半导体存储器;没有存储记忆功能的数字集成系统芯片(system on chip, SOC),就像人的大脑失去了记忆,如此可知存储器和逻辑运算器同等重要、缺一不可。

  现代半导体存储器的基本特点包括高密度、大容量、高速度、低功耗、低成本、类型多、功能强、用途广,几乎在每种半导体存储器中都采用金属-氧化层-半导体(MOS)工艺,并位于整个MOS芯片制造工艺的前沿。

分类

  半导体存储器是存储二值信息的大规模集成电路,是现代数字系统的重要组成部分。半导体存储器分类如下:

半导体存储器分类图

  按制造工艺分,有双极型和MOS型两类。双极型存储器具有工作速度快、功耗大、价格较高的特点。MOS型存储器具有集成度高、功耗小、工艺简单、价格低等特点。

  按存取方式分,有顺序存取存储器(SAM)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)三类。

  1.顺序存取存储器(简称SAM):对信息的存入(写)或取出(读)是按顺序进行的,即具有“先入先出”或“先入后出”的特点。

  2.随机存取存储器(简称RAM):可在任何时刻随机地对任意一个单元直接存取信息。根据所采用的存储单元工作原理的不同,又将随机存储器分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM。DRAM存储单元结构非常简单,它所能达到的集成度远高于SRAM。

  3.只读存储器(简称ROM):信息被事先固化到存储器内,可以长期保留,断电也不丢失。它在正常运行时,只能读出信息,而不能写入。只读存储器有固定 ROM和可编程ROM两类。可编程ROM又有一次可编程ROM(简称PROM)、光可擦可编程ROM(简称EPROM)、电可擦可编程ROM(简称 EEPROM或E2PROM)、快闪存储器(Flash Memory)等几种类型。

原理

  半导体存储器因其存储元器件及其工作原理不同而类别不同。输入的地址码(address or address code)信号通过地址缓冲器(address buffer) 进入译码器(decoder),如果存储器有 N个地址码输入端,则该存储器的记忆容量为2N比特;在由一个个存储单元有规律地排列而组成的存储器阵列(memory array)中,有2n根字线(word line, WL)和 2N-n 根位线(bit line, BL)相互垂直交叉排列;在每一个字线和位线的交叉点上接有存储单元即元器件;在读出数据时,首先由行译码器选择其中一根字线,接在这一根字线(行)上的所有的存储单元与各自的位线(列)相连接,各个位线上得到与存储单元所记忆的数据相对应的微小信号,通过读出放大器 (sense amplifier)进行放大;然后,由列译码器选择其中一个读出并放大,将放大了的信号通过多路输出缓冲器(multiplexer)送给输出电路;在写数据时,要将写入的数据送给由列译码器选择的位线,通过特定的写入电路将数字信号写入指定的存储单元。

只读存储器

  值得一提的是,存储阵列(memory array)之外的其它元器件和子系统,包括地址缓冲器(address buffer)、译码器(decoder)和控制器(controller),也都是由逻辑器件以及子系统所构成;因此,要想通过同一个制程,把上百万个高密度一种或者多种存储单元器件,和支持存储器工作的所有逻辑元器件与电路完成,并保证各个元器件和整个系统达到规定的技术指标与要求,对芯片制成工艺及其技术是一种极高的技术挑战,尤其是对于嵌入一种或多种存储器件单元的数字集成系统芯片将更为明显。

指标

  半导体存储器有两个主要技术指标:存储容量和存取速度。

  1.存储容量

  存储容量是半导体存储器存储信息量大小的指标。半导体存储器的容量越大,存放程序和数据的能力就越强。

  2.存取速度

  存储器的存取速度是用存取时间来衡量的,它是指存储器从接收CPU发来的有效地址到存储器给出的数据稳定地出现在数据总线上所需要的时间。存取速度对CPU与存储器的时间配合是至关重要的。如果存储器的存取速度太慢,与CPU不能匹配,则CPU读取的信息就可能有误。

只读存储器

  3.存储器功耗

  存储器功耗是指它在正常工作时所消耗的电功率。通常,半导体存储器的功耗和存取速度有关,存取速度越快,功耗也越大。因此,在保证存取速度前提下,存储器的功耗越小越好。

  4.可靠性和工作寿命

  半导体存储器的可靠性是指它对周围电磁场、温度和湿度等的抗干扰能力。由于半导体存储器常采用VLSI工艺制造,可靠性较高,寿命也较长,平均无故障时间可达数千小时。

  5.集成度

  半导体存储器的集成度是指它在一块数平方毫米芯片上能够集成的晶体管数目,有时也可以每块芯片上集成的“基本存储电路”个数来表征。

用途

     主要用作高速缓冲存储器、主存储器、只读存储器、堆栈存储器等。

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