Semiconductor memory

Halbleiterspeicher sind digitale elektronische Halbleiterbauelemente zur Speicherung digitaler Daten , beispielsweise im Computerspeicher . Typischerweise bezeichnet man damit Bauelemente, in denen Daten in Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) -Speicherzellen auf einem integrierten Silizium - Speicherchip gespeichert werden . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Es gibt zahlreiche verschiedene Typen, die unterschiedliche Halbleitertechnologien nutzen. Die beiden Haupttypen von Direktzugriffsspeichern (RAM) sind statisches RAM (SRAM), das mehrere Transistoren pro Speicherzelle verwendet , und dynamisches RAM (DRAM), das einen Transistor und einen MOS-Kondensator pro Zelle nutzt . Nichtflüchtige Speicher (wie EPROM , EEPROM und Flash-Speicher ) verwenden Floating-Gate -Speicherzellen, die jeweils aus einem einzelnen Floating-Gate-Transistor bestehen .

Die meisten Halbleiterspeicher zeichnen sich durch wahlfreien Zugriff aus ^{[ 4 ]} , was bedeutet, dass der Zugriff auf jede Speicherzelle gleich lange dauert und Daten somit in beliebiger Reihenfolge effizient abgerufen werden können ^{[ 5 ]} . Dies steht im Gegensatz zu Datenspeichermedien wie CDs , die Daten nacheinander lesen und schreiben, sodass die Daten nur in der Reihenfolge ihres Schreibens abgerufen werden können. Halbleiterspeicher bieten zudem deutlich schnellere Zugriffszeiten als andere Datenspeicherarten; ein Byte kann innerhalb weniger Nanosekunden in einen Halbleiterspeicher geschrieben oder von ihm gelesen werden , während die Zugriffszeit für rotierende Speicher wie Festplatten im Millisekundenbereich liegt. Aus diesen Gründen wird Halbleiterspeicher unter anderem als Primärspeicher verwendet , um das Programm und die Daten zu speichern, an denen der Computer gerade arbeitet.

Im Jahr 2017 beliefen sich die Umsätze mit Halbleiterspeicherchips auf 124 Milliarden US-Dollar jährlich, was 30 % des Umsatzes der Halbleiterindustrie ausmachte . ^{[ 6 ]} Schieberegister , Prozessorregister , Datenpuffer und andere kleine digitale Register ohne Speicheradressdekodierungsmechanismus werden üblicherweise nicht als Speicher bezeichnet, obwohl auch sie digitale Daten speichern.

In einem Halbleiterspeicherchip wird jedes Bit binärer Daten in einer winzigen Schaltung, der sogenannten Speicherzelle, gespeichert , die aus einem oder mehreren Transistoren besteht . Die Speicherzellen sind in rechteckigen Feldern auf der Chipoberfläche angeordnet. Die 1-Bit-Speicherzellen sind zu kleinen Einheiten, sogenannten Wörtern, zusammengefasst , auf die gemeinsam als eine einzige Speicheradresse zugegriffen wird. Die Speicher werden in Wortlängen gefertigt , die üblicherweise eine Zweierpotenz sind, typischerweise N = 1, 2, 4 oder 8 Bit.

Der Datenzugriff erfolgt über eine Binärzahl, die sogenannte Speicheradresse, die an die Adresspins des Chips angelegt wird und angibt, auf welches Wort im Chip zugegriffen werden soll. Besteht die Speicheradresse aus M Bits, so beträgt die Anzahl der Adressen auf dem Chip 2^{^M} , wobei jede ein N -Bit-Wort enthält . Folglich beträgt die Datenmenge, die auf jedem Chip gespeichert wird, N 2^{^M} Bits. ^{[ 5 ]} Die Speicherkapazität für M Adressleitungen beträgt 2^{^M} , was üblicherweise eine Zweierpotenz ist: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 und 512. Die Messung erfolgt in Kilobit , Megabit , Gigabit oder Terabit usw. Die größten Halbleiterspeicherchips speicherten im Jahr 2014 einige Gigabit an Daten, aber Speicher mit höherer Kapazität werden ständig entwickelt. Durch die Kombination mehrerer integrierter Schaltkreise lässt sich der Speicher so anordnen, dass eine größere Wortlänge und/oder ein größerer Adressraum als der eines einzelnen Chips möglich ist, oft, aber nicht notwendigerweise, eine Zweierpotenz . ^{[ 5 ]}

Die beiden grundlegenden Operationen eines Speicherchips sind das Lesen , bei dem der Dateninhalt eines Speicherworts (nicht-destruktiv) ausgelesen wird, und das Schreiben , bei dem Daten in einem Speicherwort gespeichert und die zuvor gespeicherten Daten überschrieben werden. Um die Datenrate zu erhöhen, werden bei einigen modernen Speicherchips, wie z. B. DDR-SDRAM, mit jedem Lese- oder Schreibvorgang mehrere Wörter adressiert.

Neben eigenständigen Speicherchips sind Halbleiterspeicherblöcke integraler Bestandteil vieler integrierter Schaltkreise für Computer und Datenverarbeitung. Beispielsweise enthalten die Mikroprozessoren von Computern einen Cache-Speicher zum Speichern von Anweisungen, die auf ihre Ausführung warten.

Flüchtiger Speicher verliert seine gespeicherten Daten, sobald die Stromzufuhr zum Speicherchip unterbrochen wird. Er kann jedoch schneller und kostengünstiger als nichtflüchtiger Speicher sein. Dieser Speichertyp wird in den meisten Computern als Hauptspeicher verwendet, da die Daten auf der Festplatte gespeichert werden , solange der Computer ausgeschaltet ist. Die wichtigsten Typen sind: ^{[ 7 ] [ 8 ]}

RAM ( Random-Access Memory ) – Dies ist ein Oberbegriff für jeden Halbleiterspeicher, der sowohl beschrieben als auch gelesen werden kann, im Gegensatz zu ROM (siehe unten) , das nur gelesen werden kann. Alle Halbleiterspeicher, nicht nur RAM, besitzen die Eigenschaft des wahlfreien Zugriffs .

• DRAM ( Dynamic Random-Access Memory ) – Dieser Speichertyp verwendet Speicherzellen, die jeweils aus einem MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) und einem MOS-Kondensator bestehen , um jedes Bit zu speichern. DRAM ist der kostengünstigste und speicherdichteste Speichertyp und wird daher als Hauptspeicher in Computern eingesetzt. Da die elektrische Ladung , die die Daten in den Speicherzellen speichert, mit der Zeit abnimmt, müssen die Speicherzellen regelmäßig aufgefrischt (neu beschrieben) werden, was zusätzliche Schaltungen erfordert. Dieser Auffrischungsprozess wird intern vom Computer durchgeführt und ist für den Benutzer transparent.
  • FPM-DRAM ( Fast Page Mode DRAM ) – Ein älterer Typ von asynchronem DRAM, der gegenüber früheren Typen verbesserte, indem er schnellere, wiederholte Zugriffe auf eine einzelne Speicherseite ermöglichte. Wurde Mitte der 1990er-Jahre verwendet.
  • EDO-DRAM ( Extended Data Out DRAM ) – Ein älterer Typ von asynchronem DRAM mit schnelleren Zugriffszeiten als frühere Typen, da ein neuer Speicherzugriff initiiert werden konnte, während die Daten des vorherigen Zugriffs noch übertragen wurden. Wurde in der zweiten Hälfte der 1990er-Jahre verwendet.
  • VRAM ( Video Random Access Memory ) – Ein älterer Typ von Dual-Port -Speicher, der früher für die Framebuffer von Videoadaptern (Grafikkarten) verwendet wurde.
  • SDRAM ( Synchronous Dynamic Random-Access Memory ) – Hierbei handelt es sich um eine zusätzliche Schaltung im DRAM-Chip, die alle Operationen mit einem Taktsignal synchronisiert, das dem Speicherbus des Computers hinzugefügt wird. Dadurch kann der Chip mithilfe von Pipelining mehrere Speicheranfragen gleichzeitig verarbeiten und so die Geschwindigkeit erhöhen. Die Daten auf dem Chip sind in Bänke unterteilt , von denen jede gleichzeitig eine Speicheroperation ausführen kann. Um das Jahr 2000 wurde SDRAM zum dominierenden Speichertyp in Computern.
    • DDR-SDRAM ( Double Data Rate SDRAM ) – Durch Double Pumping (Datenübertragung sowohl an der steigenden als auch an der fallenden Flanke des Taktimpulses) kann diese Technologie die doppelte Datenmenge (zwei aufeinanderfolgende Wörter) pro Taktzyklus übertragen. Weiterentwicklungen dieses Konzepts sind die aktuell (2012) eingesetzte Technik zur Steigerung der Speicherzugriffsrate und des Datendurchsatzes. Da es sich als schwierig erweist, die interne Taktfrequenz von Speicherchips weiter zu erhöhen, steigern diese Chips die Übertragungsrate, indem sie mehr Datenwörter pro Taktzyklus übertragen.
      • DDR2 SDRAM – Überträgt 4 aufeinanderfolgende Wörter pro internem Taktzyklus
      • DDR3 SDRAM – Überträgt 8 aufeinanderfolgende Wörter pro internem Taktzyklus.
      • DDR4 SDRAM – Überträgt 16 aufeinanderfolgende Wörter pro internem Taktzyklus.
      • DDR5 SDRAM
    • RDRAM ( Rambus DRAM ) – Ein alternativer Speicherstandard mit doppelter Datenrate, der auf einigen Intel-Systemen verwendet wurde, sich aber letztendlich gegen DDR SDRAM durchsetzen musste.
      • XDR DRAM ( Extreme Data Rate DRAM )
    • SGRAM ( Synchronous Graphics RAM ) – Ein spezieller SDRAM-Typ für Grafikkarten . Er kann grafikbezogene Operationen wie Bitmaskierung und Blockschreiben durchführen und zwei Speicherseiten gleichzeitig öffnen.
      • GDDR SDRAM ( Grafik-DDR-SDRAM )
        • GDDR2
        • GDDR3 SDRAM
        • GDDR4 SDRAM
        • GDDR5 SDRAM
        • GDDR6 SDRAM
    • HBM ( High Bandwidth Memory ) – Eine Weiterentwicklung von SDRAM, die in Grafikkarten eingesetzt wird und Daten deutlich schneller übertragen kann. Sie besteht aus mehreren übereinander gestapelten Speicherchips mit einem breiteren Datenbus.
  • PSRAM ( Pseudostatisches RAM ) – Dies ist ein DRAM-Speicher mit einer integrierten Schaltung zur Speicherauffrischung , die es ihm ermöglicht, wie SRAM zu funktionieren und den externen Speichercontroller zur Energieeinsparung abzuschalten. Er wird in einigen Spielkonsolen wie der Wii verwendet .
• SRAM ( Statischer Direktzugriffsspeicher ) speichert jedes Datenbit in einer Schaltung namens Flip-Flop , die aus 4 bis 6 Transistoren besteht. SRAM ist weniger dicht und pro Bit teurer als DRAM, aber schneller und benötigt keine Speicherauffrischung . Es wird für kleinere Cache-Speicher in Computern verwendet .
• CAM ( Content-Addressable Memory ) – Dies ist ein spezieller Speichertyp, bei dem Daten nicht über eine Adresse, sondern über ein Datenwort abgerufen werden. Der Speicher gibt die Speicheradresse zurück, falls das Wort im Speicher vorhanden ist. CAM wird hauptsächlich in anderen Chips wie Mikroprozessoren eingesetzt, wo es als Cache-Speicher dient .

Non-volatile memory (NVM) preserves the data stored in it during periods when the power to the chip is turned off. Therefore, it is used for the memory in portable devices, which don't have disks, and for removable memory cards among other uses. Major types are:^[7][8]

• ROM (Read-only memory) – This is designed to hold permanent data, and in normal operation is only read from, not written to. Although many types can be written to, the writing process is slow and usually all the data in the chip must be rewritten at once. It is usually used to store system software which must be immediately accessible to the computer, such as the BIOS program which starts the computer, and the software (microcode) for portable devices and embedded computers such as microcontrollers.
  • MROM (Mask programmed ROM or Mask ROM) – In this type the data is programmed into the chip when the chip is manufactured, so it is only used for large production runs. It cannot be rewritten with new data.
  • PROM (Programmable read-only memory) – In this type the data is written into an existing PROM chip before it is installed in the circuit, but it can only be written once. The data is written by plugging the chip into a device called a PROM programmer.
  • EPROM (Erasable programmable read-only memory or UVEPROM) – In this type the data in it can be rewritten by removing the chip from the circuit board, exposing it to an ultraviolet light to erase the existing data, and plugging it into a PROM programmer. The IC package has a small transparent "window" in the top to admit the UV light. It is often used for prototypes and small production run devices, where the program in it may have to be changed at the factory.

    

  • EEPROM (Electrically erasable programmable read-only memory) – In this type the data can be rewritten electrically, while the chip is on the circuit board, but the writing process is slow. This type is used to hold firmware, the low level microcode which runs hardware devices, such as the BIOS program in most computers, so that it can be updated.
• NVRAM (Non-volatile random-access memory)
  • FRAM (Ferroelectric RAM) – One type of nonvolatile RAM.
• Flash-Speicher – Bei diesem Speichertyp liegt die Schreibgeschwindigkeit zwischen der von EEPROMs und RAM-Speicher; er kann beschrieben werden, ist aber nicht schnell genug, um als Hauptspeicher zu dienen. Er wird häufig als Halbleiterversion einer Festplatte zum Speichern von Dateien verwendet. Man findet ihn in tragbaren Geräten wie PDAs, USB-Sticks und Speicherkarten , die in Digitalkameras und Mobiltelefonen zum Einsatz kommen .

Frühe Computerspeicher bestanden aus Magnetkernspeichern , da frühe elektronische Halbleiter , darunter Transistoren wie der Bipolartransistor (BJT), für den Einsatz als digitale Speicherelemente ( Speicherzellen ) unpraktisch waren. Die ersten Halbleiterspeicher, sogenannte Bipolarspeicher, die Bipolartransistoren verwendeten, stammen aus den frühen 1960er Jahren. ^{[ 9 ]} Bipolare Halbleiterspeicher aus diskreten Bauelementen wurden 1961 erstmals von Texas Instruments an die US-Luftwaffe ausgeliefert . Im selben Jahr schlug der Anwendungsingenieur Bob Norman bei Fairchild Semiconductor das Konzept eines Festkörperspeichers auf einem integrierten Schaltkreis (IC) vor . ^{[ 10 ]} Der erste Ein-Chip -Speicher-IC war der 16-Bit-BJT-Speicher IBM SP95, der im Dezember 1965 von Paul Castrucci entwickelt und hergestellt wurde. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Obwohl Bipolarspeicher eine höhere Leistung als Magnetkernspeicher boten, konnten sie mit dem niedrigeren Preis der Magnetkernspeicher, die bis Ende der 1960er Jahre den Markt dominierten, nicht konkurrieren. ^{[ 9 ]} Bipolare Speicher konnten magnetische Kernspeicher nicht ersetzen, da bipolare Flip-Flop- Schaltungen zu groß und zu teuer waren. ^{[ 11 ]}

Die Entwicklung des Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET), erfunden von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng bei den Bell Labs im Jahr 1959 ^{[ 12 ]} , ermöglichte den praktischen Einsatz von Metall-Oxid-Halbleiter- Transistoren (MOS-Transistoren) als Speicherelemente – eine Funktion, die zuvor von Magnetkernen im Computerspeicher übernommen wurde . MOS-Speicher wurden 1964 von John Schmidt bei Fairchild Semiconductor entwickelt ^{[ 13 ] [ 14 ].} Neben höherer Leistung waren MOS-Speicher kostengünstiger und verbrauchten weniger Strom als Magnetkernspeicher ^{[ 13 ]} . Dies führte schließlich dazu, dass MOSFETs Magnetkerne als Standard-Speicherelemente im Computerspeicher ablösten.

1965 schlugen J. Wood und R. Ball vom Royal Radar Establishment digitale Speichersysteme vor , die neben MOSFET- Leistungshalbleitern für die Stromversorgung , geschalteter Kreuzkopplung, Schaltern und Verzögerungsleitungsspeichern auch CMOS- Speicherzellen (Complementary MOS) nutzten . ^{[ 15 ]} Die Entwicklung der Silizium-Gate- MOS-IC -Technologie (MOS-IC) durch Federico Faggin bei Fairchild im Jahr 1968 ermöglichte die Produktion von MOS -Speicherchips . ^{[ 16 ]} NMOS -Speicher wurde Anfang der 1970er-Jahre von IBM kommerzialisiert . ^{[ 17 ]} Anfang der 1970er-Jahre löste der MOS-Speicher den Magnetkernspeicher als dominierende Speichertechnologie ab. ^{[ 13 ]}

Der Begriff „Speicher“ bezieht sich im Zusammenhang mit Computern meist auf flüchtigen Direktzugriffsspeicher (RAM). Die beiden Haupttypen von flüchtigem RAM sind statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM) und dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM). Bipolarer SRAM wurde 1963 von Robert Norman bei Fairchild Semiconductor erfunden ^{[ 9 ]} , gefolgt von der Entwicklung von MOS-SRAM durch John Schmidt, ebenfalls bei Fairchild, im Jahr 1964 ^{[ 13 ].} SRAM wurde zu einer Alternative zum Magnetkernspeicher, benötigte jedoch sechs MOS-Transistoren pro Datenbit ^{[ 18 ]} . Die kommerzielle Nutzung von SRAM begann 1965 mit der Einführung des SP95-SRAM-Chips von IBM für das System/360 Modell 95 ^{[ 9 ]} .

Toshiba führte 1965 bipolare DRAM -Speicherzellen für seinen elektronischen Taschenrechner Toscal BC-1411 ein. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Obwohl bipolare DRAM-Speicher eine höhere Leistung als Magnetkernspeicher boten, konnten sie mit dem niedrigeren Preis der damals dominierenden Magnetkernspeicher nicht konkurrieren. ^{[ 21 ]} Die MOS-Technologie bildet die Grundlage für moderne DRAM-Speicher. 1966 arbeitete Dr. Robert H. Dennard im IBM Thomas J. Watson Research Center an MOS-Speichern. Bei der Untersuchung der Eigenschaften der MOS-Technologie entdeckte er, dass sie Kondensatoren herstellen konnte und dass das Speichern einer Ladung oder Nicht-Ladung auf dem MOS-Kondensator die 1 und 0 eines Bits repräsentieren konnte, während der MOS-Transistor das Schreiben der Ladung auf den Kondensator steuern konnte. Dies führte zur Entwicklung einer Ein-Transistor-DRAM-Speicherzelle. ^{[ 18 ]} 1967 meldete Dennard bei IBM ein Patent für eine auf MOS-Technologie basierende Ein-Transistor-DRAM-Speicherzelle an. ^{[ 22 ]} Dies führte im Oktober 1970 zur Entwicklung des ersten kommerziellen DRAM-IC-Chips, des Intel 1103. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Synchroner dynamischer Direktzugriffsspeicher (SDRAM) wurde später mit dem Samsung KM48SL2000-Chip im Jahr 1992 eingeführt. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Der Begriff „Speicher“ wird oft auch für nichtflüchtigen Speicher , insbesondere Flash-Speicher, verwendet . Er hat seinen Ursprung im Festwertspeicher (ROM). Der programmierbare Festwertspeicher (PROM) wurde 1956 von Wen Tsing Chow erfunden , der damals für die Arma Division der American Bosch Arma Corporation arbeitete. ^{[ 28 ] [ 29 ]} 1967 schlugen Dawon Kahng und Simon Sze von den Bell Labs vor, das Floating-Gate eines MOS- Halbleiterbauelements als Speicherzelle eines reprogrammierbaren Festwertspeichers (ROM) zu verwenden. Dies führte 1971 zur Erfindung des EPROM (Erasable PROM) durch Dov Frohman von Intel. ^{[ 30 ]} EEPROM (Electrically Erasable PROM) wurde 1972 von Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi und Kiyoko Naga im Elektrotechnischen Labor des japanischen Ministeriums für Internationalen Handel und Industrie (MITI) entwickelt. ^{[ 31 ]} Flash-Speicher wurden Anfang der 1980er-Jahre von Fujio Masuoka bei Toshiba erfunden . ^{[ 32 ] [ 33 ]} Masuoka und Kollegen stellten 1984 die Erfindung des NOR-Flash-Speichers vor, ^{[ 34 ]} und 1987 den NAND-Flash-Speicher. ^{[ 35 ]} Toshiba brachte 1987 NAND-Flash-Speicher auf den Markt. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

• Elektronikindustrie
• Halbleiterindustrie

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