55 Informatica št. 2 letnik 1977 dinamični nrios pomnilniki r. trobec j. korenini f. novak UDK 621.377.622.25 Institut "Jožef Štefan", Ljubljana • V članku želimo seznaniti bralca z natančnejšim opisom izvedbe in delovanja dinamičnih llOo pomnilnikov. Najprej Je opisane, tehnolopiju,.ki dopušča veliko Eostoto podatkov, sleda opis os­ novnih funkcij pomnilnikov (Čitanje, pisanje), koncao pa so predstavljene sheme važnejših funk­ cionalnih blokov na nivoju tranzistorjev. Oi^isane oo pomnilne lokacije, ojačevalniki informacije (eense amplifier) in vhodno-izhodni vmesniki (buffer), ki so specifično zasnovani zaradi STh kom- patibilnosti in optimalnep;a razmerja poraba moči/hitrost. _^ Na koncu podajamo časovne diagrame za tipične pomnilniške cikle (citanje, pisanje, nacin zapored- nepin vpisovanja (čitanja) v vrstice (page mode), osvežitev informacije (refresh) ), s poudarkom na važnih časovnih parametrih. ^ x. J •, ^ ^ j i-j DIMAMIC K03 MEMORIEJ The aim of this article is to infoitn the reader with a detailed description of the architecture and the performance of dynamic memories. At first we describa the technology that permitB so much Information gathered on a sine;le chip. The description includes basical me- mory functions (read, write) and some diagrams of important functional blocks on tranoistor level. Basic memory celi and its environment (sense amplifiers, decoder and I/O buffers necessary for TTL compatibility) is described as well as internal timing and problems of power dissipation and access tirne. Finally timing diagrama fpr typical memory cycle (read, write, page mode, refreshJ are given and attention is paied to important timing parameters. 1. Pregled osnovnih tehnologij, ki se uporab­ ljajo pri izdelavi dinamičnih M08 pomnilnikov Pri izdelavi dinamičnih pomnilnikov se danes zaradi razvoja tehnologije večinoma uporablja­ jo tranzistorji z n-kanalom. Ti imajo zai-adi boljše gibljivosti elektronov večjo hitrost {,2x1 in manjšo površino kot tranzistorji s p- -knnalom. Nova silikonska vrata (gate) vse bolj nadomeščajo metalno elektrodo. PONOR IZVOR Slika 1. MOo FET^^z metalnimi vrati in n-indu- ciranim kanalom. Če Je na vratih pozitiven potencial, se indu­ cira pod njimi prevodni n-kanal, sl:ozi katere- fa teče tok, odvisen od napetosti med ponorom drainJ in izvorom (source). Za izdelavo BO potrebne A maske. Ponor in izvor Inhko izvede­ mo z difuzijo ali ionsko implantacijo. Silikon blika 2. FET s silikonskimi vrati in induci- i'anim p-kanalom. Bistvena prednost to izvedbe Je v nizki nape­ tosti prn(;a, kar Je posledica velike dielek- tričnosti kombinacije plasti SiOg - iii,N^. Iz enačbe za pragovno napetost (V,p) V,n (^ss XokB .TI * ?(V - V ) C-okn Je neposredno viden vpliv Coknida na V,p. Ti­ pične vrednosti so 1,5 - 2V. Taka napetost Jo potrcjbna za majhno porabo moči in za kompa- tibilnoot n TTL logiko. Trani-.istor na sliki 2. ima silikonska vrata.•• 2. Irincip delovanja dinamične pomnilne celi­ ce- V pomnilni colici nn r.liki J. RO nhrnni naboj na Itnpocitivno;-,l;i med vrati in ponorom tran­ si P t or J n T y MOS - metal oksid polprevodnik (Motal Oxid Gemiconduotor) FET - tranzistor, ki deluje zaradi polja y polprevodniku (Fleld Efect TrancistoiO lolcg metalne in f-.i.l ikonsko povezavo obstaja So trotjn možnost - rtifundirana povezava. Vsa- l'.n ima uvoje iircdiionti in pomanjkljivosti, ki odločajo o spocifičnor.ti njihove uporabe. 56 Krmilno linijo ir* /pisonje/ |MI ih Informacijska linijo /bi« line/ Krmilno linijo /titanje/ ki so dnneE že večinoma izvedeni z enotranzis- tornko pomnilno celico. Majhne signale Je pot­ rebno ojačevati in obnavljati (refresh) vsaki 2 os s posebnimi ojačevalniki informacije (sense amplifier), o katerih bomo še govorili. 3. Telinološke izvedbe enotranzistorske pom­ nilne celice -Prva zelo široko uporabljena izvedba Je tehno­ logija z eno plastjo silikona (single-level poljrsilicon), ki potrebuje pet standardnih mask.* Slika 5. Ti'itranzistorska pomnilna lokacija. Pri taki zasnovi služita tranzistorja T, in Tj le kot stikali pri čitanju oziroma pisanju informacije, ki se hrani na kapacitivnosti C^j. Kadarkoli želimo spremeniti naboj (informa­ cijo), Je potrebno aktivirati eno ali drugo stikalo (T- ali Ob ) glede na zahtevano opera­ cijo (pisanje, čitanje). Hezultat se odčita . ali spremeni s stanjem na informacijski liniji (bit line) - (slika 4). pjj i.L. I.L. »0 ' 1 1 1- pisanjs„r " ri -—— 1 litanje,.!" , P 1 r r—' pisanje .0" «3 X_ iitonJe.,ir Slikfi 4. Principielni časovni diacram trl- tranzistorske celice. Ponuja se ekstremna poenostavitev pomnilne ce­ lice. Uporabljen Je le en tranzistor (stikalo) in en kondenzator (spominski element). Informacijska linija T Krmilna Unijo [ C^ I word line/ litanje,.0" Slika 5. Enotranzistorska pomnilna lokacija in pripadajoči časovni diagram čitanJe in .pisanje ^e omogočeno s krmilno li­ nijo ([word line), ki odpira vrata tranzistorja. Btanje celice pa slodi stanju informacijske linije (bit line) - (slika 5). Ta celica ima Številne pomanjkljivosti: - čitanje povzroči izgubo informacije - hitrost Je omejena - signali so zaradi majhnih dimenzij konden­ zatorja zelo majhni; po drugi strani pa Je celica: - enostavna - zahteva malo povezav (odpridn ena linija) - zavzema malo prostora. Sodobni dinamični H- K* in 16 K bitni pomnilni- metol /potisiUkon 'v^oksid Glika 6. Prerez pomnilne celico, izvedene z eno plastjo silikona. Električna shema Je predstavljena na sliki 5- Tranzistor s silikonskimi vrati služi kot sti­ kalo, drugi del silikona (v isti plasti) pa Je uporabljen za kondenzator, ki hrani nt-boj. Tipične velikosti pomnilnih celic, ki Jih do­ bimo na ta način,so 800yUm2, kar dopuSča iz­ vedbe 4 K in celo 15 K pomnilnikov. Pi-imeri so pomnilniki: KOUTEK M.4096, M 4027, oba 4 K in TI 4070 firme Texas Insti^uments, ki Je primer 16 K pomnilnika (tako velikost so do­ segli z racionalnejšo razporeditvijo, manjšim kondenzatorjem in kontaktom). - Tehnologija, ki Je resnično odprla pot do 16 K pomnilnikov. Je izvedba z dvojno plastjo silikona (double-level polysilicon). Osvojili so Jo že vsi vodilni proizvajalci pomnilnikov. Postopek omogoča mnnjec pomnilne celine, ker Je kondenzator, ki hrani informacijo o stanju pod priključkom za preklopni tranzistor. I'rva silikonska plast je uporabljena za spominski kondenzator, druga pa za vrata preklopnega tranzistorja. Dodatna prednost Je tudi v'tem, ker je pri tej izvedbi infoi-macijska linija difundirana. S tem pa eo zmanjšajo parazitne kapacitivnosti in Število povezav. Na povrfiini ostane le Se krmilna linija, ki pa se lahko uporabi za dve sosednji celici. Po drugi stra­ ni pa je ta tehnologija bolj komplicirana. Potrebni ota dve dodatni maski (skupaj 7 mask; difuzija za izvor in ponor, cpitaksij- ska plast, obe silikonski plasti, kontakti in metal). &( _ .•dcinjnntp; :'•:..••• •;..•.;•-'•;; v:'/! n* Ivrotfl knnd*nin>nrV.'".••'.;• ••••••V^, p -eubstrot 1 Slika 7. Prerez pomnilne celice, izvedene z dvema plastema silikona + 4 K bit - 4.2^^ = 4096 pomnilnih celic + maske določajo aktivni del substrata, na katemra se izvruujejo posamezni tehnoloSki postopki. 57 Primer 16 K bitnega pomnilnika, izvedenega s tem tehnološkim postopkom je MOSTEK KK 4116. - Pokažimo še zamisel celice, -s katero bi bilo možno realizirati 64 K bitne pomnilnike. Za tak pomnilnik je potrebna celica velikosti 100 -200fkmZ, ki jo je mogoče izvesti s CCD (char- ge-coupled) tehnologijo. Taka celica (slika 8.) nima tranzistorja am­ pak le preklopno kondenzatorsko področje, ki je pod CCD vrati. Ta zelo kompaktna celica je hitra kot posamezni tranzistor. Za shranjeva­ nje naboja je dovolj prostora, potrebni sta le dve liniji (krmilna in informacijska lini­ ja). pomnilno .'••; •.-' •!': .•• '.•:•••'.'•':. Y.>it.'.'.v.'i'.tw»v .--'•,. ,., . • I /Ti 'i"ni 1 Implontaclja •Mj;,\\>\>M > Kontrolna linija SiQ2 Inf. linija p-substrat Slika 8. Prerez pomnilne celice, izvedene s CCD tehnologijo Oba nivoja informacije sta dobljena z ionsko implantacijo. Podatek je spravljen v enem od nivojev. Aktivna krmilna linija odpira vrata, ki omogočajo pretok informacije v obe smeri (čitanje in pisanje). Informacijska linija pa določa stanje celice. t-. Preostala vezja v pomnilniku Večino površine aktivnega silikona zavzema matrika pomnilnih celic. Najboljše razmerje poraba moči/hitrost in zahteve po odčitavanju majhnih signalov, narekujejo simetrično zgrad­ bo pomnilne matrike. Med obema polovicama so ojačevalniki informacije (sense amplifier) in vhodno^izhodne linije, ki vodijo od vsakega o- jačevalnika do vhodno-izhodnih vmesnikov (buf- 'fer5. - Ojačevalniki informacije so dinamično aktiv­ ni tako, da se ne trosi nobena enosmerna moč. Zaradi take zasnove so podabki v eni polovici pomnilnih lokacij invertirani, kar pa je inter­ nega značaja, ker dobijo pri izpisu zopet pra­ vo vrednost. V pomnilni matriki najdemo še posebne celice (dummy celi), ki dajejo pri detekciji signala referenčne napetosti za logično "1" in "O". Pri 4 K bitnem pomnilniku je na vsako stran ojačevalnika informacije vezano J>2 pomnilnih 5,okacij in ena referenčna celica (slika 9). Zeljena lokacija se izbere preko krmilne lini­ je za dostop do lokacije (word line), ki vodi iz dekoderja. Celotna vrstica se prenese v ojačevalnike informacije, kjer povzroči naboj iz pomnilnega kondenzatorja prehod le-teh v nestabilno stanje, ki je določeno z diferenco tokov 1 in I- skozi tranzistorja T in T- . Ta dva tokova pa sta odvisna od diference ni­ vojev v pomnilniški lokaciji in referenčni ce­ lici. Zaradi omejenih dimenzij kondenzatorja je sig­ nal, ki ga je potrebno zaznati) zelo majhen (200 mV). Za detektiranje tako majhnih signa­ lov je potrebna velika gbčutljivost diferen­ cialnih ojačevalnikov. Če vzamemo za merilo občutljivosti: S/ ob času delovanja ^i ^o/^n Z i. K (V^ ^ ^DS " ^T^' kjer je K odvisna od tehnologije in velikosti tranzistorja (dolžina in širina kanala), V^ pa je napetost praga, ki je za določeno tehnologijo konstanta, sledi S . ^^^s- ^o- ^T) - K(Vg-^-V^ K(V^-V^-V^)2 2(V -V-) 8 S ° Cv -V^-VT). Vidimo, da je občutljivost večja, čim večja je napetost V , oziroma čim manjša je napetost Vj-o. Isti pogoj ustreza tudi minimalni porabi moči, saj je v prvi aproksimaciji moc: loV, IJ^D ^c. - ^DD^^VV^T^^ Zaradi navedenih vzrokov tranzistor T« cesto spremljajo še paralelni tranzistorji (multigrounrli.ng path), s katerimi se doseže viš­ ja napetost V . Med odčitavanjem je aktivirana le ena pot. P8 določeni zakasnitvi, ko je sta­ nje ojačevalnika informacije definirano, pa se aktivirajo še druge poti, ki znižajo V in jas­ no določijo izhod ojačevalnika. •Za pravilno delovanje dinamičnega pomnilnika je potrebna množica internih signalov, ki .iih dobimo s krmilnimi in urinimi vezji. Na teh vezjih se generirajo določene zakasnitve za zunanjimi signali, ki krmilijo pomnilnik: RIS, ČAŠ, ČS, VRITK. Njihovo vlogo bomo še o- pisali. .f - Dekoder je standarden, ima pa dodatne novos­ ti, ki jih zahteva moderna arhitektura dinamič­ nega pomnilnika (RAM). Uporabljen je le en de­ koder za dekodiranje vrstic-in stolpcev. Adre- siranje je razdeljeno (časovno multipleksira- no) tako, da se o"o prvem signalu RAS (Row ad- dress select) izbere preko dekoderja odgovar­ jajoča vrstica v pomnilni matriki. Nato pa se ista vezja ob nastopu zunanjega signala CAS (Column address select) uporabijo za izbiro zahtevanega stolpca (na križišču stolpca in vrstice je željena pomnilna lokacija). - Vhodni vmesniki (buffer) sprejemajo adreso in druge krmilne signale s standardnim TTL nivojem. Zato je potrebna posebna zgradba teh vezij (slika 10.), ki omogočajo enostavno u- porabo dinamičnih MOS pomnilnikov v standard­ nih sistemih. VHDO in Slika 10. Vhodni vmesnik dinamičnega pomnil­ nika 58 aiika 9. Shematični prikaz pomnilniške matrike Kanala tranzistorjev T, in T« imata različne dimenzija. To omogoča aetekctjo logične "1" oziroma "O". Ce Je na vhodu logični nivo "1", dobi točka A potencial mase, kar določi stanje histabllneKa vezja. Ob vhodnem nivoju "O" pa Je stanje določeno z razliko v velikosti ka­ nalov. Kanal tranzistorja Tg Je večji (tok čez tranzistor Je odvisen oS dimenzij), zato se Tp odpre in točka B dobi potencial mase. Preostali del vezja služi za invertiranje sig­ nalov, ker dekoder potrebuje tudi inverzne vrednosti. - Pomembno vlogo v pomnilniku imajo tudi izhod­ ni ojačevalniki, ki detektirajo in ojačijo informacije iz dinamičnega pomnilnika. Njihova hitrost Je odločilnega pomena pri skupnem času dosega (access tirne) celotnega pomnilnika. Os­ nova izhodnega ojačevalnika Je podobno kot pri ojačevalniku informacije (sense amplifier) ba- lansirani dvojček (flip-flop) z razliko, da Je tu smer preklopa določena s potencialom na vra­ tih brcmencikih tranzistorjev. - Jidlno vezje, ki stalno trosi moč)Je vhodna stopnja za prvi signal RICJ, S katerim se zač­ ne pomnilni cikel. To vezje pretvori TTL (5V) v MOy (12V) nivo in s tem naznači začetek za kakršno koli aktivnost pomnilnika. 5. Funkcionalni opis delovanja dinamičnega pomnilnika Zunanji sigpal RAG označi začetek vsakega pom­ nilnega cikla. RE se na HOS nivo prilagodi in generlra več Internih urinih signalov, ki pri­ pravijo pomnilnik za nadaljnje operacije. Pr­ vi signal aktivira vhodni register za prvo po­ lovico adres. Po dekodiranju in izbiri željo- ne vrstice v pomnilni matriki se aktivirajo Se referenčne (dummy) celice na nasprotni polovi­ ci pomnilnika. Vhodni register ee resetira. Zadnji signal v prvi sekvenci pa aktivira So ojačevalnike informacij, ki se postavijo v + RAM (Random Access Memory) - ta izraz pomeni, da Je možno ob vsakem trenutku adresiratl katerokoli pomnilno lokacijo. I pravilna stanja in a tem osvežijo (refresh) vsebino celotne vrstice. Medtem Je potrebno zunaj pomnilnika z dodat­ nim multipleksorjem pripeljati na vhod drugi del adres, ki bodo Izbrale zahtevani stolpec. Drugi zunanji signal CSS resetira Izhodni re­ gister in povzorči visoko impedanco na izhodi (prekine povezavo med pomnilnikom in zunanjim svetom). Zopet se aktivira zaporedje urinih impulzov, ki povežejo zahtevano pomnilno ce­ lico z vhodno/Izhodno linijo. Zadnji zunanji signal (3S (chip select) izbere del pomnilnika, na katerem se bo IzvrSllo či- tinje ali pisanje. Ce tega signala ni, se na­ daljnje operacije v pomnilniku onemogočijo,Do te časovne točke Je torej aktiven ceioten pom­ nilnik. Zato dekodirenj« BS, ki izbere žalje­ ni del pomnilnika ne vpliva na skupni čas do­ sega. Signal WniTE izbira med Čltanjem ali pisanjem pomnilno lokacijo. e gre za pisanje, se sproži paralelno zapo­ redje signalov, ki resetira in aktivira vhod­ ne vmesnike in sprejme podatke, kateri se pre­ ko ojačevalnikov infonnacijo (sense amplifier) zapišejo v izbrano lokacijo na križiSču stolp­ ca in vrstice. Pri čltanju Je smer pietoka podatkov obratna. Ko Je na Izhodni liniji pruva vrednost. Jo izhodni ojačevalnik sprejme in po določeni zakasnibvi prezentira zunanjemu svotu. Konec cikla označuje neaktivni RAS ne glede na stanje CDJ. - Poleg navedenih običajnih operacij Je možno pri sodobnih pomnilnikih Se zaporedno pisanje (čitanje) v isto vrstico. To Je izvedljivo zato, ker CHJ po končani operaciji inlclalizi- ra vhodni vmesni register In pri tem ne vpli­ va na Izbrano vrstico, ki Je določena s sta­ nji ojačevalnikov informacij, kar omogoča po­ novni OEJ cikel (page mode). - V določenih časovnih intervalih obnavljamo vsebino pomnilnika z aktivnim itAS, ki Je edi­ no potreben pri tej operaciji. NovejSi mikro­ računalniki (Z-eo) interno generirajo ta sig­ nal, tako da v tak sletem lahko hrez dodatnih logičnih vezij vključimo velike pomnilnike. 59 Pomnilnik se osvežuje v času dekodiranja ope­ racijske kode instrukcije (to Je v dostavnem ciklu mikroračunalnika), tako da se zaporedoma obnavljajo vsebine celih vrstic. Za ta proces jjapetost V (+5V) ni potrebna. Ce želimo, 8a nam pomnilnik opravlja samo funk­ cijo ohranjevanja informacije, lahko napetost V^^, izključimo. 6. časovni diagrami za dinamični pomnilnik Za konec poglejmo Se tipične časovne diagrame, ki so potrebni za pravilno delovanje pomnil­ nika. To poglavje naj nam približa in uskladi prejšnje opise, zato Jih podajamo brez dodat­ nih pojasnil. V časovne diagrame so vneseni le važnejši časovni intervali. Natančne opise diagramov pa Je mogoče najti v priročnikih za dinamične pomnilnike. fM m t JMB (M ^mm Ašii. • tflftH. vrstice adrssa \///m/////////A wfl JL&u- .t-CM fe itfe)!^^ !fe W////////A IfifiU. RTs L CM> *«& £<£&, . tcAt. u^P H -^h ^; C5 1^ ijlU!«.- t«WP I ..^g«t. s^ , i't/C.' mf^ M j^n. časovni diagram II : A) zaporedno čitanje B) zaporedno pisanje RAŠ y^m^ k.t.\lr. 1_ .