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メモリデバイス 内部構造と実例. ディジタル回路 天野英晴. 半導体メモリの分類. RAM  ( RWM) : 読み書き可能型 SRAM(Static RAM) DRAM(Dynamic RAM) ROM(Read Only Memory) Mask ROM 書き換え不能 PROM(Programmable ROM)  プログラム可 One Time PROM  一回のみ書き込める Erasable PROM  消去、再書き込み可能 UV EPROM  (紫外線消去型) EEPROM (電気的消去可能型)  FLASH Memory. メモリの基本構造.

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Presentation Transcript
slide1

メモリデバイス 内部構造と実例

ディジタル回路

天野英晴

slide2
半導体メモリの分類
  • RAM (RWM): 読み書き可能型
    • SRAM(StaticRAM)
    • DRAM(DynamicRAM)
  • ROM(Read Only Memory)
    • Mask ROM 書き換え不能
    • PROM(Programmable ROM) プログラム可
      • One Time PROM 一回のみ書き込める
      • Erasable PROM 消去、再書き込み可能
        • UV EPROM (紫外線消去型)
        • EEPROM (電気的消去可能型) FLASHMemory
slide3
メモリの基本構造

記憶要素により

性質が定まる

Memory

Cell

Address

Sense Amp

Data Selecter

I/Oバッファは

3ステート

I/O Buffer

slide5

XilinxVertex

Qucklogic

pdarch group dimmnet 2 network interface prototype board
PDARCH Group :DIMMnet-2 Network Interface Prototype Board
  • メモリスロット装着型のネットワークカード
    • PCクラスタによるハイパフォーマンスコンピューティング
  • 転送速度10Gbpsの高速なネットワーク(InfiniBand)に接続

InfiniBand

(X4,10Gbps)

Connector

Controller (FPGA)

Virtex II Pro

DDR SO-DIMM

(256MB x 2)

184pin DDR SDRAM Interface

sram static ram
SRAM(StaticRAM)
  • 通常のSRAMは、メモリ素子として基本的な使い方を行う:実例 日立628511
  • 連続転送機能を強化したSSRAM(SynchronousSRAM)が登場、高速大容量転送に用いられる
  • 4Mbit/Chip程度
slide8
SRAM型のメモリセル構造

Word

Bit

Bit

最も基本に忠実な6トランジスタ方式:安定なので

よく用いられる

dram dynamic ram
DRAM(DynamicRAM)
  • 記憶はコンデンサ内の電荷によって行う
  • リフレッシュ、プリチャージが必要
  • 256Mbit/Chipの大容量
  • 連続転送は高速
  • SDRAM(SynchronousDRAM)の普及
  • DDR-SDRAMの登場
slide10

Row

Address

Column

Address

DRAMの構造

Memory

Cell

Sense Amp

Data Selecter

I/O Buffer

slide11

有効

DRAMの基本的な利用法

アドレス

RAS

CAS

データ

slide12
DRAMの記憶部分

D

W

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

slide13

D=H

W=H

Hレベルの書き込み

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

slide14

D=L

W=H

Lレベルの書き込み

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

slide15
Hレベルの読み出し

D

W=H

レベルの

変化が

少ない

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

slide16
Lレベルの読み出し

D

W=H

レベルの

変化が

大きい

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

slide17
DRAMアクセスの特徴
  • 破壊読出しなので、書き戻しが必要
  • 微小電位を検出するセンスアンプが必要
  • 基準コンデンサを充電するためのプリチャージ時間が必要
  • ほっておくと電荷が放電してしまうので、リフレッシュが必要

SRAMに比べて使い難い

sdr single data rate
SDR (Single Data Rate) SDRAM:同期式DRAM
  • 100MHz-133MHzの高速クロックに同期した読み・書きを行う
  • CS,RAS,CAS,WEなどの制御線の組み合わせでコマンドを構成
  • コマンドにより、同期式に読み、書き、リフレッシュ等を制御
  • バンクの切り替えにより連続読み・書きが高速に可能
slide19
SDR-SDRAMの読み出しタイミング

CLK

Command

ACT

Read

Address

Row

Column

Data0

Data1

Data2

Data3

ddr double data rate
DDR (Double Data Rate) SDRAM:同期式DRAM
  • SDR SDRAM同様の高速周波数(100MHz-133MHz)のクロックの両エッジで転送を行うことにより、倍のデータ転送レートを実現
  • 差動クロックを利用
  • データストローブ信号によりタイミング調整
  • より豊富なコマンド
slide21
DDR-SDRAMの読み出しタイミング

CLK

~CLK

Command

ACT

Read

Address

Row

Column

DQS

Data0

Data1

Data2

Data3

slide22
DRAMのまとめ
  • SRAMの4倍程度集積度が大
  • 使い難いが、連続アクセスは高速
  • 転送はますますパケット化する傾向にある
    • SDR-DRAM
    • DDR-DRAM
    • DDR-2が標準になりつつある
      • 外部クロック周波数を倍にして、400MHzでの転送
      • DDRの使い方の制約を緩和
      • 電気的な特性を改善
    • Rambus型DRAM
  • 制御は複雑、高速なため取り扱いもたいへん

→ IP( Intellectual Property)の利用が進む

slide23
半導体メモリの分類
  • RAM (RWM): 読み書き可能型
    • SRAM(StaticRAM)
    • DRAM(DynamicRAM)
  • ROM(Read Only Memory)
    • Mask ROM 書き換え不能
    • PROM(Programmable ROM) プログラム可
      • One Time PROM 一回のみ書き込める
      • Erasable PROM 消去、再書き込み可能
        • UV EPROM (紫外線消去型)
        • EEPROM (電気的消去可能型) FLASHMemory
slide24
メモリチップ外観

紫外線で消去する

UV-EPROM

slide25
フラッシュメモリ
  • EEPROM型の発展:小型化のために選択ゲートを用いず、ブロック単位で消去を行う.
  • NOR型、NAND型、DINOR型、AND型等様々な構成法がある.
    • オンチップ用:高速消去可能NOR型
    • ファイルストレージ用:大容量のNAND型
  • 実例:東芝TD58シリーズ
    • NOR型、基本の読み出し動作は簡単
    • 消去、再書き込みシーケンスは複雑
    • 16Mbit/Chip(NAND型はより大容量)
slide26
フラッシュメモリの読み出し (電荷が存在しない場合)フラッシュメモリの読み出し (電荷が存在しない場合)

Hレベル

Word

Bit

ONにより電圧低下

slide27
フラッシュメモリの読み出し (電荷が存在する場合)フラッシュメモリの読み出し (電荷が存在する場合)

Hレベル

Word

しかし電荷でマイナス電位

Bit

依然としてOFFで

電圧低下しない

slide28
フラッシュメモリへの書き込み 

書き込み

9V

ゲート

0V

5V

ソース

ドレイン

高電圧によりドレイン側から

ホットエレクトロンを注入

slide29
フラッシュメモリの消去 

消去

-9V

ゲート

5V

ソース

ドレイン

トンネル効果により電荷を引き抜く