Moderner nichtmechanischer Speicher

Jetzt können wir mit der Untersuchung bestimmter Arten von digitalen Speichergeräten fortfahren. Zu Beginn möchte ich einige der Technologien erkunden, die keine beweglichen Teile benötigen. Dies sind nicht unbedingt die neuesten Technologien, wie man vermuten könnte, obwohl sie in Zukunft höchstwahrscheinlich Technologien für bewegliche Teile ersetzen werden.

Ein sehr einfacher elektronischer Speicher ist der bistabile Multivibrator. Es kann ein einzelnes Datenbit speichern, ist flüchtig (erfordert Strom, um seinen Speicher zu erhalten) und sehr schnell. Der D-Latch ist wahrscheinlich die einfachste Implementierung eines bistabilen Multivibrators für die Speichernutzung, wobei der D-Eingang als Daten-„Schreib“-Eingang dient, der Q-Ausgang als „Lese“-Ausgang und der Freigabeeingang als Lese-/Schreibeingang dient Kontrolllinie:

Wenn wir mehr als ein Bit Speicher wünschen (und wahrscheinlich tun wir das), müssen wir viele Latches in einer Art Array angeordnet haben, wo wir selektiv adressieren können, von welchem ​​(oder welcher Menge) wir lesen oder schreiben an. Mit einem Paar Tristate-Puffer können wir sowohl den Datenschreibeingang als auch den Datenleseausgang mit einer gemeinsamen Datenbusleitung verbinden und diese Puffer aktivieren, um entweder den Q-Ausgang mit der Datenleitung (READ) zu verbinden, den D-Eingang mit . zu verbinden die Datenleitung (WRITE) oder halten Sie beide Puffer im High-Z-Zustand, um D und Q von der Datenleitung zu trennen (unadressierter Modus). Eine „Speicherzelle“ würde intern so aussehen:

Wenn der Adressfreigabeeingang 0 ist, werden beide Tristate-Puffer in den High-Z-Modus versetzt und das Latch wird von der Dateneingangs-/-ausgangsleitung (Bus) getrennt. Nur wenn der Adressfreigabeeingang aktiv (1) ist, wird das Latch mit dem Datenbus verbunden. Jede Latch-Schaltung wird natürlich mit einer anderen „Address Enable“ (AE)-Eingangsleitung aktiviert, die von einem 1-aus-n-Ausgangsdecoder kommt:

In der obigen Schaltung werden 16 Speicherzellen einzeln mit einem 4-Bit-Binärcodeeingang in den Decodierer adressiert. Wenn eine Zelle nicht adressiert wird, wird sie durch ihre internen Tristate-Puffer vom 1-Bit-Datenbus getrennt:folglich können Daten weder geschrieben noch über den Bus zu oder von dieser Zelle gelesen werden. Über den Datenbus kann nur auf die Zellenschaltung zugegriffen werden, die durch den 4-Bit-Decodereingang adressiert wird.

Diese einfache Speicherschaltung ist wahlfrei und flüchtig. Technisch ist es als statischer RAM bekannt . Seine Gesamtspeicherkapazität beträgt 16 Bit. Da sie 16 Adressen enthält und einen 1 Bit breiten Datenbus hat, würde sie als statische 16 x 1 Bit RAM-Schaltung bezeichnet. Wie Sie sehen, braucht es unglaublich viele Gates (und mehrere Transistoren pro Gate!), um eine praktische statische RAM-Schaltung aufzubauen. Dies macht den statischen RAM zu einem Gerät mit relativ geringer Dichte und weniger Kapazität als die meisten anderen Arten von RAM-Technologie pro Einheit des IC-Chipraums. Da jede Zellenschaltung eine bestimmte Energiemenge verbraucht, kann der Gesamtenergieverbrauch für eine große Anordnung von Zellen ziemlich hoch sein. Frühe statische RAM-Bänke in PCs verbrauchten ziemlich viel Strom und erzeugten auch viel Wärme. Die CMOS-IC-Technologie hat es ermöglicht, den spezifischen Stromverbrauch statischer RAM-Schaltungen zu senken, aber die geringe Speicherdichte ist immer noch ein Problem.

Um dies zu beheben, wandten sich die Ingenieure dem Kondensator anstelle des bistabilen Multivibrators als Mittel zum Speichern von Binärdaten zu. Ein winziger Kondensator könnte als Speicherzelle dienen, komplett mit einem einzelnen MOSFET-Transistor, um ihn zum Laden (Schreiben einer 1), Entladen (Schreiben einer 0) oder zum Lesen mit dem Datenbus zu verbinden. Leider haben solche winzigen Kondensatoren sehr kleine Kapazitäten, und ihre Ladung neigt dazu, ziemlich schnell durch alle Schaltungsimpedanzen zu „entweichen“. Um dieser Tendenz entgegenzuwirken, entwickelten Ingenieure interne Schaltkreise im RAM-Speicherchip, die periodisch alle Zellen auslesen und die Kondensatoren nach Bedarf aufladen (oder „auffrischen“). Obwohl dies die Komplexität der Schaltung erhöhte, erforderte sie immer noch weit weniger Komponenten als ein aus Multivibratoren aufgebauter RAM. Sie nannten diese Art von Speicherschaltung einen dynamischen RAM , da es regelmäßig aktualisiert werden muss.

Die jüngsten Fortschritte in der IC-Chip-Herstellung haben zur Einführung von Flash geführt Speicher, der wie der dynamische RAM nach einem kapazitiven Speicherprinzip arbeitet, aber das isolierte Gate eines MOSFET selbst als Kondensator verwendet.

Vor dem Aufkommen von Transistoren (insbesondere des MOSFET) mussten Ingenieure digitale Schaltungen mit Gates aus Vakuumröhren implementieren. Wie Sie sich vorstellen können, machten die enorme relative Größe und Leistungsaufnahme einer Vakuumröhre im Vergleich zu einem Transistor Speicherschaltungen wie statisches und dynamisches RAM praktisch unmöglich. Andere, ziemlich ausgeklügelte Techniken zum Speichern digitaler Daten ohne die Verwendung beweglicher Teile wurden entwickelt.