17.01.2018r.

Układy Elektroniczne i Technika Pomiarowa
Wykład 8.

--------------------------------

Sprawdzian za tydzień o 12:00
W sali WA-12B

Wyniki będą w czwartek

Pamięci typu ROM
1. Klasyfikacja pamięci typu ROM
2. Ogólna organizacja pamięci typu ROM
3. Mask ROM
4. PROM
5. EPROM
6. EEPROM
(...)

Klasyfikacja pamięci typu ROM
Ogólna klasyfikacja pamięci
Pamięci ulotne
- Static Random Access Memory (SRAM)
- Dynamic Random Access Memory (DRAM)

Pamięci nie ulotne
- Mask programmed ROM
- Programmable Read-Only Memory (PROM)
- Electrically Programmable ROM (EPROM)
- Electrically Erasable Prom (EEPROM)
- Flash EPROM

MaskROM
Zasada działania:
1. linie kolumn są ładowane do poziomu wysokiego
2. linia wiersza -> poziom wysoki i otwierane są tranzystory typu "n"
następuje rozładowanie tych linii kolumn, gdzie są tranzystory

Pamięci typu Mask ROM
Wykonywane w fabrykach - pełny proces
Zastosowania np:
a) kody startowe wczesnych mikrokomputerów - "bootstrap"
b) przechowywanie oprogramowanie gier wideo
c) kroje czcionek drukarskich dla drukarek
d) dane dźwiękowe w elektronicznych instrumentach muzycznych
e) oprogramowanie firmowe testujące poprawność działania sprzętu
Lata 60-te. Ogólnie opłacalne w długich seriach, obecnie dość rzadko stosowane

Programmable Read-Only Memory - PROM
Pomysł z roku 1956 - Wen Tsing Chow, zastosowania wojskowe - magazynowanie współrzędnych celów dla głowic rakiet ATLAS. Programowanie w specjalnych programatorach
poprzez przepalanie cienkowarstwowych bezpieczników (12 - 21V)
Może być programowany tylko raz (...)
(...)

Struktura tranzystora pamięci typu FLASH EPROM
Aby zaprogramować tranzystor wstrzykuje się elektrony z inwersyjnej warstwy kanału do pływającej bramki poprzez warstwę tunelującego tlenku krzemu

Programowanie poprzez wstrzyknięcie gorących elektronów (hot carrier injection)
Elektrony są przyspieszane w poprzecznie przekładanym polu elektrycznym i w punkcie A posiadają odpowiednią energię w celu pokonania bariery potencjału

Programowanie poprzez wykorzystanie zjawiska tunelowania Fowler-Nordheima
W tym przypadku przy przyłożeniu dostatecznie dużego napięcia na bramkę tranzystora następuje wstrzyknięcie elektronóœ z inwersyjnej warstwy kanału do pływającej
bramki.
tunelowania Fowler-Nordheima - przejście przez barierę potencjału w obecności silnego pola elektromagnetycznego

Czyszczenie pamięci
Przy przyłożeniu odpowiednio dużego napięcia ujemnego na elektrodę bramki elektrony są w stanie pokonać barierę potencjału tlenku i przejść do podłoża

EPROM
Programowanie poprzez wstrzyknięcie gorących elektronów
Skasowanie przez wystawienie na działanie światła ultrafioletowego (długość fali: 253,7 nm).
Cała pamięć ulega wyczyszczeniu!
Większość pamięci EPROM można rozpozznać po przeźroczystym okienku ze szkła kwarcowego na górze układu, przez które widać podłoże krzemowe i które umożliwia dostęp
światła ultrafioletowego w przypadku skasowania.
Pamięć EPROM przechowuje dane przez około dziesięć do dwudziestu lat. Pozwala na około tysiąc cykli zapisu i dowolną liczbę cykli odczytu.
Aby ochronić pamięć przed przypadkowym skasowaniem okienko musi być zawsze zasłonięte.
W starszych płytach głównych pamięć EPROM wykorzystywana była do zapisu BIOS-u płyty.
Okienko kości EPROM zakrywane było etykietką z nazwą producenta BIOS-u, numerem wersji i notką o prawach autorskich.

//Szafir i kwarc przepuszczają światło ultrafioletowe

OTP (One Time Programmable) EPROM
W wielu wypadkach raz zaprogramowana kostka jest montowana w układzie i już nie podlega przeprogramowaniu. Można wówczas zmniejszyć cenę pojedynczej kostki i dać zamiast
drogiej obudowy ceramicznej - zawierającej okienko kwarcowe - tanią obudowę plastikową.
OTP (One Time Programmable) EPROM, ten sam programator
Pamięci typu EPROM zostały wynalezione przez inżyniera Dova Frohmana w 1971r. (szef oddzialu firmy INTEL w Izraelu).

Pamięci typu EEPROM: Electrically Erasable PROM
Wynalezione przez greka Georga Perlegosa pracującego dla firmy INTEL w roku 1983. Użył on na tyle cienką warstwę tlenku podbramkowego, że wymazanie zawartości nie
wymagało silnej dawki promieniowania UV.
Programowalne dzięki wykorzystaniu zjawiska tunelowania Fowler-Nordheima.
Zalety i wady:
- może być czyszczona na drodze elektrycznej
- możliwe programowanie w systemie
- można łątwo wyczyścić pojedynczą komórką i ją od nowa zapisać
- zapis jest bardzo wolny (msek)
- gwarantowana ilość cykli zapisu około 100 k //zapamiętać
- gwarantowany czas przechowywania informacji około 10 lat //zapamiętać

//zapis jest wolny, w milisekundach na pojedynczych tranzystorach

Powielacz napięcia - (charge pump)
Kluczowym układem elektornicznym pamięci EEPROM oraz Flash jest powielacz napięcia (charge pump)
Wczesne pamięci (...)
(...)

Ze względu na warunki, urządzenia zasilane napięciem 5V muszą zawierać powielacz napięcia
//Pendrive zawiera powielacz napięcia - może być na sprawdzianie

Pamięci typu Flash EEPROM
Próba przezwyciężenia wolnego zapisu pamięci EEPROM
- wymazywanie zawartości blokami (często 512x8), a nie pojedynczymi bitami
- zapis blokami => szybciej zapisujemy
- dobre w sytuacjach gdzie zapisujemy (wymieniamy) duże porce danych
- gwarantowana ilość cykli zapisu około 1 - 10 k (?)
- gwarantowany czas przechowywania informacji około 10 lat

Sposoby czyszczenia pamięci (organizacja) (granularity)

Pamięci typu Flash EEPROM
Dwa główne rozwiązania matryc pamięci:
- typu NOR
- typu NAND
Ponadto
W tradycyjnych pamięciach w jednej komórce przechowuje się 1 bit informacji single-level cell (SLC) devices.
Obecnie budowane są również układy mogące przechowywać w jednej komórce kilka bitów multi-level cell (MLC) devices
Pamięci typu Flash (zarówno typu NOR jak i NAND) zostały wynalezione przez japończyka Dr. Fujio Masuoka pracującego w firmie Toshiba w roku 1984.
Zostały (NOR) wprowadzone do masowej produkcji przez firmę INTEL 1988 roku.

//Na dzień dzisiejszy istnieją komórki przechowujące 3 bity

NOR Flash
Aby zwiększyć upakowanie tranzystory łączy się parami
Klasyczny układ pozostaje bez zmian

Pamięci typu NOR
Trzy sposoby czyszczenia pływającej bramki
High Voltage Source Erase
Negative Gate Source Erase
Channel Erase
Większość pamięci typu NOR jest programowane hybrydowo - zapisywana dzięki wykorzystaniu zjawiska wstrzyknięcia gorących nośników a czyszczona poprzez wykorzystanie
zjawiska tunelowania Fowler-Norheima

NAND Flash
1) Linia bitu jest ładowana do poziomu wysokiego
2) Po wyborze linii szergowej tranzystorów:
a) linia bitu zostaje rozładowana do "0" jeśli wszystkie tranzystory przewodzą
b) linia bitu pozostaje nierozładowana ("1"), jeśli w układzie jest rozwarcie (jeden tranzystor nie przewodzi)

Odczyt:
Wszystkie linie słowa (bez badanej linii) są podciągane do napięcia powyżej napięcia progowego V(T) zaprogramowanej komórki (tranzystory przewodzą).
Badana linia słowa wybranej komórki jest podciągana do napięcia nieco wyższego niż napięcie progowe V(T) czystej komórki.
Grupa szeregowo połączonych komórek rozładuje linię bitu, jeśli wybrana komórka nie była zaprogramowana.

Pamięcii typu NAND
Program
- Use F-N Tunneling
- Channel Inversion
Erase
- Use F-N Tunneling
- Channel Accumulation

//2.5 raza mniej miejsca zajmuje NAND niż NOR przy danych tego samego rozmiaru

Zastosowania pamięci NOR flash
NOR Market = Code First
Code Storage BIOS
Routers and Switches
Code & Data
Przechowywanie małych plików danych (...)

Zastosowania pamięci NAND flash
NAND Market = Data First
Voice
MP3
Digital Imaging
Solid State Disk
GPS systems
Pendrive
Przechowywanie większych plików (...)

(...)

Rozwiązania technologiczne firma Micron 2017
SLC (Single-Level Cell) NAND - zachowuje 1 bit w jednej komórce, wykonywane w technologii 25 nm, dobra jakość przechowywania i odczytu bitów
gęstości 128Mb - 512Gb, organizacja x1, x8, x16, napięcia 1.8V, 3.0V, 3.3V
MLC(Multi-Level Cell) NAND - przechowuje 2 bity na komórkę, popularne rozwiązanie dla szeregu urządzeń, takich jak dyski SSD, smartfony i inne tej klasy bezprzewodowe
urządzenia
16Gb - 1Tb, organizacja x8, napięcie 3.3V
TLC (Triple-Level Cell) NAND - wysoka gęstość zapisu informacji, ale jakość niższa, zastosowania gorszej jakości, urządzenia tańsze od poprzedników
(...)
Serial NAND
Duże podsystemy pamięci, wysokiej jakości i relatywnie niski pobór mocy zastosowania inteligentne i interaktywne zabawki, gra;
Web-enabled printers and peripherials (...)
(...)
3D NAND
Stakowanie szeregu planarnych struktur w jeden układ
Laptopy, serwery, największe pojemności
256Gb - 6Tb, organizacja x8, napięcia 1.2V, 1.8V

Pamięci NAND flash
3D NAND
- highest NAND capacities
- highest read/write bandwidth and I/O speeds
- reduced power consumption (...)
TLC NAND
(...)
MLC NAND
(...)
SLC NAND
(...)