Съвременни интегрални памети

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 6/2020 • 09.09.2020

Стефан Куцаров

Отдавна паметите престанаха да се използват главно в компютрите и навлязоха в електронните прибори от най-различен тип. Освен продължаващото бързо нарастване на количеството произвеждани памети активно се подобряват съществуващите им структури и се създават нови. Сред съществените цели в развитието на паметите са увеличаване на обема и бързодействието, намаляване на постояннотоковата консумация, размерите и цената. В настоящата статия са разгледани само интегралните схеми (ИС) на памети, като те могат да се използват за реализацията на модули (например DIMM) за вграждане в устройства или външни прибори – например карти памет (Memory card, SD card) и полупроводникови дискове (SSD).

След известните от първото десетилетие на века интегрални схеми (ИС) с изводи непосредствено от подложката (WLCSP), такива с няколко чипа един до друг (Multi-Chip Package) и един над друг (System in Package, SiP) през настостоящето успешно продължи намаляването на размерите на MOS транзисторите в ИС. Запази се стремежът за скъсяване дължината на канала поради класическия факт, че това е предпоставка за увеличаване на бързодействието. При дължина до около 20 nm се ползва отдавна познатата планарна структура, но намаляването й изисква нови видове транзистори. Такива са FinFET с гейт, разположен от трите страни на канала им (първата ИС от този тип бе пусната на пазара през 2018 г.). С възможност за по-голям ток на дрейна и издръжливост на по-високи напрежения вследствие електростатични разряди са т.нар. Nanosheet Transistors. Минималната дължина на канала им е 3 nm, а интегрални схеми с такива транзистори се очакват през 2021 г. В Gate All Around Nanowire FET гейтът обвива целия канал, като основното предимство е работа с още по-малко UGS. Все по-важно става отстраняването на грешки при обмена на данни и един от методите за това при запис е вграждане в част от паметите на блок, съдържащ код за корекция на грешките (Error Correction Code) ECC. В някои каталози такива памети се означават като Ultra-reliable memory.

 

Програмируеми постоянни памети с електрическо изтриване

Тази категория памети продължава да има своето важно място, независимо че относителният й дял намалява главно заради появата на нови памети с разширени възможности и подобрени параметри. Най-голямо е приложението на паметите с последователен обмен на данни (Serial EEPROM) поради по-лесното осигуряване на защита на данните, по-малкия брой изводи и възможността обменът да се осъществява чрез интерфейс (най-често I2C и SPI и по-рядко Microwire Bus). Принципният недостатък на по-малката скорост на обмен е намален значително поради наличието на все по-бързи ИС. За улеснение на обмена на данни обикновено EEPROM са разделени на зони, съдържанието на всяка от които може да се ползва независимо от останалите.

Основните параметри на EEPROM са обемът, максималната скорост на обмен в bps или равната на нея честота на външните тактови импулси в Hz, максималният брой операции запис/четене (Endurance, Program Cycles, Program/Erase Cycles) и времето за съхранение на данните (Data Retention). Характерни съвремени приложения са управление на работата на жични и безжични комуникационни мрежи, на битови прибори, в измервателната техника.

Характерен пример за Serial EEPROM е AT21CS01 на Microchip Technology с параметри: обем 1 Kb/ максимална скорост на обмен 125 kbps / макс. брой операции запис-четене 106 / време за съхранение на данните 100 години. Паметта NXH5140 на NXP е с параметри 4Mb/10MHz/5.105/10 години и корпус с размери 2,8x2,74x0,38 mm; N24S128 на ON Semiconductor e с 128 Kb/1 MHz/106/100 години и корпус 0,84x0,84x0,19 mm. Предназначената за приложение в автомобилостроенето серия BR24H256xxx-5AC на ROHM Semiconductor е с параметри 256 Kb/1 MHz/4.106/100 години, а M95M04-DR на STMicroelectronics е с 4 Mb/10 MHz/4.106/40 години. С EСС функционалност е M95M02-125 на същия производител.

 

Статични памети с произволен достъп

Cъкращението SRAM е в сила и за този тип памети, като по-рядко се ползват асинхронните SRAM (Asynchronous SRAM), при които има сравнително малко нови модели. Първата им разновидност са бързите асинхронни памети (High-Speed SRAM) с малко време на достъп за сметка на по-голяма постояннотокова консумация. Типични представители са IS61C25616AL на Integrated Silicon Solution (ISSI) и R1RW0416DSB-0PR на Renesas. Двете памети са с обем 4 Mb и време на достъп 10 ns, като първата се захранва с 5 V, а втората – с 3,3 V. Другата разновидност са маломощните SRAM (Low Power SRAM, LPSRAM) с намалена постояннотокова консумация и по-голямо време на достъп. Такава е CY62167GE на Cypress (вече част от Infineon) с обем 16 Mb, време на достъп 55 ns и захранване 1,65 – 2,2 V. От същата разновидност са предназначената за автомобилостроенето IS64WV204816BLL на ISSI (от 2016 г.) и RMWV6416AGBG-5S2 на Renesas.

Синхронните SRAM (Synchronous SRAM, SSRAM) са с паралелен обмен на данните и увеличено бързодействие, което определя значително по-масовото им използване. По-сложната им структура е практически без значение поради реализацията като ИС. В класическите SSRAM с означение SDR (от Single Data Rate) се записва и чете само по време на един от фронтовете на тактовите импулси. В DDR (от Double Data Rate) това се прави при всеки от фронтовете, скоростта на обмен е по-голяма, но независимо от това производството им е силно ограничено. Пример е RMQC4A3618DGBA-302 на компанията Renesas.

За увеличаване скоростта на обмен на данните освен по-бързи ИС в SDR се ползват и два други начина. Първият обхваща патентовани видоизменения в структурата им – NoBL No Bus Latency на производителя Cypress Semiconductor, ZBT Zero Bus Turnaround (известна и като No-Wait SSRAM) на IDT (вече част от Renesas) и NtRAM (съкращение от No Turnout RAM). Вторият начин е чрез различни видове обработка на данните, съчетаван с едно от видоизмененията. Паметите от вида Flow-Through съдържат входен регистър за временно записване на всяка дума преди прехвърлянето й в останалата част. Такива са CY7C1353C на Cypress, която ползва NoBL и има параметри 4 Mb/8 ns/3,3 V, IS61LF6436A на компанията ISSI с параметри 2 Mb/8,5 ns/3,3 V и 71V547S на Renesas с 4,6 Mb/8 ns/3,3 V. Следващият вид са Pipeline SSRAM, които освен входен съдържат и аналогичен изходен регистър, като основните им приложения са в комуникационни мрежи. Типичен пример е IS61NVPP409618B на ISSI с параметри 72 Mb/2,8 ns/1,8 V и също ползваща ZBT. Съществуват и памети с възможност за конфигуриране от потребителя – характерен пример е GS81280Z18/36GT на производителя GSI Technology, която може да работи с ZBT, NoBL и NtRAM.

Със значително приложение са Quad Data Rate SRAM (QDR SRAM) с две шини за обмен на данни, всяка от които работи като DDR. Резултатът е обмен на 4 думи с всеки тактов импулс. Такива са CY7C4122KV13 на Cypress Semiconductor от типа QDR-IV XP SRAM с обем 144 Mb и захранване 1,3 V и RMQSDA3636DGBA-182 на Renesas с обем 36 Mb.

Енергонезависими статични памети (Nonvolatile SRAM, nvSRAM, EERAM). При наличие на захранващо напрежение те работят като асинхронни SRAM, докато при отпадането му съдържанието им автоматично се премества за няколко ms във вградена EEPROM. С възстановяване на напрежението данните се преместват обратно в частта на паметта за нормалното им ползване. Преместването може да се извършва автоматично (Autostore Operation), осъществяването му да бъде зададено по програмен път (Software Store) или чрез подходящ сигнал на предвиден за това извод или изводи. Различните модели памети имат една или повече от тези възможности, а обменът на данни може да е сериен или паралелен.

Обемът на паралелните памети е между 64 Kb и 16 Mb с типичен пример STK14C88C-3 на Cypress, която има автоматично и програмно прехвърляне на съдържанието. Тя е с обем 256 Kbx8, 106 цикъла запис и време на съхранение 20 години. Серийните nvSRAM се използват в индустриални системи за управление и интелигентни измервателни уреди. Записът и четенето на данните се извършва чрез интерфейс, най-често SPI. Такава е CY14X101Q3A на Cypress Semiconductor с трите възможности за преместване на данните и параметри 1 Mb/106/20 години. Друг пример е 48L256 на Microchip Technology с параметри 256 Kb/105/100 години и разновидности 64 kB, 512 Kb и 1 Mb. Съществуват nvSRAM, изискващи външна батерия (Backup Battery) - пример за такава памет е 23LCV1024 на Microchip.

 

Динамични памети с произволен достъп

Този тип памети (Dynamic Random Access Memory, DRAM) може да бъде реализиран като ИС с много голям обем, което не само разширява възможностите на съществуващи устройства, но и позволява появата на много нови особено с малък обем и тегло. Недостатъкът за непрекъснато опресняване на съдържанието реално е без значение поради ефективните съвременни начини за осъществяването му. Като принцип на действие DRAM са синхронни (SDRAM) с първи тип - обменящи данни само по време на положителния фронт на тактовите импулси. Освен точното им означение SDR SDRAM се ползва и SDRAM. Независимо от скромните им параметри от съвременна гледна точка, например обем между 16 Mb и 256 Mb, те продължават да се произвеждат за битови и индустриални прибори и автомобилостроенето. Такава е MD56V62161M-xxTAP на Lapis Semiconductor (част от ROHM) с обем 128 Mb и захранване 3,3 V ±0,3 V. С аналогични параметри са MD56V62161R-xxTALQ2L за автомобили и MD56V62161R-xxWBR за реализация на SiP от същия производител. Важна характеристика на SDR DRAM е еднаквата скорост на обмен на данните от клетките на паметта и входно-изходната шина, чието повишаване изисква ползването на по-бързи транзистори (технологически трудно и невъзможно над определена нейна граница) и увеличаване на консумираната мощност.

Памети тип DDR DRAM. Разделени са на сектори (bank) и организацията им се задава във вида bankxwordxbit, като word е броят на думите в сектор и bit е разредността им. Например памет 4x2Мx16 е с обем 128 Mb. Това разделяне позволява да се ползва prefetch структура, в която всеки от n секторите едновременно с останалите изпраща данни към входно-изходния буфер. Резултатът е увеличаване n пъти на скоростта на обмен на данни.

Първият вид са DDR (или DDR1) с n=2 (Prefetch 2) и честота на тактовия генератор 100 – 266 MHz, определяща скорост на обмен между 200 Mbps и 533 Mbps. Типичният обем е 256 Mb – 1 Gb, а захранването е 2,5 V. Пример е MT46V32M16CY-5B AAT:J на Micron Technology от разновидността DDR400 със скорост 400 Mbps.

Видът DDR2 е с n=4 (prefetch 4 или 4:1) и същата честота на тактовия генератор, с което се осигуряват скорости между 400 и 1066 Mbps. Паметите работят с 1,8 V ±0,1 V, имат типичен обем 256 Mb – 4 Gb и основни разновидности DDR2 533 със скорост 533 Mbps и DDR2 800 с 800 Mbps. Освен тях се предлагат и други скорости, пример за което е IS43/46DR16160 на ISSI с допълнителни 400 Mbps и 667 Mbps, представляваща част от серия с организация 4x4Mx16b. Основните приложения на DDR2 са както на SDR SDRAM. С DDR2 започва реализацията на DRAM с намалена постояннотокова консумация, отразявана чрез прибавяне в типа или означението им на LP (от Low Power). Освен в смартфони, таблети, лаптопи и други прибори за комуникации те се ползват в GPS устройства, автомобили, индустриални съоръжения, медицински прибори. Видът LPDDR2 е с представител IS43/46LD32640C на ISSI, има организация 4Mx32b, скорост 1066 Mbps, две захранвания 1,2 V ±5% и едно 1,7 – 1,95 V.

Следващият вид DDR3 е с n=8, което определя скорости 800 – 2133 Mbps при техни стойности според JEDEC 1066 – 1600 Mbps, като някои технологични подобрения позволяват достигане на 2500 Mbps. Обемът обикновено е между 512 Mb и 8 Gb. Основният вариант е със захранване 1,5 V и консумирана мощност средно с 40% по-малка от тази на DDR2. С още по-малка консумация са DDR3L със захранване 1,35 V, като обикновено каталогът на даден модел съдържа едновременно параметрите на DDR3 и DDR3L. За по-малката консумация допринася и автоматичното самостоятелно опресняване (Automatic Self-Refresh) ASF, извършвано при изключване на вградения в паметта генератор. Друго предимство на DDR3 е функцията SRT (Self-Refresh Temperature) за регулиране на скоростта на опресняване в зависимост от температурата. Паметта IS43/46TR16K01S2A на ISSI е с организация 1Gx16b и скорост 933 Mbps. Тя, както много други модели, се предлага в търговски, индустриални и автомобилни варианти с разлика само в работния температурен обхват. С организация 256Mx4b и скорост 1866 Mbps е MT41K256M4DA-107:J на Micron Technology. Същият обем, но организация 8x8Mx16b и скорост 1600 Mbps има MD60Y1G160A-xxLA

Паметите от следващия вид DDR4 са масово използвани в съвременните компютри. Те също са с n=8, но подобрена структура – съдържат 4 групи (Bank Group, Channels), всяка с 8 сектора, което се означава като Prefetch 8 + Bank Grouping. Резултатът е възможни скорости между 1600 и 4266 Mbps с типична стойност 3200 Mbps и обем между 2 и 16 Gb без ограниченията на предишните разновидности за максималния обем ИС на една платка. Захранването е 1,2 V. Добавени са и нови възможности с основна цел повишаване сигурността на достъпа до паметите и на обмена на данни, една от които е за откриване при запис на грешки от няколко бита. Примери за стандартни DDR4 са IS43QR16512A на ISSI с обем 8 Gb и скорост 3200 Mbps и MT40A4GA-062Е на Micron Technology с 16 Gb/3200 Mbps. Разновидността DDR4L е с около 10% по-малка постояннотокова консумация и предназначена главно за лаптопи и сървъри. Още по-новата LPDDR4X е с основно захранване 1,12 V и 0,61 V (VDDQ) на входно-изходната шина с пример IS43/46LQ32128AL на ISSI с 4 Gb/3200 Mbps.

Съвременните смартфони, 5G и IoT мрежи изискват по-нататъшно увеличаване на скоростта на обмен, което е сред основните причини за създаването на вида DDR5 с очаквано масово производство през настоящата година. Той е с n=16 и 8 групи от 4 сектора с връзки между тях, осигуряващи скорост между 3200 Mbps и 6400 Mbps. Обемът е 8 – 64 Gb, а захранването е с две напрежения по 1,1 V и едно 1,8 V. Очаква се Micron Technology да започне производство на MT62F1536M64D8CH-036WT от вида LPDDR5 с обем 96 Gb, скорост 5500 Mbps и консумация с 20% по-малка от LPDDR4.

 

Флаш памети

Това добило популярност на български наименование произлиза от Flash Memory, като съществуват разновидности с последователен (серийна флаш памет) и паралелен (паралелна флаш памет) обмен на данните, както и такива без и с ЕСС. По-често обменът се извършва при предния фронт на тактовите импулси, но има и флаш памети от типа DDR. Изтриването може да е на цялата памет или на избран сегмент. Полезно е да се има предвид, че само част от давания в каталожната информация обем е за съхраняването на данни (Memory Cell Array), а останалите са на блока за изтриване и свързани с управлението на действието.

NOR флаш (NOR Flash). Практически те са изцяло серийни (Serial Flash Memory), а наименованието им отразява ползването за реализация на логически елементи НЕ-ИЛИ. Серийният обмен осигурява по-малък брой изводи, определя големия относителен дял на тези памети и позволява ползването на един или повече серийни интерфейса, най-често SPI. Освен класическата разновидност с един входно-изходен извод (Single I/O, SIO) се ползват и памети с повишена скорост на обмен – с два входно-изходни извода (Dual SPI, Dual I/O, DIO) за обмен на 2b думи и с четири (QSPI, Quad I/O, QIО). Основните параметри са обем (Density) D, скорост на обмен S, брой цикли запис-изтриване-повторен запис (Program-Erase Cycles, Endurance) E и време на съхранение (Data Retention) DR, които в статията са записани във вида D/S/E/DR. Типичните стойности на параметрите са D от 256 Kb до 1 Gb, стойност на S между 6 Mbps и 133 Mbps и захранване 1,65 – 3,6 V. Примери за NOR флаш са S25HS512T на Cypress c 512 Mb/102 Mbps/2,56x106/25 години и интерфейси SPI, Dual SPI и QSPI. Паметта SST25WF040B на Microchip е c параметри 4 Mb/40 Mbps/105/20 години и интерфейс SPI, а включващата 4 чипа MT25QL02GCBB на Micron Technology е c 2 Gb/133 Mbps/105/20 години и SPI. Паралелна NOR флаш (от 2014 г.) е MT28EW512ABA1xPC-0AAT на Micron.

NAND флаш (NAND Flash). Предимства спрямо NOR флаш са възможността за по-голям обем, по-малки времена за запис и изтриване и по-ниска цена, а недостатък е увеличеното време за четене (около 3 пъти по-голямо от NOR флаш). NAND флаш са главно паралелни (Parallel Flash Memory) с логичния недостатък на по-големите размери. Вместо скоростта S се дава времето за запис (Program Time, Access Time) tA. Пример за паралелна памет е IS29GL256 на ISSI c 256 Mb/70 ns/105/20 години. Необходимостта за съхраняване на голям обем информация в смартфони, SSD и други устройства с малки размери доведе до създаването на памети със запис на 3b (Triple-level cell - TLC) в една клетка. Същевременно за увеличаване обема на паметите при ползване на вече съществуващи клетки с определена площ бе създадена технологията 3D NAND за разполагането им една над друга. Нейното съчетаване с TLC е в типа TLC 3D NAND с пример MFR-1906-801 (обем 512 GB) на компанията Toshiba Electronics. Тя предлага и прототип с 16 чипа при обем 1 ТВ, скорост 1066 Mbps и размери 18x14x1,85 mm.

 

Фероелектрични памети

Английските им наименования Ferroelectric Random Access Memory, Ferroelectric RAM, F-RAM и FeRAM се превеждат и като фероелектрически памети. Подложката на техните ИС е реализирана чрез CMOS технология, върху която е тънкият слой за съхранение на данните. Той съдържа по един кристал (PZT Crystal) за всеки разред, като записването на “0” и “1” става чрез намагнитване в едната или другата посока чрез електрическо поле. При това външни магнитни полета не променят направения запис. В сравнение с EEPROМ и флаш паметите записът в клетките става практически моментално, съответно е необходима по-малко електрическа енергия за осъществяването му и постояннотоковата консумация намалява. Други съществени предимства са запазването на записа при отпадане на захранващото напрежение и брой цикли запис-четене между 1012 и 1015. Времето за съхранение на записа е между 10 и 150 години, но стойността му е в сила до дадена температура, след която рязко намалява. Например ако до 85°С е 10 години, при 125°С може да намалее под 1 година.

Няма принципни различия в параметрите на FeRAM, SRAM и EEPROM, а за дадените в статията ИС те са обем/скорост на обмен на данните/брой цикли запис-четене/време на съхранение. Обикновено FeRAM имат блок за идентификационен код с данни за тях, например фабричен номер и производител.

Серийни FeRAM (Serial FeRAM). По същите причини, както при други памети, те са с по-голям относителен дял и ползват един или повече от интерфейсите SPI, Dual SPI, QSPI и I2C. Последното е причина вместо скоростта на обмен на данните да се ползва максималната честота на интерфейса. За улеснение при реализацията на устройства някои производители ги предлагат със същите корпуси, както EEPROM. Паметта CY15V108QN на Cypress работи с 8-битови данни и има параметри 8 Mb/40 MHz/1015/151 години. Ползва разновидностите mode 0 и mode 3 на интерфейса SPI и има захранващо напрежение 1,8 V ±5%. От същия производител е и CY15B064Q също с 8b данни, основно предназначение за автомобилостроенето, параметри 64 Kb/16 MHz/1013/121 години, работа с SPI и захранващо напрежение 3 – 3,6 V. Работният температурен обхват -40 – +125°С на MB85RS2MLY от Fujitsu Semiconductor е предпоставка за приложение в автомобили. Тя ползва 8b данни, има параметри 2 Mb/50 MHz/1013/10 години, интерфейс SPI и захранване 1,7 – 1,95 V. Последният пример е MR44V100A на Lapis Semiconductor отново за 8b числа и параметри 1 Mb/3,4 MHz/1013/10 години, като неголямата скорост на обмен е заради ползването на интерфейса I2C. Предимство е обхватът 1,8 – 3,6 V на захранващото напрежение.

Паралелни FeRAM. В каталозите обикновено те не се отбелязват като паралелни, а това се подразбира от описанието на действието им. Тяхната структура позволява всяка дума да има адрес, но, логично, това е за сметка на увеличения брой изводи. Вместо скоростта на обмен като параметър се задават времената за запис (Write Cycle Time) и четене (Read Cycle Time), които обикновено са еднакви. При това те нарастват в долната част на захранващото напрежение. Паметта MB85R8M2T на Fujitsu Semiconductor работи с 16b данни, има параметри 8 Mb/150 ns и 150 ns/1012/10 години и захранване 1,8 – 3,6 V. Записът и четенето се извършват байт по байт чрез логическите нива на входовете за управление. Друг характерен пример е MR48V256C на Lapis Semiconductor с 8b данни, параметри 256 Kb/150 ns и 150 ns/1013/10 години и захранване 2,7 – 3,6 V.

 



Top