Was Sind Speicher-ICs?
Speicher-ICs sind Halbleiterbausteine, die für die Aufzeichnung von Daten in prozessorbasierten Systemen zuständig sind.
Speicher-ICs können grob in ROM und RAM eingeteilt werden: ROM (Englisch: Read Only Memory) ist ein Speicher, der auf das Lesen von Daten beschränkt ist, die während der Herstellung geschrieben wurden. Zu ROM gehören jedoch auch Geräte wie EEPROM und Flash-Speicher, in die Daten neu geschrieben werden können.
RAM (Random Access Memory) ist ein Speicher, der Daten mit hoher Geschwindigkeit schreiben/lesen kann. Er ist auf Anwendungen zur vorübergehenden Datenspeicherung beschränkt, da die aufgezeichneten Daten verschwinden, wenn die Stromversorgung, die das Speichergerät antreibt, unterbrochen wird.
Strukturell gibt es zwei Arten von Speichern: SRAM (Static Random Access Memory) und DRAM (Dynamic Random Access Memory), bei denen der Integrationsgrad erhöht werden kann.
Verwendungszwecke von Speicher-ICs
Speicher-ICs werden in Verbindung mit Prozessoren verwendet, um Programmdaten zu speichern oder um Daten während arithmetischer Operationen zu halten. Speicher-ICs werden immer in mit Prozessoren ausgestatteten Geräten und Computern eingebaut, von Mobiltelefonen, Tablet-Terminals und PCs bis hin zu Großrechnern.
In der Regel werden im ROM Programmdaten gespeichert und der Prozessor führt in Abhängigkeit von den Programmdaten verschiedene Prozesse aus. Dabei werden Daten und Informationen, die zwischengespeichert werden, in den Arbeitsspeicher geschrieben. Da RAM-Daten häufig umgeschrieben werden, ist es wichtig, dass es mit hoher Geschwindigkeit arbeitet.
EEPROMs, die zu den ROMs gehören, werden ebenfalls zum Schreiben von Einstelldaten und anderen Daten verwendet, insbesondere in elektronischen Geräten. Flash-Speicher werden als Speicherelement in Speicherkarten und SSDs (Solid State Drives) verwendet, da sie eine große Speicherkapazität erreichen können und sich durch ihr wiederbeschreibbares ROM auszeichnen.
Grundsätze von Speicher-ICs
Speicher-ICs verfügen in der Regel über einen Aufnahmebereich, in dem viele Speicherelemente geordnet angeordnet sind, Adressleitungen zur Angabe der Daten der einzelnen Speicherelemente, Signalausgangsleitungen zur Übermittlung der Daten der Speicherelemente nach außen und Signaleingangsleitungen zur Eingabe von Daten von außen.
Prozessoren, die in Verbindung mit Speicher-ICs eingesetzt werden, sind auch für die Verwaltung des Datenaufzeichnungsbereichs der Speicher-ICs zuständig, so dass beim Auslesen der gewünschten Daten die Daten des betreffenden Speicherelements durch Manipulation der Adressleitungen an die Signalausgangsleitung ausgegeben werden. Für Daten, die im Speicher aufgezeichnet werden sollen, wird die Adressleitung manipuliert, um das Aufzeichnungselement zu spezifizieren, und die Daten werden an die Signaleingangsleitung übertragen.
Dies ist der Fluss der Lese- und Schreibsignale zu den Speicher-ICs. Die interne Schaltungskonfiguration und die Ansteuerungsmethoden der Speicher-ICs sind jedoch je nach Typ völlig unterschiedlich.
Arten von Speicher-ICs
Speicher-ICs lassen sich grob in ROM und RAM einteilen, von denen es jeweils mehrere Typen gibt.
1. ROM
Masken-ROM
Masken-ROMs werden unter Verwendung von Masken hergestellt, die speziell für die zu schreibenden Daten entworfen wurden. Die Daten werden unter Verwendung dieser Masken während des Herstellungsprozesses des Geräts geschrieben. Daher können die geschriebenen Daten nicht geändert werden.
PROM (Englisch: Programmable Read Only Memory)
Ein PROM ist ein beschreibbarer/löschbarer ROM, der seinen Speicherinhalt auch nach dem Ausschalten der Stromversorgung beibehält.
Es handelt sich um eine Array-Struktur aus MOSFETs mit Floating Gates, in die Daten mit einem speziellen Schreibgerät geschrieben werden. Allerdings werden sie heute nur noch selten verwendet, da beim Löschen der Daten eine UV-Bestrahlung erforderlich ist.
Stattdessen werden EEPROM (Electrically Erasable PROM) und Flash-Speicher verwendet. Beide können durch den Empfang von Steuersignalen von einem Controller beschrieben/gelöscht werden, aber der Flash-Speicher wird aufgrund seiner Struktur, mit der eine besonders große Speicherkapazität erreicht werden kann, jetzt häufig in Speicherkarten und anderen Geräten verwendet.
Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Ladung, die in das schwebende Gate des MOSFET injiziert wird, bestimmt, ob die Daten 0 oder 1 sind, und da die Injektion und Löschung dieser Ladung den Tunneleffekt nutzt, ist eine Hochspannungsversorgungsschaltung in den IC integriert.
2. RAM
SRAM.
SRAM verwendet Flip-Flop-Schaltungen usw. als Speicherelemente, und der einmal aufgezeichnete Inhalt bleibt so lange erhalten, wie er mit Strom versorgt wird. Da es keinen Auffrischungsvorgang wie ein DRAM (siehe unten) benötigt, verbraucht es weniger Strom als ein DRAM mit derselben Speicherkapazität und kann mit hoher Geschwindigkeit gelesen und geschrieben werden.
Aufgrund der komplexen Struktur der Speicherelemente ist es jedoch schwierig, eine hohe Dichte zu erreichen, und die Herstellungskosten pro Einheit sind hoch. Daher eignen sie sich für Anwendungen, bei denen Stromsparen und hohe Geschwindigkeit wichtig sind, und werden z. B. häufig als Hochgeschwindigkeits-Cache-Speicher innerhalb des Prozessors und des Hauptspeichers in einem Computer eingesetzt.
DRAM
DRAMs verwenden einen Transistor und einen Kondensator, um Daten zu speichern. Mit anderen Worten: Der Zustand des Kondensators mit/ohne Ladung wird als Daten 0/1 definiert und aufgezeichnet. Der Transistor fungiert als Schalter, um Ladung im Kondensator zu akkumulieren.
Die Schaltungskonfiguration ist einfach, so dass der Integrationsgrad erhöht werden kann, aber selbst wenn der Schalter im AUS-Zustand ist, entweicht allmählich Ladung aus dem Kondensator, so dass die Daten in regelmäßigen Abständen überschrieben werden, um eine Verfälschung der Daten aufgrund von Ladungslecks zu verhindern. Dies wird als Auffrischungsvorgang bezeichnet und ist eine einzigartige Funktion des DRAM.