WikiDer > Speicher mit wahlfreiem Zugriff ohne Kondensator

Speicher mit wahlfreiem Zugriff ohne Kondensator, Abkürzung Z-RAM, ist eine neue Spezies Computerspeicher das wird entwickelt von Innovatives Silizium (ISi)^[1] Z-RAM verwendet nur 1 Single Transistor im Kontrast zu SRAM (8, 6 oder 4 Transistoren) und Theater (1 Transistor und 1 Kondensator). Dies beseitigt das Problem der schwer zu erstellenden Kondensator die sich in einem herkömmlichen DRAM-Speicher befindet. Da der Kondensator verschwindet, kann mehr Speicher auf demselben Platz platziert werden und der Speicher verbraucht weniger. Als Ergebnis wird es billiger, eine bestimmte Menge an Speicher zu produzieren.

Vorwort

Mit der steigenden Nachfrage, so viel Speicher wie möglich in einem bestimmten Raum unterzubringen, wurden Anstrengungen unternommen, neue Technologien zu entwickeln, die sich von traditionellen DRAM- und SRAM-Designs entfernen. Z-RAM ist einer davon und verwendet ein Design mit nur einem einzigen Transistor. Derzeit befinden sich mehrere Technologien in der Entwicklung, die einen einzelnen Transistor verwenden, aber Z-RAM scheint am schnellsten zu wachsen.

Ziele

Die Ziele, die Innovative Silicon Inc. mit Z-RAM im Hinterkopf sind dies:

• Der am dichtesten gepackte Speicher der Welt.
• Günstigster Speicher der Welt zu produzieren.
• Produktion mit aktuellem Equipment, keine exotischen Prozesse.
• Dank des Vorteils der höheren Dichte sinken die Kosten für Silizium auf Isolator (STI) abnehmen.

Technologie

Floating-Body-Effekt

Z-RAM nutzt eine dem SOI-Prozess inhärente elektrische Eigenschaft. Transistoren auf Basis von SOI haben einen zusätzlichen virtuellen parasitären Kondensator, diese Eigenschaft heißt is Floating-Body-Effekt^[2] (FBE). Die FBE wird von vielen als Nachteil angesehen, aber das ganze Prinzip dieses Speichertyps beruht genau auf diesem virtuellen Kondensator.1990 wurde ein Weg gefunden, wie man ein Bit an 1 Transistor (einer Speicherzelle) speichern kann. Dies war nur mit 1 isolierten Transistor möglich, bei einer Speichermatrix wurden beim Schreiben immer die benachbarten Speicherzellen verfälscht. Erst 2001 wurde entdeckt, wie man mit der FBE Bits in einer Speichermatrix speichern kann.

Operation

Lesen

Das Lesen einer Z-RAM-Speicherzelle der 1. Generation ist analog zum Lesen einer DRAM-Zelle. Der Chip sendet einen kleinen Impuls an den Transistor. Dann messe a Leseverstärker den durch den Transistor fließenden Strom und vergleicht ihn mit einer Referenzzelle. Dies sagt Ihnen, ob auf dem Transistor eine '1' oder eine '0' gespeichert ist. Diese Referenzzelle wird beim Z-RAM der 2. Generation nicht benötigt. Der Grund dafür ist, dass die Ausgabe eher wie ein digitales Signal aussieht und es einen so deutlichen Unterschied zwischen einer '0' und einer '1' gibt, dass keine Referenzzellen mehr benötigt werden.

Schreiben

Das Schreiben ist teilweise anders als bei herkömmlichen DRAM-Speichern. Anstatt eine Ladung in einem Kondensator zu speichern und zu messen, spielt sich alles im Transistor ab und der Strom wird gemessen.Um eine binäre '1' zu schreiben, wird der Transistor in die Sättigung getrieben. Dadurch werden die im Transistor zwischen den transistor Quelle und der ablassen beschleunigt. Dadurch kollidieren sie mit den Siliziumatomen im Transistor, wodurch wiederum positive Löcher entstehen. Die Anzahl dieser positiven Löcher nimmt zu, was dazu führt, dass innerhalb des Transistors eine positive Ladung erzeugt wird. Diese positive Ladung und ihre Fähigkeit, Strom gut zu leiten, wird als binäre '1' betrachtet. Bei ISi spricht man von Stoßionisation.

Um eine '0' zu schreiben, stellt man sicher, dass der Transistor in ist abgeschnitten befindet sich. Dadurch werden die positiven Löcher über die Source abtransportiert und somit eine starke negative Ladung im Transistor erhalten. Diese negative Ladung und die Fähigkeit, den Strom schlecht zu leiten, wird als binäre '0' betrachtet. Bei ISi bezeichnet man dies als Lochentfernung.

Skalierung

Wichtig für eine neue Technologie ist natürlich auch, dass sie gut skaliert. Dadurch kann das Design leicht auf einen kleineren Produktionsprozess umgestellt werden, bei DRAM ist dies nicht immer so einfach, da ein Kondensator vorhanden ist. Sie können es nicht zu klein machen, sonst verlieren Sie die Ladung über den Kondensator gelegt. Ein zusätzlicher Nachteil dieses Kondensators besteht darin, dass er eine längliche Form hat, was einer Migration zu einem kleineren Prozess nicht allzu förderlich ist.SRAM ist auch nicht ideal für die Produktion in einem kleineren Prozess aufgrund der zunehmenden Leckage und der Empfindlichkeit gegenüber Weicher Fehler[:de:Soft_error.]Z-RAM hingegen hat diese Nachteile nicht, da es nicht mit einem Kondensator arbeitet. Je kleiner der Prozess mit Z-RAM wird, desto mehr Nutzen haben Sie tatsächlich davon. Der Grund dafür ist, dass die im Transistor speicherbare Ladung immer kleiner wird, diese aber den Strom im Transistor stärker beeinflusst. Da beim Auslesen einer Z-RAM-Zelle der Strom gemessen wird, ist dies nur von Vorteil. Das heißt natürlich nicht, dass es einfach ist, Z-RAM in einem kleineren Prozess herzustellen.

In der Praxis liegen Z-RAM, SRAM und DRAM fertigungstechnisch nahe beieinander. Das modernste Herstellungsverfahren für DRAM verwendet heute die 60-nm-Technologie, wobei 56 nm und kleiner in Aussicht stehen. SRAM wird mit einer Vielzahl von Technologien hergestellt, darunter 90 nm, 65 nm und 45 nm. Z-Ram hingegen wird bereits im 90-nm- und 65-nm-Verfahren hergestellt, während der Einsatz des 45-nm-Verfahrens nicht mehr fern ist.

Evolution

Unterschied zwischen Gen1 und Gen2 in Retentionszeit und gespeichertem Strom.

Seit der Einführung des Z-RAM der ersten Generation im Jahr 2004 wurden zahlreiche Verbesserungen vorgenommen. Diese Verbesserungen des ursprünglichen Designs führten 2006 zur Einführung des Z-RAM der zweiten Generation. Die Veränderungen bei Gen2 (was auf die 2. Generation hinweist) finden sich hauptsächlich in der Speicherzelle selbst. Gen2 verwendet immer noch den gleichen Transistor wie Gen1, verwendet aber einen anderen Betriebsmodus.Gen2 war gegenüber Gen1 ein großer Fortschritt. In Gen1 wurden Referenzzellen verwendet, da der Unterschied zwischen einer binären '1' und '0' recht klein war. Anhand dieser Referenzzellen wurde klar, welchen Strom der Transistor durchließ. Gen2 sorgt in diesem Bereich für eine drastische Änderung, da im Transistor viel mehr Ladung gespeichert werden kann. Dadurch ist der Unterschied zwischen den aktuellen Werten einer '1' und '0' so groß, dass es sich fast um ein reines digitales Signal handelt. Aus diesem Grund werden keine Referenzzellen mehr benötigt, und die Zellen können ihren Zustand jetzt bis zu 10 mal länger beibehalten, bevor sie den von ihnen repräsentierten Binärwert verlieren. Dies hat den großen Vorteil, dass die Anzahl der Auffrischzyklen des Speichers reduziert werden kann. Dadurch verbraucht der Speicher wiederum weniger Energie, da es weniger notwendig ist, den Speicher mit den richtigen Werten neu zu beschreiben. Der Energieaufwand zum Beschreiben des Speichers hat sich ebenfalls um den Faktor 10 verringert, während der Energiebedarf zum Lesen des Speichers um den Faktor 4 reduziert wurde. Neu an Gen2 ist auch, dass man den Speicher für verschiedene Zwecke optimieren kann . Auf diese Weise kann man sehr schnellen Speicher erstellen, der aber etwas mehr verbraucht und mehr Platz einnimmt. Wenn Sie möglichst wenig Speicher benötigen, wird die Geschwindigkeit zwar wirklich sinken, dafür aber weniger Platz einnehmen und sparsamer sein.Im Folgenden sind alle Verbesserungen in einer Tabelle zusammengefasst.

Z-RAM-Layout

An sich sind Speicherzellen völlig nutzlos, weshalb eine ganze Infrastruktur aufgebaut wurde, um Informationen in und aus den Zellen zu bekommen. Im Prinzip unterscheidet sich das Layout des Z-RAM-Speichers nicht so sehr vom Standard-DRAM-Speicherchip-Layout. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Layout von Z-RAM nur aus geraden Linien besteht. Es wird daher auch verwendet Bitleitungen,Wortleitungen, Quellzeilen und Leseverstärker. Außerhalb dieser Komponenten wird immer noch von Reihenfahrer und Spannungswandler. Der Row-Treiber sorgt dafür, dass die Word-Leitung immer die richtige Spannung erhält, damit die Operationen (schreiben, Lesen, halt) korrekt ausgeführt werden. Die Spannungswandler haben die Aufgabe, den Chip mit allen notwendigen Spannungen zu versorgen.

• Zellenlayout bei Z-RAM
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  Das Layout der Z-RAM-Zellen von oben, die rote Linie umkreist, repräsentiert 1 Z-RAM-Zelle.

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  Der Querschnitt der Z-RAM-Zelle, der die rote Linie umkreist, repräsentiert 1 Z-RAM-Zelle.

Ein normaler Z-RAM Speicherbank hat eine Größe von 4Megabit, die aus 8 Blöcken von 512 . bestehtK B Speicherzellen bestehend aus 4 Zeilen und 2 Spalten. Dieser 512kb Speicherblock ist auch als a . bekannt untergeordnetes Array erwähnt. Zwischen jedem dieser Unterarrays befinden sich die Leseverstärker. Das Reihenfahrer befinden sich zwischen den 2 Spalten von Subarrays. Will man Z-RAM auf Geschwindigkeit optimieren, verwendet man 'Sub-Arrays' mit einer Größe von 64kb. Dadurch nimmt eine Speicherbank mehr Platz ein und die Speicherdichte nimmt ab.

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  Normale Speicherbank von 4Mbit

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  Speicherbank optimiert für Geschwindigkeit (2Mbit).

Vergleich mit anderen Speichertypen

Nachfolgend finden Sie eine Tabelle, die alle Unterschiede zwischen Z-RAM, DRAM und SRAM auflistet.

Mögliche Anwendungen

Z-RAM scheint für Speicherhersteller besonders nützlich zu sein, da seine Dichte im Vergleich zu herkömmlichem DRAM doppelt so hoch ist. Aber weil es SOI verwendet, müssten diese Hersteller ihre gesamte Fabrik mit anderen Maschinen ausstatten. Z-RAM ist daher für diese Hersteller derzeit nicht wirklich sinnvoll. Der Hersteller Hynix^[3] hat jedoch die Z-RAM-Technologie lizenziert, wobei Z-RAM mit SoC (System on Chip)-Systemen, mit tragbaren Geräten als eingebettetem Speicher und als Cache-Speicher in CPUs verwendet werden kann. Der offensichtlichste Markt ist unter anderem der von GSMs, tragbaren Telefonen und PDAs. Diese Geräte benötigen Speicher, der nicht viel verbraucht und nicht viel Platz einnimmt.Ein weiterer Markt am Horizont sind die CPUs. moderne Mikrogeräte^[4] hat bereits eine Lizenz für Z-RAM und verwendet SOI für seine Prozessoren. Um den L1- und L2-Cache der CPU zu ersetzen, ist Z-RAM nicht schnell genug. Die neuesten Prozessoren von AMD verwenden jedoch einen langsameren L3-Cache. Dafür ist Z-RAM aber ausreichend schnell und könnte vielleicht in Zukunft zum Einsatz kommen.