Memorie a semiconduttore
I dispositivi per l’immagazzinamento dell’informazione
sono necessari in tutti i sistemi elettronici.
PC, Workstation, Mainframe.
Sistemi Embedded.
Si prevede un incremento del mercato delle memorie
2002
47 Miliardi di $
2007
86,7 Miliardi di $
Classificazione
Varie modalità di classificazione:
Dimensione: Circuito ------------------ Celle di memoria.
Chip ---------------------- Byte e multipli.
Sistema ------------------ Word.
Tempi d’accesso: In lettura, In scrittura e Tempi di ciclo.
Funzionalità: Solo Lettura, Lettura/Scrittura.
Modalità d’accesso: Casuale, Ordinato.
Architettura
Memoria di N-word
ciascuna composta da M-bit.
Decoder di riga a K=log2(N)
ingressi
# connessioni troppo elevato
considerandone una per ogni
word.
Struttura molto lunga e
stretta. Layout difficile.
Decoder di colonna e più
word per riga.
Struttura regolare.
Memoria di grandi dimensioni
Partizionamento in blocchi.
ROM
Memorie che mantengono l’informazione “per sempre”.
Programmabili una sola volta.
Mask-Programmed ROM:
Programmable ROM:
Programmate in fase di realiazzazione
dell’integrato attraverso maschere.
Programmabile con opportuni
segnali elettrici attraverso
kit-programmer.
Memorizzazione dell’informazione
nella topologia del circuito (presenza o Memorizzazione dell’informazione
assenza di diodi o transistori).
nella topologia del circuito
(bruciatura o no di fusibili).
NVRWM (1)
EPROM
Fa uso del transistor a Floating Gate
Normalmente nel floating-gate non
c’è carica.
WL=1, la BL si
scarica
“0” in
uscita
Iniezione elettroni nel floating gate e
innalzamento della soglia logica del
transistor. (AHEI)
WL=1, la BL
non si scarica
“1” in
uscita
Rimozione degli elettroni esponendo il chip per
qualche decina di minuti a raggi UV.
Cancellazione
NVRWM (2)
EEPROM
Fa uso di un transistor a Floating Gate modificato (FLOTOX).
Programmabili e cancellabili elettricamente per Fowler-Nordheim Tunneling.
VANTAGGI
SVANTAGGI
Cancellabili elettricamente.
Soglia logica molto variabile.
Cancellazione on-system.
Dimensione cella grande.
Cancellazione byte per byte.
NVRWM (3)
FLASH
Fa uso di un transistor a Floating Gate modificato (ETOX).
Programmazione per AHEI e cancellazione per Fowler-Nordheim Tunneling.
Unisce i vantaggi delle EPROM e delle EEPROM:
Elettricamente programmabili.
Dimensione cella ridotta.
Cancellazione di pagine o anche singoli byte.
NWRWM (4)
Riassumendo….
EPROM
EEPROM
FLASH
Write Time
> 10 ms
> 1ms
1-100 µs
Erase Time
> 10 min
> 100 ms
> 100 ms
Data Retention 10 years
> 40 years
> 100 years
VRWM (1)
Memorie a lettura/scrittura volatili.
• Mantengono l’informazione fintanto che è presente
l’alimentazione.
• A differenza delle NVRWM hanno tempi di scrittura
paragonabili a quelli di lettura.
Accesso Casuale
Accesso Ordinato
• SRAM
• LIFO, FIFO, Shift Register
• DRAM
• CAM
VRWM (2)
SRAM
• L’ informazione è memorizzata in circuiti bistabili.
Lettura:
Scrittura:
Attivazione della WL
e dato disponibile
sulla bitline (anche il
dato negato).
Attivazione della WL
e forzatura del dato
nel bistabile.
Per ridurre l’occupazione di area i PMOS possono essere sostituiti da:
• Resistori.
• Transistor Thin-Film.
VRWM (3)
Async SRAM: Segnali di indirizzamento non coordinati
con il clock di sistema. Tempi d’attesa dei dati molto
lunghi.
Sync SRAM: Segnali sincronizzati con il clock.
Funzionamento più affidabile e veloce
Pipeline Burst SRAM: Sincrona con trasferimento dati
veloce attraverso cicli burst.
Dual Port SRAM: Doppia porta d’accesso con capacità
di lettura e scrittura indipendenti.
VRWM (4)
DRAM
• L’ informazione è memorizzata in condensatori che necessitano di
refresh periodico della carica.
Lettura:
Attivazione della
RWL (WL) e dato
disponibile sulla BL2
(BL).
Scrittura:
Attivazione della
WWL (WL) e carica
della C di gate di 2
(semplice
condensatore).
Sforzo notevole nella riduzione della dimensione delle celle (es. Trench
Capacitor) con tempi d’accesso e consumi però maggiori rispetto le SRAM.
VRWM (5)
FPM DRAM: Ogni riga della memoria è vista come
pagina. Si accede consecutivamnte alle word della riga.
EDO RAM: Si accede alle colonne successive mentre si
sta ancora prelevando il dato dalla colonna precedente.
Sync DRAM: Sincrona a banchi multipli per permettere
accessi, relativi a diverse righe, più veloci.
DRDRAM: Sviluppata da Rambus si discosta dalle
comuni DRAM per la particolare architettura adottata
che permette performance molto elevate.
Double Data Rate Sync DRAM: Garantisce rispetto le
SDRAM il trasporto dei dati su entrambi i fronti del
clock.
VRWM (6)
CAM
Memoria volatile ad accesso non casuale.
LETTURA
Scrittura dato da
ricercare nell’input
register.
Bit che costituiscono
la chiave di ricerca.
Segnale di match
per le parole che
soddisfano la chiave
Selezione della
parole per cui c’è
corrispondenza e
trasferimento
nell'Output Register
SCRITTURA
Due comportamenti
possibili:
1. Accesso casuale
2. Tag Register che
indica se la
locazione è
piena o vuota
Gerarchia delle memorie
Divario di prestazioni tra CPU e Memoria.
CPU attende molto tempo prima che arrivino i dati dalla memoria.
Con la gerarchia delle memorie si cerca di minimizzare gli accessi
alla memoria centrale.
Cache
Memoria on-chip alla quale la CPU accede con un unico ciclo di clock.
Tempo medio d’accesso = HIT-RATE • HIT-TIME + MISS-RATE • MISS-TIME
A) CORRISPONDENZA CACHE-MEMORIA PRINCIPALE
- Mapping Completamente Associativo: Ogni dato della memoria
principale può essere memorizzato in una qualsiasi linea della Cache.
- Mapping Diretto: Ogni dato della memoria principale è messo in
corrispondenza fissa (funzione di trasformazione) una linea della Cache.
- Mapping Associativo Ad N Vie: La cache è divisa in set ciscuno contenente N
linee (2-4-8). Ogni blocco della memoria principale può essere memorizzato in una
delle N linee di un set.
B) STRATEGIE DI SCRITTURA
- Write Through: Aggiornamento memoria non appena modifico il dato in Cache.
- Write Back: Aggiornamento memoria solo quando elimino la linea.
C) POLITICA DI SOSTITUZIONE DELLE LINEE
Random, FIFO, LRU...
Conclusioni
Stretta corrispondenza tra tecnologia e
archittettura nello sviluppo delle memorie.
Fondamentale per un buon sistema la scelta
della memoria adeguata.
Continuo aumento del mercato delle memorie.
Nuove tecnologie alla ribalta differnti dal silicio
(magnetomemorie, nanotubi in carbonio…).
