現代の非機械的記憶

《Aerodynamics》 by WCdance 2015 (excerpts)/ 林文中舞團【空氣動力學】選粹 (七月 2019).

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現代の非機械的記憶

第15章デジタルストレージ(メモリ)


ここで、特定のタイプのデジタルストレージデバイスの調査に進むことができます。 まず、動く部品を必要としない技術のいくつかを探求したいと思います。 将来的には可動部品技術を置き換える可能性が高いとはいえ、これらは必ずしも最新の技術であるとは限りません。

非常に単純なタイプの電子メモリは、双安定マルチバイブレータである。 単一ビットのデータを格納することができ、それは揮発性であり(そのメモリを維持するための電力を必要とする)、非常に高速である。 おそらく、Dラッチは、メモリ使用のための双安定マルチバイブレータの最も単純な実装であり、データ「書き込み」入力として機能するD入力、「読み出し」出力としてのQ出力、および読み出し/書き込みとして働くイネーブル入力制御線:

2ビット以上の記憶容量が必要な場合は、何種類かの配列に配列された多数のラッチを用意しなければなりません。に書き込む。 一対のトライステートバッファを使用して、データ書き込み入力とデータ読み出し出力の両方を共通データバスラインに接続し、それらのバッファがQ出力をデータラインに接続するか(READ)、D入力をデータ線(WRITE)に接続するか、両方のバッファをHigh-Z状態にしてDおよびQをデータ線から切断します(アドレス指定されていないモード)。 1つのメモリ「セル」は、内部的には次のようになります。

アドレスイネーブル入力が0のとき、両方のトライステートバッファはハイZモードになり、ラッチはデータ入力/出力(バス)ラインから切断されます。 アドレスイネーブル入力がアクティブ(1)のときのみ、ラッチはデータバスに接続されます。 もちろん、すべてのラッチ回路は、1対n出力デコーダから来る異なる「アドレスイネーブル」(AE)入力ラインでイネーブルされます。

上記の回路では、16個のメモリセルがデコーダに入力される4ビットのバイナリコードで個別にアドレス指定される。 セルがアドレス指定されていない場合、内部トライステートバッファによって1ビットデータバスから切断されます。その結果、データはそのセルとの間でバスを介して書き込まれるか、読み込まれることができません。 4ビットデコーダ入力によってアドレスされるセル回路のみがデータバスを介してアクセス可能である。

この単純なメモリ回路はランダムアクセスであり、揮発性である。 技術的には、 スタティックRAM として知られてい ます 。 総メモリ容量は16ビットです。 それは16のアドレスを含み、1ビット幅のデータバスを有するので、16×1ビットのスタティックRAM回路として指定される。 お分かりのように、実用的なスタティックRAM回路を構築するには、非常に多くのゲート(ゲートあたり複数のトランジスタ)が必要です。 これにより、スタティックRAMは比較的低密度のデバイスになり、単位ICチップ・スペースあたりの他のほとんどのタイプのRAMテクノロジより容量が少なくなります。 各セル回路は一定量の電力を消費するため、大きなセルアレイの全体的な消費電力は非常に高くなる可能性があります。 パーソナルコンピュータの初期のスタティックRAMバンクは、かなりの電力を消費し、多くの発熱も生じました。 CMOS IC技術は、スタティックRAM回路の特定の電力消費を低減することを可能にしたが、低記憶密度は依然として問題である。

この問題に対処するために、エンジニアはバイナリデータを格納する手段として、双安定マルチバイブレータの代わりにキャパシタを使用しました。 小さなコンデンサは、充電(書き込み1)、放電(書き込み0)または読み出しのために、データバスに接続するための単一のMOSFETトランジスタを備えたメモリセルとして機能することができます。 残念なことに、このような小型のコンデンサは容量が非常に小さく、その電荷はどんな回路インピーダンスを通じても急速に「漏れ」てしまう傾向があります。 この傾向に対処するために、エンジニアはRAMメモリチップ内部の回路を設計し、定期的にすべてのセルを読み込み、必要に応じてコンデンサを再充電(またはリフレッシュ)します。 これは回路の複雑さを増しましたが、それでもマルチバイブレータで構築されたRAMよりもずっと部品が少なくて済みました。 定期的にリフレッシュする必要があるため、このタイプのメモリ回路は ダイナミックRAM と呼ばれていました。

近年のICチップ製造の進歩により、ダイナミック型RAMのような容量性記憶原理で動作する フラッシュ メモリが導入されているが、MOSFET自体の絶縁ゲートがコンデンサとして使用されている。

トランジスタ(特にMOSFET)が登場する前に、エンジニアは真空管でゲートを構成したデジタル回路を実装しなければなりませんでした。 あなたが想像することができるように、トランジスタと比較して真空管の巨大な比較サイズと消費電力は、静的および動的RAMのようなメモリ回路を実用不可能にしました。 可動部品を使用せずにデジタルデータを格納する、他の、むしろ独創的な技術が開発されました。