Memorie a semiconduttore

1. 2002 47 Miliardi di $ 2007 86,7 Miliardi di $ 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

2. 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.

3. # connessioni troppo elevato considerandone una per ogni word. Struttura molto lunga e stretta. Layout difficile. Struttura regolare. Partizionamento in blocchi. Architettura Memoria di N-word ciascuna composta da M-bit. Decoder di riga a K=log2(N) ingressi Decoder di colonna e più word per riga. Memoria di grandi dimensioni

4. ROM Memorie che mantengono l’informazione “per sempre”. Programmabili una sola volta. Mask-Programmed ROM: Programmate in fase di realiazzazione dell’integrato attraverso maschere. Memorizzazione dell’informazione nella topologia del circuito (presenza o assenza di diodi o transistori). Programmable ROM: Programmabile con opportuni segnali elettrici attraverso kit-programmer. Memorizzazione dell’informazione nella topologia del circuito (bruciatura o no di fusibili).

5. Fa uso deltransistor a Floating Gate WL=1, la BL si scarica “0” in uscita WL=1, la BL non si scarica “1” in uscita Cancellazione NVRWM (1) • EPROM Normalmente nel floating-gate non c’è carica. Iniezione elettroni nel floating gate e innalzamento della soglia logica del transistor. (AHEI) Rimozione degli elettroni esponendo il chip per qualche decina di minuti a raggi UV.

6. Fa uso di untransistor a Floating Gate modificato (FLOTOX). NVRWM (2) • EEPROM Programmabili e cancellabili elettricamente per Fowler-Nordheim Tunneling. • VANTAGGI • Cancellabili elettricamente. • Cancellazione on-system. • SVANTAGGI • Soglia logica molto variabile. • Dimensione cella grande. • Cancellazione byte per byte.

7. Fa uso di untransistor a Floating Gate modificato (ETOX). NVRWM (3) • FLASH 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.

8. NWRWM (4) Riassumendo….

9. Accesso Casuale • SRAM • DRAM Accesso Ordinato • LIFO, FIFO, Shift Register • CAM 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.

10. 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.

11. 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.

12. VRWM (4) DRAM • L’ informazione è memorizzata in condensatori che necessitano di refresh periodico della carica. Lettura: Scrittura: Attivazione della RWL (WL) e dato disponibile sulla BL2 (BL). 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.

13. 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 perpermettere 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.

14. CAM Memoria volatile ad accesso non casuale. 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 VRWM (6) LETTURA SCRITTURA Due comportamenti possibili: • Accesso casuale • Tag Register che indica se la locazione è piena o vuota

15. Con la gerarchia delle memorie si cerca di minimizzare gli accessi alla memoria centrale. Gerarchia delle memorie Divario di prestazioni tra CPU e Memoria. CPU attende molto tempo prima che arrivino i dati dalla memoria.

16. 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...

17. 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…).