メモリデバイス　内部構造と実例

ディジタル回路天野英晴

半導体メモリの分類 RAM　（ RWM)：　揮発性メモリ

電源を切ると内容が消滅 SRAM(Static　 RAM) DRAM(Dynamic　 RAM)

ROM(Read Only Memory)：不揮発性メモリ 電源を切っても内容が保持 Mask ROM 書き換え不能 PROM(Programmable ROM)　プログラム可

One Time PROM　一回のみ書き込める Erasable PROM　消去、再書き込み可能

• UV EPROM　（紫外線消去型）• EEPROM （電気的消去可能型）　 FLASH　Memory

メモリの基本構造

ＭｅｍｏｒｙＣｅｌｌ

Sense　Ａｍｐ

Ｄａｔａ　Ｓｅｌｅｃｔｅｒ

Ｉ／Ｏ　Ｂｕｆｆｅｒ

Address

I/Oバッファは３ステート

記憶要素により性質が定まる

昔のメモリ

Qucklogic

Xilinx　 Vertex

PDARCH Group : DIMMnet-2 Network Interface Prototype Board

メモリスロット装着型のネットワークカード PCクラスタによるハイパフォーマンスコンピューティング

転送速度１０Gbpsの高速なネットワーク（ InfiniBand）に接続

Controller （ FPGA）　 Virtex II Pro

InfiniBand(X4,10Gbps)Connector

184pin DDR SDRAM Interface

DDR SO-DIMM(256MB x 2)

SRAM　 (Static　 RAM)

通常の SRAMは、メモリ素子として基本的な使い方を行う：実例　日立６２８５１１

連続転送機能を強化した SSRAM(Synchronous　 SRAM）が登場、高速大容量転送に用いられる

４Mbit/Chip程度

SRAM型のメモリセル構造Word

Bit Bit

最も基本に忠実な６トランジスタ方式：安定なのでよく用いられる

DRAM（ Dynamic　 RAM)

記憶はコンデンサ内の電荷によって行うリフレッシュ、プリチャージが必要２５６Mbit/Chipの大容量連続転送は高速SDRAM（ Synchronous　 DRAM）の普及

DDR-SDRAMの登場

DRAMの構造

ＭｅｍｏｒｙＣｅｌｌ

Sense　Ａｍｐ

Ｄａｔａ　Ｓｅｌｅｃｔｅｒ

Ｉ／Ｏ　Ｂｕｆｆｅｒ

RowAddress

ColumnAddress

古典的なＤＲＡＭの利用法

アドレス

RAS

CAS

データ

行 列

有効

DRAMの記憶部分WD

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

Hレベルの書き込みW＝ HD＝ H

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

Lレベルの書き込みW＝ HD＝ L

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

Hレベルの読み出しW＝ HD

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

レベルの変化が少ない

Lレベルの読み出しW＝ HD

記憶用コンデンサ

基準用コンデンサ

レベルの変化が大きい

DRAMアクセスの特徴

破壊読出しなので、書き戻しが必要微小電位を検出するセンスアンプが必要基準コンデンサを充電するためのプリチャージ時間が必要

ほっておくと電荷が放電してしまうので、リフレッシュが必要

SRAMに比べて使い難い

SDR (Single Data Rate)　ＳＤＲＡＭ：同期式ＤＲＡＭ１００ＭＨｚ－１３３ＭＨｚの高速クロックに同期した読み・書きを行う

CS,RAS,CAS,WEなどの制御線の組み合わせでコマンドを構成

コマンドにより、同期式に読み、書き、リフレッシュ等を制御

バンクの切り替えにより連続読み・書きが高速に可能

SDR-ＳＤＲＡＭの読み出しタイミング

Command

ACT Read

CLK

Row Column

Data0

Address

Data1 Data2 Data3

DDR (Double Data Rate)　ＳＤＲＡＭ：同期式ＤＲＡＭSDR SDRAM同様の高速周波数（１００ＭＨｚ－１３３ＭＨｚ）のクロックの両エッジで転送を行うことにより、倍のデータ転送レートを実現

差動クロックを利用データストローブ信号によりタイミング調整

より豊富なコマンド

DDR-ＳＤＲＡＭの読み出しタイミング

Command

ACT Read

CLK

Row Column

Data0

Address

～ CLK

Data1Data2Data3

ＤＱＳ

DRAMのまとめ SRAMの 4倍程度集積度が大使い難いが、連続アクセスは高速転送はますますパケット化する傾向にある

SDR-SDRAM→　 DDR-SDRAM→DDR2-SDRAM現在 PC用には DDR3が標準となる

外部クロック周波数は DDR-3では 4倍最大８００MHｚプリフェッチ機能１．５ V電源、電気的特性の改善

DDR-4が準備中制御は複雑、高速なため取り扱いもたいへん→　 IP( Intellectual Property)の利用が進む

半導体メモリの分類 RAM　（ RWM)：　揮発性

SRAM(Static　 RAM) DRAM(Dynamic　 RAM)

ROM(Read Only Memory)：不揮発性 Mask ROM 書き換え不能 PROM(Programmable ROM)　プログラム可

One Time PROM　一回のみ書き込める Erasable PROM　消去、再書き込み可能

• UV EPROM　（紫外線消去型）• EEPROM （電気的消去可能型）　 FLASH　Memory

メモリチップ外観

紫外線で消去するＵＶ－ＥＰＲＯＭ

フラッシュメモリ EEPROM型の発展：小型化のために選択ゲートを用いず、ブロック単位で消去を行う .

NOR型、 NAND型、 DINOR型、 AND型等様々な構成法がある . オンチップ用：高速消去可能 NOR型 ファイルストレージ用：大容量の NAND型

実例：東芝 TD５８シリーズ NOR型、基本の読み出し動作は簡単 消去、再書き込みシーケンスは複雑 16Mbit/Chip（ NAND型はより大容量）

フラッシュメモリの読み出し　（電荷が存在しない場合）

Word

Bit

Hレベル

ONにより電圧低下

フラッシュメモリの読み出し　（電荷が存在する場合）

Word

Bit

Hレベル

依然として OFFで電圧低下しない

しかし電荷でマイナス電位

フラッシュメモリへの書き込み　

０ V

９ V 書き込み

高電圧によりドレイン側からホットエレクトロンを注入

ゲート

ソース ドレイン５ V

フラッシュメモリの消去　

５ V

－９ V 消去

トンネル効果により電荷を引き抜く

ゲート

ソース ドレイン