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Informatik für den Satellitenbau

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<strong>Informatik</strong> <strong>für</strong> <strong>den</strong> <strong>Satellitenbau</strong><br />

Halbleiter­Speicher<br />

Sergio Montenegro<br />

Sergio.Montenegro@dlr.de<br />

DLR­RY<br />

Deutsches Zentrum <strong>für</strong> Luft und Raumfahrt DLR<br />

Institut <strong>für</strong> Raumfahrtsysteme<br />

(German Aerospace Center)<br />

Robert­Hooke­Str. 7<br />

D­28359 Bremen<br />

Tel. +49 421 24420 131<br />

Weltraummissionen : John Richardson<br />

FPGAs: Ebrahim Haririan<br />

Mikroprozessoren: Benjamin Vogel<br />

Speicher: Matthias Klaer<br />

Kommunikation: Ebrahim Haririan<br />

Tool­Chains: Benjamin Vogel<br />

Weltraum Eigenschaften:<br />

Sergio Montenegro<br />

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Volatile<br />

SRAM<br />

DRAM<br />

Halbleiterspeicher<br />

RAM ROM<br />

Innovativ<br />

(non­volatile)<br />

PRAM<br />

PMC<br />

MRAM<br />

FeRAM<br />

Matthias Klaer<br />

reversibel<br />

Flash<br />

EEProm<br />

EProm<br />

irreversibel<br />

MROM<br />

PROM<br />

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Volatile<br />

SRAM<br />

DRAM<br />

Halbleiterspeicher<br />

RAM ROM<br />

Innovativ<br />

(non­volatile)<br />

PRAM<br />

PMC<br />

MRAM<br />

FeRAM<br />

Matthias Klaer<br />

reversibel<br />

Flash<br />

EEProm<br />

EProm<br />

irreversibel<br />

MROM<br />

PROM<br />

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SRAM<br />

SRAM = Static Random Access Memory<br />

Speicherung erfolgt in Flip­Flops<br />

sehr schnell<br />

kein Refresh nötig<br />

rel. hoher Stromverbrauch<br />

Einsatz als L1­, L2­ und L3­Cache<br />

Synchrones / asynchrones Interface<br />

Basis <strong>für</strong> FIFO‘s, DPR, Video RAM…<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://www.eeherald.com/section/design­guide/esmod15.html


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SRAM: Prinzip<br />

Zwei rückgekoppelte Inverter (2 NMOS, 2 PMOS) und zwei Schreib/Lese­Schalter<br />

(2 NMOS)<br />

Horizontale Word­Leitung aktiviert die Schreib/Lese­Schalter, die Bit­Leitungen (Bit<br />

und !Bit) verlaufen vertikal<br />

Zum Schreiben wer<strong>den</strong> Bit und !Bit auf 1/0 oder 0/1 gehalten und Word aktiviert<br />

Beim Lesen darf die Zelle nicht umkippen, wenn sie an <strong>den</strong> Bit/!Bit Bus geschaltet<br />

wird, daher wer<strong>den</strong> die Bit­Leitungen auf VDD vorgela<strong>den</strong> (‚precharge‘)<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://sus.ziti.uni­heidelberg.de/Lehre/DSTVorlesung03/DST_Speicher.pdf


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SRAM –6T­Speicherzelle<br />

Beispiel: speichern einer „1“<br />

Quelle: http://web.sfc.keio.ac.jp/~rdv/keio/sfc/teaching/architecture/architecture­2008/lec07­cache.html<br />

Matthias Klaer<br />

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SRAM –6T­Speicherzelle<br />

Beispiel: speichern einer „1“<br />

Quelle: http://web.sfc.keio.ac.jp/~rdv/keio/sfc/teaching/architecture/architecture­2008/lec07­cache.html<br />

Matthias Klaer<br />

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SRAM –6T­Speicherzelle<br />

Beispiel: gespeicherte „1“<br />

Quelle: http://web.sfc.keio.ac.jp/~rdv/keio/sfc/teaching/architecture/architecture­2008/lec07­cache.html<br />

Matthias Klaer<br />

Tatsächlich wer<strong>den</strong><br />

beim Speichern nur<br />

„0“geschrieben, je<br />

nachdem auf BL oder<br />

!BL.<br />

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SRAM –6T­Speicherzelle<br />

Lesen des Speicherinhalts<br />

Quelle: http://web.sfc.keio.ac.jp/~rdv/keio/sfc/teaching/architecture/architecture­2008/lec07­cache.html<br />

Matthias Klaer<br />

Vorher: precharge<br />

von BL/!BL um<br />

umkippen der<br />

Speicherzelle zu<br />

vermei<strong>den</strong>.<br />

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SRAM –4T­Speicherzelle<br />

4 NMOS Transistoren + 2 sehr hochohmige Widerstände (poly silicon resistor)<br />

Im Vergleich zur 6T Zelle: weniger Platzbedarf, höherer Stromverbrauch,<br />

störempfindlicher (Rauschen), langsamer<br />

Matthias Klaer<br />

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SRAM –TFT (Thin Film Transistor) ­ Speicherzelle<br />

Aufbau ist ähnlich einer 4T­Zelle, spezieller PMOS Transistor bildet <strong>den</strong><br />

Lastwiderstand<br />

Im Vergleich zur 4T Zelle: weniger Stromverbrauch, Herstellungsverfahren<br />

komplexer<br />

Je nach Anwendung (Video RAM, Multiported RAM) können SRAM Speicherzellen<br />

auch als 8T, 10T oder noch größer ausgeführt wer<strong>den</strong>.<br />

Matthias Klaer<br />

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SRAM<br />

Funktionales Blockschaltbild (Asynch. SRAM)<br />

Matthias Klaer<br />

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Matthias Klaer<br />

SRAM<br />

Funktionales Blockschaltbild (Asynch. SRAM)<br />

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Quelle: http://www.informatik.hs­mannheim.de/~ihme/sys_2004ws/10_Speicher.pdf<br />

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/OE = High<br />

SRAM<br />

Schreibzugriff (Asynch.)<br />

latch adress latch data<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://www.vias.org/mikroelektronik/b2_01_sram.html


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R/W = High<br />

SRAM<br />

Lesezugriff (Asynch.)<br />

latch adress data valid<br />

Matthias Klaer<br />

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SRAM (synchron) ­ Timing<br />

Schreiben und Lesen erfolgt synchron zum Clock­Signal (i.d.R. zur steigende Flanke des CLK­Signals).<br />

Matthias Klaer<br />

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SRAM<br />

Classification of SRAM by feature:<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://www.eeherald.com/section/design­guide/esmod15.html


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DRAM<br />

DRAM = Dynamic Random Access Memory<br />

Speicherung erfolgt in Kon<strong>den</strong>satoren<br />

hohe Speicherkapazität auf kleinstem<br />

Raum<br />

benötigt Refresh<br />

rel. geringer Stromverbrauch<br />

geringe Herstellungskosten<br />

Einsatz als Arbeitsspeicher oder<br />

Grafikspeicher<br />

Ausfühungen als DRAM, SDRAM, DDR­<br />

SDRAM, SL­DRAM, DRDRAM (Rambus),<br />

etc.<br />

Matthias Klaer<br />

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DRAM<br />

1T (oder 1T1C) Speicherzelle<br />

Die 1T1C –Zelle besteht aus einem Kon<strong>den</strong>sator und einem Transistor.<br />

Matthias Klaer<br />

A<br />

C = ε rε 0 ⋅ = 20..<br />

100 fF<br />

d<br />

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Quelle:http://www.moepi.net/files/dram_handout.pdf


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DRAM<br />

Speicherzellen Architekturen<br />

Matthias Klaer<br />

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DRAM<br />

Speicherzellen Architekturen<br />

Quelle:http://www.ieee.org/portal/site/sscs/menuitem.f07ee9e3b2a01d06bb9305765bac26c8/i<br />

ndex.jsp?&pName=sscs_level1_article&TheCat=2171&path=sscs/08Winter&file=Sunami.xml<br />

Matthias Klaer<br />

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WL<br />

DRAM<br />

BL<br />

Schliffbild einer Trench­Zelle<br />

Quelle:http://www.ieee.org/portal/site/sscs/menuitem.f07ee9e3b2a01d06bb9305765bac26c8/i<br />

ndex.jsp?&pName=sscs_level1_article&TheCat=2171&path=sscs/08Winter&file=Sunami.xml<br />

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DRAM<br />

Speicher Organisation<br />

[ RAS = Row Address Strobe, CAS = Column Address Strobe, WE = Write Enable ]<br />

Quelle: http://nirvana.informatik.uni­halle.de/~molitor/pearson/7092/vorlesung/kapitel_11/kapitel11­03.pdf<br />

Matthias Klaer<br />

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DRAM<br />

Read Cycle (Asynchron)<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://www.electronics.dit.ie/staff/tscarff/memory/dram_cycles.htm


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DRAM<br />

Write Cycle (Asynchron)<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://www.electronics.dit.ie/staff/tscarff/memory/dram_cycles.htm


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DRAM<br />

Schema eines Plattenkon<strong>den</strong>sators<br />

Matthias Klaer<br />

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DRAM<br />

La<strong>den</strong>/Entla<strong>den</strong> eines Plattenkon<strong>den</strong>sators<br />

Refresh Refresh<br />

Infolge des endlichen Widerstands entlädt sich der Kon<strong>den</strong>sator mit der<br />

Selbstentladezeitkonstante:<br />

Wideraufladung des Kon<strong>den</strong>sators notwendig (Refresh)<br />

Matthias Klaer<br />

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DRAM ­ Refresh<br />

RAS­only­Refresh:<br />

­ Am weitesten verbreitet (beherrschen alle DRAM­Typen).<br />

­ Durchführen eines Blindlesezyklus.<br />

­ Nur RAS­Signal wird aktiviert = Refresh­Zeile (CAS bleibt inaktiv).<br />

­ Zeile wird gelesen und verstärkt, aber nicht zum Ausgangsdatenpuffer<br />

übertragen (wegen fehlendem CAS­Signal).<br />

­ Externe Logik notwendig, die alle Zeilen nach und nach selektiert.<br />

(DMA­Chip löst periodisch, mithilfe des Timers, eine Blindübertragung aus).<br />

CAS­before­RAS­Refresh (CBR):<br />

­ Refresh­Adresse wird von einem internen Adreßzähler hochgezählt<br />

­ Es sind auch mehrere Refresh­Zyklen hintereinander möglich (bis ca.<br />

200).<br />

­ Anstoß des Refresh von außen durch Signalfolge CAS vor RAS.<br />

­ Spart DMA­Zyklen gegenüber RAS­only­Refresh.<br />

Hid<strong>den</strong>­Refresh:<br />

­ Refresh wird direkt an <strong>den</strong> Lesezyklus angehängt (versteckt hinter<br />

Lesezugriff).<br />

­ Effektiver, da kein Refresh beginnt, während Daten ausgelesen wer<strong>den</strong>.<br />

­ Kein explizites Anstoßen von außen notwendig.<br />

­ DRAM­Chip hat internen Adreßzähler.<br />

Quelle:http://www­vs.informatik.uni­ulm.de/teach/ws05/sp2/docs/Sp2_k19_05_Speicher.doc<br />

Matthias Klaer<br />

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DRAM<br />

CAS­before­RAS­Refresh<br />

Jede Zelle muss spätestens nach 64ms „refreshed“wer<strong>den</strong>.<br />

Es wird jeweils eine ganze Zeile (Row) auf einmal „refreshed“<br />

Interner Refresh Counter inkrementiert Row­Adresse<br />

( Refresh Controller wird durch externe Signale gesteuert (RAS/CAS) )<br />

Matthias Klaer<br />

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DRAM<br />

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DRAM<br />

DDR SDRAM memory chip block diagram<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://www.eecg.toronto.edu/~tm4/ddrsdram.html


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SDRAM (Synchronous DRAM)<br />

DRAM –Beispiele<br />

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)<br />

RDRAM (Rambus DRAM)<br />

EDO­ RAM (Extended Data Out Random Access Memory)<br />

FPM­ DRAM (Fast­Page­Mode­RAM)<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle:


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Nonvolatile Memory (NVM) ­ Reversibel<br />

Matthias Klaer<br />

EProm<br />

EEProm Flash<br />

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Volatile<br />

SRAM<br />

DRAM<br />

Halbleiterspeicher<br />

RAM ROM<br />

Innovativ<br />

(non­volatile)<br />

PRAM<br />

PMC<br />

MRAM<br />

FeRAM<br />

Matthias Klaer<br />

reversibel<br />

Flash<br />

EEProm<br />

EProm<br />

irreversibel<br />

MROM<br />

PROM<br />

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NVM Cell ­ Grundlage: MOSFET (Metall Oxid Semicondctor Field Effect Transistor)<br />

ohne Spannung an Gate: keine Leitfähigkeit (npn)<br />

Elektrisches Feld am Gate bewirkt Anreicherung von Minioritätsladungsträger (n)<br />

unter dem Gate<br />

Ab einer Schwellspannung kommt es zur Inversion: Kanal unter dem Gate wird<br />

leitend<br />

Leitung zwischen Source und Drain<br />

Matthias Klaer<br />

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NVM Cell ­ Aufbau<br />

Eine Flash­Speicherzelle besteht aus einem MOSFET der um ein<br />

Floating Gate erweitert wurde.<br />

Matthias Klaer<br />

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NVM Cell ­ Prinzip<br />

Das floating Gate speichert Elektronen (= Ladung Q), das resultierende<br />

elektrostatische Feld beeinflusst die Threshold­Spannung V T .<br />

( C FG = Kapazität des floating Gate )<br />

Matthias Klaer<br />

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Weitere Infos: http://webee.technion.ac.il/people/kolodny/ftp/E2PROM01485793.pdf<br />

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NVM Cell ­ Programmieren<br />

(z.B. EProm, Flash)<br />

Wenn das elektrische Feld E L der Drain­Source­Strecke größer als 100kV/cm ist, so<br />

ist die Energie der Elektronen größer als die Energie der Tunneloxyd­Schicht.<br />

Begünstigt durch das transversale Feld E T können Elektronen die Oxidgrenzschicht<br />

überwin<strong>den</strong> und auf das Floating Gate fließen.<br />

„Hot Electron Injection“<br />

Matthias Klaer<br />

Typische Spannungen:<br />

V D = 5V<br />

V G = 10V<br />

V S = V B = 0V<br />

Typischer Drain Strom:<br />

100µA < I D < 500µA<br />

Typischer injizierter Strom:<br />

0.1nA < I OX < 1nA<br />

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NVM Cell ­ Löschen<br />

(z.B. Flash, EEProm)<br />

FN Tunneling ist ein quantenmechanischer Vorgang bei dem Elektronen durch das<br />

Tunneloxyd in <strong>den</strong> DS­Kanal tunneln.<br />

Das benötigte elektrische Feld E T liegt im Bereich von 8 bis 10 MV/cm.<br />

„Fowler­Nordheim Tunneling“<br />

Weitere Infos: http://deposit.ddb.de/cgi­bin/dokserv?idn=975827588&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=975827588.pdf<br />

Matthias Klaer<br />

Typische Spannungen:<br />

V D = floating<br />

V G = ­8V<br />

V S = V B = 5V<br />

Typischer Tunnelstrom:<br />

I OX < 1µA<br />

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Ausführung als NAND* oder NOR<br />

Aufbau<br />

Komplexer Aufbau*:<br />

­ 4096 Bytes = 1<br />

Page<br />

­ 64 Pages = 1<br />

Block<br />

­ 2048 Blocks = 1 Plane<br />

­ 4 Planes = 1<br />

Chip<br />

­ 2 Chips = 1<br />

IC<br />

bei NAND sind Bad Blocks vorhan<strong>den</strong><br />

(z.B. max 160* pro Chip)<br />

Schreibzugriff Page­weise<br />

Löschzugriff Block­weise<br />

*) Beispiel: K9KAG08U0M (Samsung), 64 GBit, SLC<br />

Was macht Flash­Speicher aus?<br />

Matthias Klaer<br />

Einzelne Speicherzelle<br />

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Flash<br />

Die Schematische Die Transferkennlinien Retention­Time Darstellung gibt eines an, der wie Flash­Zell­Transistors programmierten lange eine Information und im gelöschten programmierten zuverlässig Einsatzspannungen<br />

ausgelesen und<br />

gelöschtem in wer<strong>den</strong> Abhängigkeit kann. Zustand. Aktuell der Anzahl müssen der 10 Programmier­/Löschzyklen.<br />

Jahre garantiert wer<strong>den</strong>.<br />

Quelle: http://deposit.ddb.de/cgi­bin/dokserv?idn=975827588&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=975827588.pdf<br />

Matthias Klaer<br />

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Flash ­ Typen<br />

NAND Flash NOR Flash<br />

Unterschiede?<br />

Matthias Klaer<br />

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Flash ­ Typen<br />

NAND Flash NOR Flash<br />

Type: NAND512W3A2CN6E<br />

Size: 512 MBit<br />

Adr.<br />

Input<br />

Data<br />

In/Out<br />

Ctrl.<br />

Matthias Klaer<br />

Type: S29GL512P11FFI010<br />

Size: 512 MBit<br />

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NAND Flash vs. NOR Flash<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://maltiel­consulting.com/


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NOR / NAND Flash Architektur<br />

G<br />

D<br />

S<br />

Matthias Klaer<br />

G<br />

G<br />

D<br />

S<br />

S<br />

D<br />

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SLC / MLC Flash<br />

SLC = Single Level Cell<br />

SLC­Flash speichert nur ein Bit pro Zelle. Sie sind mit<br />

rund 100.000 Schreibzyklen zuverlässige Speicher­<br />

Chips <strong>für</strong> <strong>den</strong> Server­Markt und deshalb auch sehr<br />

teuer.<br />

MLC = Multi Level Cell<br />

MLC­Flash speichert zwei bis vier Bit pro Zelle. Es sind<br />

dadurch höhere Speicherdichten möglich bei gleichen<br />

Siliziumkosten. MLC­Flash lässt sich deshalb günstiger<br />

fertigen. Sie wer<strong>den</strong> <strong>für</strong> <strong>den</strong> Massenmarkt, in erster<br />

Linie <strong>für</strong> Notebooks und Ultra Mobile Devices, gefertigt.<br />

MLC­Flash lässt sich nicht ganz so schnell beschreiben,<br />

wie SLC­Flash und ist mit rund 10.000 Schreibzyklen<br />

defektanfälliger.<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle http://www.elektronik­kompendium.de/sites/com/0312261.htm


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Auslesen einer SLC Zelle<br />

Wenn der Zellstrom I C größer als der Referenzstrom I REF ist, dann wird eine „1“<br />

ausgegeben, andernfalls eine „0“.<br />

Matthias Klaer<br />

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Wiederholung: so funktioniert SLC<br />

Es gibt <strong>für</strong> die Speicherzelle zwei Ladungszustände <strong>für</strong> die Werte „0“und „1“.<br />

Matthias Klaer<br />

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SLC<br />

MLC<br />

Ladungszustände <strong>für</strong> SLC und MLC<br />

Matthias Klaer<br />

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SLC<br />

MLC<br />

Auswerten von SLC und MLC Informationen<br />

Matthias Klaer<br />

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MLC Flash (2 Bits/Zelle und 4 Bits/Zelle)<br />

Matthias Klaer<br />

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SLC / MLC Qualitätsmerkmale<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle http://www.oempcworld.com/support/SLC_vs_MLC.htm


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SLC / MLC NAND Anwendungen<br />

Quelle http://www.eetasia.com/ARTICLES/2005JUL/B/2005JUL01_STOR_TA.pdf?SOURCES=DOWNLOAD<br />

Matthias Klaer<br />

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Matthias Klaer<br />

EEProm<br />

(Electrically Erasable Programmable ROM)<br />

Weitereentwicklung des EProms<br />

nicht­flüchtige Speicherung durch Floating­<br />

Gate­Technologie<br />

parallele oder serielle Daten­Interface<br />

etwa 10 mal langsamer als Flash­Speicher<br />

je nach Typ ist wahlfreier Zugriff (random<br />

access) möglich (wie bei SRAM)<br />

verwendet als Programmspeicher und <strong>für</strong><br />

statische Daten (Parameter, Konfiguration,..)<br />

Begrenzte Anzahl von Schreib­/Lesezyklen<br />

(etwa 10^4..10^6)<br />

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Quelle http://img.zdnet.com/techDirectory/EEPROM.GIF


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Matthias Klaer<br />

EProm<br />

(Ersable Programmable Read­only Memory)<br />

nicht­flüchtige Speicherung durch Floating­<br />

Gate­Technologie<br />

Löschvorgang mittels UV Licht dauert etwa<br />

10 bis 30 Minuten<br />

spezielle Programmiergeräte benötigt<br />

(EProm­Brenner)<br />

verwendet als Programmspeicher und <strong>für</strong><br />

statische Daten<br />

Begrenzte Anzahl von Löschzyklen (etwa<br />

100 bis 200)<br />

heutzutage kaum noch von Bedeutung<br />

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Quelle http://www.chscene.ch/ccc/contrib/netzmafia/dvs/eprom.gif


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EPROM<br />

EEPROM<br />

EPROM, EEPROM, Flash<br />

Erasable PROM, im jetzigen Sprachgebrauch auf global mit UV­löschbare (in ca. 20 Min.) und dann wiederbeschreibbare<br />

Bausteine eingeengt.<br />

auch E 2 PROM, Electrical Erasable PROM, ist der Oberbegriff <strong>für</strong> mehrere Varianten, die Bit­, Wort­, Sektorweise oder<br />

vollständig löschbar und dann neu programmierbar sind. Er wird heutzutage fast nur noch als Flash (NAND/NOR)<br />

ausgeführt.<br />

Flash<br />

neuere EEPROM­Variante, die bevorzugt sektorweise oder vollständig löschbar und neu beschreibbar ist. Enthält vielfach<br />

schon die da<strong>für</strong> notwendigen Algorithmen auf dem Speicherchip und ist wahrscheinlich momentan die Vorzugsvariante aller<br />

PROMs.<br />

Matthias Klaer<br />

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PROM<br />

(M)ROM<br />

Nonvolatile Memory (NVM) ­ Irreversibel<br />

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Volatile<br />

SRAM<br />

DRAM<br />

Halbleiterspeicher<br />

RAM ROM<br />

Innovativ<br />

(non­volatile)<br />

PRAM<br />

PMC<br />

MRAM<br />

FeRAM<br />

Matthias Klaer<br />

reversibel<br />

Flash<br />

EEProm<br />

EProm<br />

irreversibel<br />

MROM<br />

PROM<br />

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Nonvolatile Memory (NVM) ­ Irreversibel<br />

ROM:<br />

ROM = Read Only Memory.<br />

Bei <strong>den</strong> maskenprogrammierten ROMs (MROM) sind je nach<br />

zu speicherndem Bit mittels Maske bei der Herstellung des ICs,<br />

Brücken eingebaut, oder nicht. Bei Ansteuerung mit Brücke ist<br />

der Transistor leitend, sodass am Widerstand eine Spannung<br />

ansteht (Bit 1).<br />

Vorteil: gleicher Herstellungsprozeß <strong>für</strong> verschied. Chips (nur<br />

unterschiedl. Maske).<br />

Nachteil: Programmierung nur durch Hersteller möglich.<br />

PROM:<br />

PROM = Programmable ROM.<br />

Information wird „eingebrannt“.<br />

PROMs wer<strong>den</strong> erst vom Anwender mit Bits bela<strong>den</strong><br />

(programmiert). Die ursprünglichen PROMs wer<strong>den</strong> inzwischen<br />

nahezu nicht mehr verwendet. Heutige PROMs sind in<br />

Wirklichkeit nichts anderes als EPROMs ohne Löschfenster.<br />

Vorteil: freie Programmierbarkeit.<br />

Nachteil: Programmierfehler sind nicht behebbar. (wird fast<br />

nicht mehr verwendet EPROM !)<br />

Matthias Klaer<br />

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ROM (Read­only Memory)<br />

Matthias Klaer<br />

Festwertspeicher erhalten nicht<br />

löschbare und nicht änderbare<br />

Daten, die vom Hersteller<br />

eingegeben wer<strong>den</strong>.<br />

In einem ROM speichert man<br />

häufig benötigte Daten, etwa<br />

Steueranweisungen, Programme,<br />

Kennlinien und Kennlinienfelder,<br />

Tabellen usw.<br />

Zum Aufbau eines ROM wer<strong>den</strong><br />

zwei Arten von Speicherelementen<br />

benötigt.<br />

Die der ersten Art müssen stets<br />

<strong>den</strong> Wert 1 enthalten.<br />

Speicherelemente der zweiten Art<br />

müssen stets <strong>den</strong> Wert 0<br />

enthalten.<br />

Quelle: http://www.uni­muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/technik_didaktik/rams_roms.doc<br />

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MROM (Masken­ROM)<br />

Man kann schon bei der Herstellung des Speicherchips an <strong>den</strong><br />

Kreuzungspunkten zwischen Wort­ und Bitleitungen Brücken vorsehen. An <strong>den</strong><br />

Speicherstellen, die eine ’1’enthalten sollen, wird eine Brücke vorgesehen; fehlt<br />

die Brücke, enthält die Speicherstelle eine ’0’.<br />

Quelle: http://www.uni­muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/technik_didaktik/rams_roms.doc<br />

Matthias Klaer<br />

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MROM (Masken­ROM)<br />

Als Brücken wer<strong>den</strong> Dio<strong>den</strong> oder Transistoren verwendet. Der Dateninhalt muss<br />

somit schon vor der Herstellung des Speicherchips festliegen und wird in die<br />

Belichtungsmaske eingearbeitet, was die Bezeichnung Masken­ROM erklärt. Da<br />

die Erstellung einer individuellen Belichtungsmaske teuer ist, lohnt sich MROM<br />

nur in großen Stückzahlen.<br />

In großen Stückzahlen ist MROM der preiswerteste Speicher, es wird daher<br />

häufig in Massenartikeln verwendet.<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: https://www.viewegteubner.de/freebook/978­3­8348­0046­6_l.pdf


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(OT)PROM (One­time programmable ROM)<br />

Fusible Link (FL): in der Zelle befindet sich eine leicht schmelzende Verbindung, ähnlich einer<br />

Schmelzdrahtsicherung. Der Programmierimpuls bringt in <strong>den</strong> gewünschten Zellen die Verbindung zum<br />

schmelzen, der Dateninhalt ändert sich dadurch von ‚1‘auf ‚0‘. Die FL brauchen viel Platz, der haben FL­<br />

Proms nur eine kleine Kapazität.<br />

Avalanche Induced Migration („lawineninduzierte Wanderung“) (AIM): zwischen Wort und Bitleitung<br />

befindet sich zunächst ein sperrender Halbleiter (Diode oder Transistor). Durch <strong>den</strong> Programmierimpuls<br />

wird die Sperrschicht zerstört und der Halbleiter in eine leitende Verbindung umgewandelt.<br />

Floating Gate­Prom: zwischen Gate und Kanal eines FET ist eine zusätzliche Ladungszone, die nicht<br />

kontaktiert ist: das Floating Gate. Durch <strong>den</strong> Programmierimpuls wird ein starker Strom zwsichen Drain<br />

und Source erzeugt, dabei dringt ein Teil der Ladungsträger durch die Isolierschicht in das Floating Gate<br />

und lädt dieses auf. Es schirmt nun die Wirkung des Gazes ab, der FET läßt sich nicht mehr ansteuern, die<br />

Brückenfunktion besteht nicht mehr. Eine andere Bezeichnung <strong>für</strong> diese Speicherzellen ist FAMOS<br />

(Floating Gate Avalanche MOS Transistor).<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: https://www.viewegteubner.de/freebook/978­3­8348­0046­6_l.pdf


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PRAM<br />

MRAM<br />

FeRAM<br />

ristor<br />

PMC<br />

Mem<br />

Innovative Speichertechnologie<br />

Matthias Klaer<br />

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Volatile<br />

SRAM<br />

DRAM<br />

Halbleiterspeicher<br />

RAM ROM<br />

Innovativ<br />

(non­volatile)<br />

PRAM<br />

PMC<br />

MRAM<br />

FeRAM<br />

Matthias Klaer<br />

reversibel<br />

Flash<br />

EEProm<br />

EProm<br />

irreversibel<br />

MROM<br />

PROM<br />

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Innovative NV­Speicher: Speicherkapazität und Schreibzykluszeit<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20070926/139715/


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(auch bekannt als OUM ­ Ovonic­Unified­Memory)<br />

PRAM / PCRam (Phase Change RAM)<br />

Matthias Klaer<br />

elektrische Phasenwechsel Speicher<br />

Technologie, nicht­flüchtig<br />

Potentieller Flash Technologie<br />

Nachfolger<br />

basiert auf chalkogeni<strong>den</strong><br />

Phasenwechselmaterial (wie CD­RW<br />

und DVD­RW)<br />

Zwei existierende Phasen:<br />

einer metastabilen amorphen Phase<br />

mit hohem elektrischen Widerstand<br />

stabilen kristallinen Phase mit<br />

geringem elektrischen Widerstand<br />

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Quelle: http://www.iht.rwth­aachen.de/Forschung/nano/speicher/pcram.php


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PMC (programmable metallization cell)<br />

The PMC cell is an ion­conducting glass channel doped with silver ions that is sandwiched between a silver anode and an inert cathode<br />

(the +'s are silver ions, or alternatively, copper ions). When an electric field is applied between the electrodes, ions are released from<br />

the silver anode and make their way to the cathode where they combine with electrons to form a tiny silver wire that acts as a<br />

conductive bridge between the two sides. When the field is reversed, the wire comes apart. (Image courtesy of Axon Technologies<br />

Corporation, www.axontc.com)<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle:http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/programmable+metallization+cell<br />

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MRAM (Magneto­resistive RAM)<br />

Matthias Klaer<br />

Technologie basiert auf zwei isolierten,<br />

magnetische Elektro<strong>den</strong>:<br />

eine mit unveränderlichem Magnetfeld<br />

(hartmagnetisch)<br />

die andere mit veränderlicher magnetischer<br />

Polarisation (weichmagnetisch)<br />

der Isolator zwischen <strong>den</strong> ferromagnetischen<br />

Schichten ist extrem dünn (< 5 nm)<br />

Abhängig davon, ob die ferromagentischen<br />

Schichten gleich oder gegengleich polarisiert<br />

sind, können unterschiedlich viele Elektronen<br />

durch die MTJ fließen (Tunneleffekt).<br />

diese Widerstandsänderung wird<br />

gemessen um zwischen ‘0’und ‘1’zu<br />

unterschei<strong>den</strong>.<br />

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Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/f/fb/MRAM_V3.pdf


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FRAM / FeRAM (Ferroelectric RAM)<br />

Quelle: http://imperia.mi­verlag.de/imperia/md/content/ai/ae/fachartikel/ei/2010/02/ei10_02_020.pdf<br />

Matthias Klaer<br />

Lesen erfolgt wie schreiben<br />

und zerstört dabei die<br />

gespeichert Information<br />

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Memristor<br />

Matthias Klaer<br />

1971 veröffentlichte Prof. Leon Chua die<br />

Theorie zum Memristor als viertes passives<br />

Bauelement (neben R,C,L)<br />

Dieses vierte passive Bauelement, folgt<br />

aus Symmetriebetrachtungen, bzgl. u, i, q,<br />

�<br />

Er ist ein elektrischer Widerstand, der<br />

seinen aktuellen Wert (wie die Kapazität)<br />

über eine eingebrachte Ladung speichert<br />

Er ist ein elektrischer Widerstand, der<br />

seinen aktuellen Wert (wie die Kapazität)<br />

über eine eingebrachte Ladung speichert<br />

2008 erster Prototyp mittels Nano­<br />

Strukturen bei Hewlett Packard<br />

Bis zur technischen Reife wer<strong>den</strong> aber<br />

voraussichtlich noch viele Jahre vergehen<br />

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Quelle: http://aes.cs.tu­berlin.de/voelz/PDF/Elektr_Arbeit.pdf


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Innovative NV­Speicher: Spezifikationen<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20070926/139715/


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Innovativer NV­Speicher im Vergleich zu DRAM und Flash<br />

Matthias Klaer<br />

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Quelle: http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20070926/139715/


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*** ENDE ***<br />

Matthias Klaer<br />

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