DRAM (گذشته ، امروز ، آينده)

مقدمه :
همانطوريكه مي دانيم امروزه بشر در عصر ارتباطات و تكنولوژي به حافظه براي تجهيزات مختلف نيازمند است . يكي از انواع حافظه ها DRAM يا Dynamic Random memory مي باشد كه اين DRAM ها مصارف مختلفي دارند از جمله در Computing ، infrastueture ، Entertainment و infocom و جاهاي ديگر صنعتي.

براي ساخت DRAM در تكنولوژيهاي مختلفي استفاده شده است كه ما در اينجا از ساده ترين DRAM ها شروع مي كنيم كه از يك ترانزيستور و خازن و AMP استفاده شده است و به ساختار DRAM هاي ۱k و ۴k و ۱۶k و … مي پردازيم . و نهايتاً يكي از تكنولوژيهاي جديدي كه در ساخت DRAM ها بكار رفته است را شرح مي‌دهيم . اين تكنولوژي هاي ساخت DRAM با استفاده از SO1 (Silicon on islatnr) مي باشد .

بنابراين بطوركلي اين روژه از ۲ قسمت تشكيل شده است . قسمت اول آن مربوط به توضيح راجع به DRAM ها (از جهات مختلف) و مقايسه و كاربرد آنها و … مي باشد و قسمت دوم پروژه مربوط به توضيح راجع به تكنولوژي SO1 و كاربرد آن در DRAM مي باشد .

شرح پروژه :
قسمت اول , ساختمان و خصوصيات DRAM :
DRAM در واقع مخفف Dynamic Random Access Memory است كه حالت ساده آن به شكل زير است كه از يك ترانزيستور ساده و خازن و يك AMP تشكيل شده است .

DRAM ها داراي خصوصياتي از جمله Read و Write هستند . اساس سلول DRAM از نظر Cross-Section و Layout در شكل زير مشخص است و عيب اين روش area مي باشد . علاوه بر اين ، ۲ خصوصيت عمده از DRAM ها ذكر شده است كه عبارتند از :
۱-Stacked cell(Expand up) : طبق شكل

۲-Trench cell(Expand Down) : طبق شكل
همانطوريكه گفته شد DRAM مي تواند عمل Read و Write را انجام دهد .
براي عمل write بايد bitline يا در حالت high باشد يا low و word line بايد از موقعيت high باشد .

اما براي عمل Read bitline در وضعيت precharge است تا ولتاژ halfway شود (يعني حالت high و Low) و باز هم Word Line در وضعيت high است .
در DRAM يك AMP حسي داريم كه وضعيت charge را آشكار مي كند و اين Charge به خازن وابسته است .

توجه به اين نكته ضروري است كه DRAM ها به refresh نياز دارند (برعكس SRAM ها) زيرا داراي جريان نشتي هستند . همچنين آدرسها در DRAM به ۲ قسمت تقسيم مي شود :

۱-RAS (Row Access Strobe)
2-Cas (Column Access Strobe)

پارامترهاي كليدي Timing در يك DRAM :
1- : كمترين زمان از Ras Line تا يك ديتاي خروجي معتبر و با ارزش كه اين زمان مثلاً براي يك ۴Mb DRAM حدوداً ۶۰ns است .
۲- : كمترين زمان از شروع يك row Access تا شروع بعدي كه اين زمان براي يك ۴Mbit DRAM با تقريباً است .
۳- : كمترين زمان از CAS Line تا يك ديتاي خروجي معتبر و با ارزش كه اين زمان براي DRAM 4Mb با حدود است .
۴- : كمترين زمان از شروع يك Column Access تا شروع بعدي است . كه اين زمان هم براي يك ۴Mbit DRAM با حدود است .

طراحي DRAM :
در شكل ها row address و Column address و RAS و CAS و data out
مشخص است كلاً Cycle time يا سرعت تكرار از زمان دسترسي يا access time بزرگتر است و اين مقادير حدود و هستند . اين data در خازنهايي ذخيره مي شوند كه نشتي دارند و بايد هر refresh شوند . اما مشكلي كه DRAM دارد اينست كه با افزايش تراكم و چگالي (density) پهناي باند افزايش نمي‌يابد .

Technology Trends
جدول زير وضعيت DRAM ها از نظر Chip و سرعت و cycle Time كه طي سالهاي ۱۹۸۶-۲۰۰۲ مورد بررسي و مقايسه قرار گرفته اند را نشان مي دهد .
قبل از اينكه در ادامه بحث به انواع DRAM ها بپردازيم ۲ نوع از مهمترين آنها DDR DRAM SDRAM را توضيح مي دهيم .
SDRAM : نوع بهبود يافته DRAM است كه مخفف عبارت Synchronous DRAM مي باشد .

در اينجا از كلاك استفاده شده است كه كلاك بوسيله ميكروپروسسور ها فراهم آمده است .و كلاك باعث مي شود كه طراحي راحتتر شود .
براي SDRAM از روشهاي مختلفي مي توان استفاده كرد كه به ۳ mode اشاره خواهيم كرد .

در اين روش يك RAS و يك CAS داريم .
در اين روش يك RAS و دو CAS داريم .
۱٫Burst Mode
2.Page Mode Access
3.Pipline Mode Access

در آدرس تأخير كمتر شده است و بصورت back to back به هم چسبيده اند . كه اين مد از همه بهتر و كاراتر است . ضمناً مي توان مدهاي Page و Pipline را با هم تركيب نمود .

۲-DDR DDRAM يا Double Date Rate DRAM :اين نوع DRAM در واقع ديتا را هم در لبة ‌بالارونده و هم پايين رونده منتقل مي كند . بصورت DRAM Regular است ومقدار حافظه ۱۶۰MHz at 8byte=1.2 Gbyte/sec است .

و چون بصورت Double هستند پس حافظه كل برابر ۲٫۴GByte/sec مي باشد .

ديگر تكنولوژيهاي حافظه :
Embeded DRAM : اين نوع DRAM بيشترين كاربردش در ميكروپروسسورهاي MRAM كه همان Megnatic RAM مي باشد . اين تكنولوژي Emerging هم ناميده مي شود كه داراي سرعت پايين خواندن است با توان مصرفي بالاتر . اين در واقع يك حافظه ذخيره كننده غيرفرار است .

DRAM در بازار :
قبل از اينكه به ميزان مصرف DRAM در Market اشاره داشته باشيم ۳ نوع حافظه شامل DRAM و SRAMو NUM را از چند جهت با هم مقايسه مي كنيم .
در حال حاضر بيش از ۷۵% مصرف حافظه ها از DRAM مي باشد كه سود اين در سال ۱۹۹۵ حدود ۳۶ ميليارد دلار و در سال ۱۹۹۹ حدود ۷۸ ميليارد دلار بوده است . صود حاصل از فروش انواع memory ها در سال ۱۹۹۵ بعنوان نمونه در زير ذكر شده است :
ميليارد دلار ۳۶: DRAM
ميليارد دلار ۸/۵: SRAM
ميليارد دلار ۵/۱: EPRAM

ميليارد دلار ۷/۰: EEPRAM
ميليارد دلار ۴/۲: ROM

معماري DRAM در PC ها
۱-آسنكرون :

۱-مد fast page
2-مد hyper page يا Extended Date out(EDO)
3-Piplinal Burst EDO (PBEDO)
2-سنكرون :

۱-SDRAM
2-RAM BUS DRAM
در اين نمودار ميزان مصرف Memory ها در سال هاي مختلف با هم مقايسه شده است .

 

DRAM هاي خاص
۱-SDRAM يا DRAM همزمان
۲-Grahic RAM Synch
3-Video RAM
4-Window RAM
5-RAM BUS DRAM

دلايل استفاده از DRAM
1-قيمت مناسب
۲-توان مصرفي پايين
۳-سرعت بالا (پهناي باند بالا و تأخير پايين( )
۴-تكنولوژي عالي
مشخصات و بيوگرافي برخي DRAM ها (از ۱K تا ۲۵۶M )
DRAM Low Power
(توضيح و نمودار)

كاربردهاي DRAM

بطور عام مي توانيم كاربردهاي DRAM را در ۴ مقوله خلاصه كنيم :
۱-Computing
2-infrastructure
3-infocom
4-Entertainment
هر كدام از موارد بالا شامل قسمتهايي مي شوند كه در جدول مشخص شده است .
ضمناً ميزان مصرف هر كدام از ۴ مورد بالا در سال ۲۰۰۳ تا ۲۰۰۹ در ۲ جدول پيش‌بيني و مقايسه شده است و مي بينيم كه در طي اين سالها از ميزان مصرف DRAM در Computing كاسته خواهد شد . و در وقت infranstructure inform با افزايش مصرف DRAM در سال ۲۰۰۹ نسبت به ۲۰۰۳ مواجه خواهيم بود .

قسمت دوم
SOI DRAM
مقدمه :
در دهة گذشته پيشرفتهاي زيادي در تكنولوژي ساخت DRAM حاصل شد كه DRAM ها از نظر سايز بزرگتر شده اند بدون اينكه توان مصرفي افزايش يافته باشد و اين توانسته DRAM ها را تواناتر سازد . براي اين بهبودي مدفعي موجود است كه feuture و ولتاژ آستانة اكسيد گيت و منبع ولتاژ و توان DRAM در ارتباط است .
يكي از تكنولوژيهاي خوب براي DRAM كه براي آينده اميدبخش است SO2 DRAM است كه نسبت به تكنولوژيهاي bulkcons مزاياي زيادي دارد . اين تكنولوژي در سال ۱۹۹۸ تجاري شد .

 

تكنولوژي SOI در يك نگاه
SOI با نشاندن يك لايه نازك اكسيد زير سطح سيليكن ساخته مي شود . همانطوريكه در شكلها مشخص است وقتي ضخامت si از عمق زير كانال معكوس كوچكتر باشد به FD SOI Mosfet معروف است (كاملاً تخليه شده) و حالت ديگر آن PD SOI Mosfet است .
ساختن FD SOI مشكل تر از PDSOI است زيرا لايه SI در FDSOI بايد زير باشد در حاليكه تنها براي PD SOI حدود لايه از Si نياز داريم .
تكنولوژي SOI CMOSامتيازاتي نسبت به bulk cmos دارد كه به تعدادي از آن اشاره خواهيم كرد .

۱-بدليل اينكه SO2 پيوند سورس و درين موجود در بستر bulk cmos را حذف مي‌كند ظرفيت كاهش مي يابد .
۲-بدليل كاهش توان ديناميك ، بار خازنها Spont مي شود .
۳-بهبود latchuo باعث مي شود تا ترانزيستور دوقطبي وجود نداشته باشد بطوريكه نياز به ساختار اثر removing Helatchup را برطرف مي كند و مجدداً غلظت را بهبود مي بخشد .
۴-ايزولاسيون الكتريكي باعث مي شود از بدنه مشاهده نشود كه اين جريان راه اندازي را در device هاي پشته كاهش مي دهد .
۵-اثر Kink (پيچ و تاب) ، كه اين اثر براي POSO2 بي نظير است . وقتي Vds افزايش مي يابد ميزان برخورد يونيزاسيون ترشولد افزايش مي يابد ، ديود باياس مستقيم مي شود ، مثبت مي شود ، افت كرده ، و جريان device افزايش مي‌يابد .

فوايد SOI براي DRAM
استفاده از SOI در طراحي DRAM فوايدي دارد كه هم در Voltage و هم در Low Voltage Power بكار مي آيد . بعضي از اين فوايد شامل موارد زير است :
۱-S-factor كوچكتر شده است .
۲-مساحت و ظرفيت خازن پيوندي كوچك شده است .
۳-اثر باياس بستر كوچك شده است .