半导体存储器研究进展

【摘要】目的：讨论半导体存储器研究进展。方法：查阅文献资料并结合个人经验进行归纳总结。结论：PC的内存储器通常由半导体存储器构成，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。RAM可用来存放各种输入输出数据，中间计算结果以及程序与指令等，其内容既可读出，也可写入。而ROM的信息在使用时是不能改变的，它只能读出，故一般用于存放固定的程序、常数等。

【关键词】半导体存储器 研究

【中图分类号】G305 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）03-0252-02

1.半导体存储器的分类

PC的内存储器通常由半导体存储器构成，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。RAM可用来存放各种输入输出数据，中间计算结果以及程序与指令等，其内容既可读出，也可写入。而ROM的信息在使用时是不能改变的，它只能读出，故一般用于存放固定的程序、常数等。

（1）随机存取存储器

RAM可以随时写入或读出信息，但它是一种易失性存储器，一旦断电，它所存储的信息会立即丢失。

按制造工艺的不同，RAM可分为双极型RAM和MOS型RAM两大类。双极型RAM的特点是：存取速度快、集成度低、功耗大、成本高。MOS型RAM的特点是：集成度较高、功耗较低、价格便宜，但存取时间较长。现在PC使用的都是MOS型RAM。按信息存储方法的不同，RAM又可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种。SRAM是靠双稳态电路来存储信息的。在加电后的使用期间，存储的信息不随时间的变化而改变（除非进行改写），所以称为"静态"。而DRAM是靠MOS管栅极电容上的电荷来保存信息的。任何电容都会漏电，所以超过一定时间（一般为1～2ms）后信息就会丢失，因此称为"动态"。为了使存储的信息不致丢失，每隔一定时间要按原来存储的内容重新写入，称为"再生"或"刷新"。与SRAM相比，DRAM具有集成度高、功耗低、价格便宜等优点。但DRAM需要定期刷新，因而它与CPU的连接比SRAM复杂。当系统所需内存容量较小时，常采用SRAM，如单板机，带微处理器或单片机的仪器、仪表及家用电器等。DRAM则广泛应用于内存容量较大的微机系统，例如个人计算机系统中的内存条。

随着CPU技术的改进，对DRAM速度的要求也越来越高。DRAM芯片的制造技术不断发展，陆续出现了FPMDRAM、EDODRAM、SDRAM和DDR等内存芯片，现简述如下。

1）FPMDRAM。这种DRAM芯片通常划分为页面，所以也称为页面式DRAM（PageModeDRAM，PMDRAM），其存取时间一般为120ns左右。486PC/AT机问世后，PMDRAM的速度逐步提高，人们在"页面"前加上了"快速（Fast）"一词，称之为FPMDRAM，它成为了486PC使用的主流内存芯片，存取时间达到了60ns。

2）EDODRAM，即扩充数据输出DRAM（Extended-DataOutputDRAM）。CPU访问某一内存单元后，很可能会接着访问与之邻近的内存地址，而EDODRAM的特点，就是每次访问后就"挂"在刚访问过的地址处，以便加速对邻近地址的访问。其存取速度较FPMDRAM提高了15%～40%，访问时间为20～30ns，是第一代奔腾机的主流芯片。

3）SDRAM，即同步式DRAM（SynchronousDRAM）。随着PC总线速度的不断提高，EDODRAM的存取速度仍然跟不上数据总线的处理速度，它的工作频率很难突破66MHz。SDRAM的目标，就是使CPU对内存芯片的访问与时钟同步，从而达到与CPU速度的匹配。为此SDRAM采取了双存储体结构，当一个存储体被CPU读取数据时，另一个存储体将作好读数的准备，两个存储体自动切换。SDRAM的工作频率为IOOMHz、133MHz。

4）DDRSDRAM，即双倍数据速率同步DRAM（DoubleDataR ateSDRAM，DDRSDRAM），是由SDRAM发展而来的新技术。DDR与SDRAM相比有两个不同点：首先，它使用了更多、更先进的同步电路；其次，DDR使用了延时锁定回路（Delay-LockedLoop，DLL）来提供一个数据滤波信号。SDRAM只在时钟脉冲的上沿进行一次数据写或读操作，而DDR不仅在时钟脉冲的上沿进行写或读操作，而且在时钟脉冲的下沿也能够进行一次对等的写或读操作。这样，理论上DDR的数据传输能力就比同频率的SDRAM提高了一倍。假设系统前端总线（FrontSideBus，FSB）的频率是100MHz，DDR的频率可以倍增为200MHz，带宽也倍增为1.6GB/s（8B×100MHz×2）。

（2）只读存储器

存放在ROM中的信息在断电后不会丢失，故ROM常用来存放固定的应用程序、系统软件和常数表格等。按照不同的写入方式，ROM可分为下列几种。

1）掩膜ROM（MaskedROM）。它是由制造厂商按照事先设计好的线路生产出来的，制成后就不能改变。它成本较低，适用于成批生产的产品。

2）可编程只读存储器（ProgrammableROM，PROM）。它是一种允许用户根据自己的需要在专用设备上进行编程的只读存储器，但它只能写一次，第一次写入的信息将被永久性地保存。

3）可擦除的可编程只读存储器（ErasableProgrammbleROM，EPROM）。它是一种可以多次改写的ROM。但它与随机存储器不一样，改写前必须用专门的设备（如紫外线擦除器）先把其中的内容全部擦掉（每个EPROM器件背上都有一个透明的石英玻璃窗口，紫外线通过这个窗口照在芯片上，即可把里面的内容擦掉），然后用专门的设备（EPROM写入器）把新程序写进去。写入程序后一定要用黑纸把小窗口贴上，以防紫外线把其中的内容擦掉。

4）电可擦除的可编程只读存储器（ElectricallyErasableProgrammableROM，E2PROM）。

用紫外线擦洗比较麻烦，后来开发出一种用电就能擦洗的芯片，这样的芯片写入和擦除所用的电流都是极小的，可用普通的电源供电。在编程器上既可擦除，也可编程写入，无须将芯片拿上拿下，工作效率大大提高。

EzPROM的另一个优点是擦除可以按字节进行，不像EPROM擦除时把整个片子的内存全变为"0"或"1"。字节的编程和擦除都只需要10ms的时间，

5）Flash存储器。它是在20世纪80年代末逐渐发展起来的一种新型半导体不挥发性存储器。所谓的不挥发性存储器，是指在断电的情况下仍具有电荷的保持特性。不挥发性存储器的发展经历了从ROM、PROM、EPROM、E2PROM到Flash存储器的各个阶段。Flash存储器结合了EPROM结构简单、密度高和E2PROM的电可擦除性等一些优点，实现了高密度、低成本和高可靠性。Flash存储器和传统存储器的最大区别在于它按块（Sector）擦除、按位编程，从而实现了快闪擦除的高速度。Flash存储器已经以其优越的性能成为了半导体存储器市场中发展最为迅速的一个，它被广泛应用于PCBIOS、数字蜂窝电话、汽车和微控制器等领域，并为目前较大容量的磁介质存储媒体提供了一种理想的替代产品--优盘。

2.半导体存储器的组成

半导体存储器由存储单元、地址选择电路、读/写电路以及控制电路所组成。

（1）存储单元矩阵

存储单元矩阵又称为存储体，由许多存储元件组成。一个存储元件可以储存一位二进制信息（0或1），若要储存一个字节（即一个存储单元）则需要8个存储元件。一个容量为8KB的存储器，它的存储体由8×1024×8=65536个存储元件组成。这些存储元件通常排列成有规律的矩阵，所以存储体又叫存储矩阵。为便于对存储单元进行写入（存人）和读出（取出）操作，每个存储单元均有一个编号，即地址。地址用二进制数表示，其位数n和存储单元数量N之间的关系为N=2n。例如，一个容量为64KB的存储器，其地址码为16位（64×1024=65536=216）。

（2）地址选择电路

地址选择电路主要包括地址码寄存器和地址译码器，用来对地址码进行译码。每一个地址码对应地址译码器输出端的一根选择线，由该线去控制该地址码所表示的存储单元，使之能进行写入和读出操作。

存储器地址译码有两种方法。第一种为线选法，全部地址码只用一个译码电路译码，译码输出端的选择线直接选中相应存储单元。如一个1K×8位的存储体，地址译码器有1024根输出线。第二种为重合法，又称为双译码方式。它将地址码分成X和Y两部分，用两个译码器分别译码。x方向的输出线称为行选择线，可选中存储矩阵中同一行的所有存储单元。Y方向的输出线称为列选择线，可选中存储矩阵中同一列的所有存储单元。只有在x方向和Y方向同时被选中的存储单元（X方向和Y方向的交点），才能进行写入或读出操作。采用重合法可大大减少选择线的数目，如前述的1024×8位的存储体，X方向和Y方向译码输出端的选择线分别只要32根（32×32=1024）即可。

PC的内存一般采用双译码方式，以节省地址译码输出端的选择线数目。

（3）读/写电路和控制电路

读/写电路包括读/写放大器和数据寄存器，它们是数据信息输入和输出的通路。从CPU来的控制信号有读信号（Read）、写信号（Write）及片选信号（ChipSelect）等。读信号与写信号用来控制存储器是进行读操作还是写操作，片选信号则用来对存储芯片进行选择，只有片选信号处于有效状态时，存储器才能与外界交换信息。

参考文献：

1.刘波，宋志棠，封松林.相变型半导体存储器研究进展[J].物理，2005年04期