Modern niet-mechanisch geheugen

Nu kunnen we overgaan tot het bestuderen van specifieke soorten digitale opslagapparaten. Om te beginnen wil ik enkele technologieën onderzoeken waarvoor geen bewegende delen nodig zijn. Dit zijn niet per se de nieuwste technologieën, zoals men zou kunnen vermoeden, hoewel ze in de toekomst hoogstwaarschijnlijk de technologieën voor bewegende delen zullen vervangen.

Een heel eenvoudig type elektronisch geheugen is de bistabiele multivibrator. In staat om een ​​enkel bit aan gegevens op te slaan, is het vluchtig (vereist stroom om het geheugen te behouden) en zeer snel. De D-latch is waarschijnlijk de eenvoudigste implementatie van een bistabiele multivibrator voor geheugengebruik, de D-ingang dient als de data "schrijf" -ingang, de Q-uitgang dient als de "lees" -uitgang en de enable-ingang dient als de lees/schrijf-ingang. stuurlijn:

Als we meer dan één bit aan opslagruimte wensen (en dat doen we waarschijnlijk), moeten we veel vergrendelingen hebben die in een soort array zijn gerangschikt waar we selectief kunnen adresseren van welke (of welke set) we lezen of schrijven naar. Met behulp van een paar tristate-buffers kunnen we zowel de dataschrijfingang als de dataleesuitgang verbinden met een gemeenschappelijke databuslijn, en deze buffers inschakelen om ofwel de Q-uitgang met de datalijn (READ) te verbinden, de D-ingang te verbinden met de datalijn (WRITE), of houd beide buffers in de High-Z-status om D en Q los te koppelen van de datalijn (ongeadresseerde modus). Een geheugencel ziet er intern als volgt uit:

Wanneer de adresinschakelingang 0 is, worden beide tristate-buffers in de hoge Z-modus geplaatst en wordt de vergrendeling losgekoppeld van de data-invoer/-uitvoer (bus) lijn. Alleen als de adresactiveringsingang actief is (1) wordt de grendel op de databus aangesloten. Elk vergrendelingscircuit wordt natuurlijk ingeschakeld met een andere "adres inschakelen" (AE) -invoerlijn, die afkomstig zal zijn van een 1-of-n-uitgangsdecoder:

In de bovenstaande schakeling worden 16 geheugencellen individueel geadresseerd met een 4-bit binaire code die in de decoder wordt ingevoerd. Als een cel niet is geadresseerd, wordt deze losgekoppeld van de 1-bit databus door zijn interne tristate buffers:bijgevolg kunnen er geen gegevens worden geschreven of gelezen via de bus naar of van die cel. Alleen het celcircuit dat wordt aangesproken door de 4-bits decoderingang is toegankelijk via de databus.

Dit eenvoudige geheugencircuit is willekeurig toegankelijk en vluchtig. Technisch gezien staat het bekend als een statische RAM . De totale geheugencapaciteit is 16 bits. Omdat het 16 adressen bevat en een databus heeft die 1 bit breed is, zou het worden aangeduid als een 16 x 1 bit statisch RAM-circuit. Zoals je kunt zien, zijn er ongelooflijk veel poorten (en meerdere transistors per poort!) nodig om een ​​praktisch statisch RAM-circuit te bouwen. Dit maakt de statische RAM een apparaat met een relatief lage dichtheid, met minder capaciteit dan de meeste andere soorten RAM-technologie per eenheid IC-chipruimte. Omdat elk celcircuit een bepaalde hoeveelheid stroom verbruikt, kan het totale stroomverbruik voor een groot aantal cellen behoorlijk hoog zijn. Vroege statische RAM-banken in personal computers verbruikten behoorlijk wat stroom en genereerden ook veel warmte. CMOS IC-technologie heeft het mogelijk gemaakt om het specifieke stroomverbruik van statische RAM-circuits te verlagen, maar een lage opslagdichtheid is nog steeds een probleem.

Om dit aan te pakken, wendden ingenieurs zich tot de condensator in plaats van de bistabiele multivibrator als middel om binaire gegevens op te slaan. Een kleine condensator zou kunnen dienen als een geheugencel, compleet met een enkele MOSFET-transistor om deze op de databus aan te sluiten voor opladen (schrijven van een 1), ontladen (schrijven van een 0) of lezen. Helaas hebben zulke kleine condensatoren zeer kleine capaciteiten, en hun lading heeft de neiging om vrij snel weg te "lekken" door circuitimpedanties. Om deze tendens tegen te gaan, ontwierpen ingenieurs interne circuits van de RAM-geheugenchip die periodiek alle cellen zouden uitlezen en de condensatoren indien nodig zouden opladen (of "verversen"). Hoewel dit de complexiteit van het circuit nog groter maakte, had het nog steeds veel minder componenten nodig dan een RAM gebouwd met multivibrators. Ze noemden dit type geheugencircuit een dynamisch RAM , vanwege de behoefte aan periodieke verversing.

Recente ontwikkelingen in de fabricage van IC-chips hebben geleid tot de introductie van flash geheugen, dat werkt volgens een capacitief opslagprincipe zoals het dynamische RAM, maar de geïsoleerde poort van een MOSFET gebruikt als de condensator zelf.

Vóór de komst van transistors (vooral de MOSFET), moesten ingenieurs digitale schakelingen implementeren met poorten die waren gemaakt van vacuümbuizen. Zoals je je kunt voorstellen, maakten de enorme relatieve grootte en het stroomverbruik van een vacuümbuis in vergelijking met een transistor geheugencircuits zoals statische en dynamische RAM een praktische onmogelijkheid. Er werden andere, nogal ingenieuze technieken ontwikkeld om digitale gegevens op te slaan zonder het gebruik van bewegende delen.