1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим




Скачать 21,48 Kb.
Название1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим
страница7/10
Дата04.02.2016
Размер21,48 Kb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

31. Перспективные запоминающие устройства (FRAM, PFRAM, MRAM, OUM)

Успехи создания ЗУ на основе полупроводниковой технологии не снимают проблемы дальнейшего совершенствования микросхем памяти. Чтобы при­близиться к идеалу, желательно к таким свойствам ЗУ, как высокая емкость, быстродействие и малая потребляемая мощность, добавить и энергонезави­симость, которой современные ОЗУ не обладают. Если к такому комплексу качеств прибавить и низкую стоимость, то получатся ЗУ, близкие к идеалу. Пути приближения к идеалу включают в себя попытки использования не­скольких новых для технологии ЗУ физических явлений — ферроэлектриче-ских, магниторезистивных, связанных с изменением фазовых состояний ма­териалов и др.

ЗУ типа FRAM (ферроэлектрические)

В ферроэлектрических FRAM (Ferroelectric RAM) основой запоминающего элемента служит материал, в кристаллической структуре которого имеется бистабилъный атом. Занимая одно из двух возможных пространственных положений ("верхнее" или "нижнее"), этот атом создает в ферроэлектриче-ском материале внутренние диполи того или иного знака (спонтанная поля­ризация).

С помощью электрического поля можно придать внутреннему диполю тот или иной знак. Под воздействием внешнего электрического поля и при темпера­туре не выше определенной (связанной с точкой Кюри) материал поляризуется. Диполи выстраиваются упорядоченно и состояние материала может отобра­жать двоичные данные 0 и 1. Зависимость поляризации Р от напряжения U имеет петлю гистерезиса, показанную на рис. 4.50, а. Через Uc на рисунке обозначены коэрцитивные напряжения, через Pr — остаточные поляризации, которые сохраняются после снятия электрических полей.

Если бы вместо ферроэлектрического конденсатора был включен обычный, ^единенный не с Plate-линией, а с общей точкой схемы (схемной землей), То получился бы запоминающий элемент обычного динамического ЗУ, и Подключение конденсатора через ключевой транзистор к линии запи­си/считывания ЛЗС позволяло бы считывать хранимую элементом инфор мацию (JIB — линия выборки), т. к. в зависимости от зараженности или разряженности конденсатора при его подключении по-разному изменялось бы напряжение на линии ЛЗС. Здесь же нужно выявить не наличие или от­сутствие заряда конденсатора, а знак поляризации запоминающего элемен­та. Простым подключением ферроэлектрического конденсатора к линии ЛЗС этого не определить. Поэтому после отпирания транзистора выборки на Plate-линию подается импульс длительностью около 10 не. Если этот им­пульс вызовет переполяризацию элемента, то через него пройдет большой ток, который сможет ощутимо изменить напряжение на линии ЛЗС (на ее емкости, изображенной на рис. 4.50, 5 штриховыми линиями). Если же знак поляризации был иным и переполяризации .элемента не будет, то ток через него будет малым и не сможет заметно повлиять на потенциал линии ЛЗС.



Рис. 4.50. Петля гистерезиса ферроэлектрического материала (а) и схема запоминающего элемента FRAM (б)

После пропускания импульса от Plate-линии подается питание на усилитель считывания УСч, логическое состояние которого определится тем, смогла ли линия ЛЗС зарядиться выше или ниже опорного напряжения, т. е. в ко­нечном счете знаком поляризации запоминающего элемента. При этом вы­ходной сигнал усилителя фиксируется (защелкивается) для обратной подачи на разрядную линию и возвращения ферроэлектрического конденсатора в его первоначальное состояние после проведенной разрушающей операции чтения. Такая обратная перезапись информации занимает время около 10— 20 не и сохраняет считанные данные. Процессы в ЗУ синхронизированы с фронтами управляющих импульсов.

рассмотренный запоминающий элемент называют элементом типа 1Т/1С, т. к. в его схеме используются один транзистор и один ферроэлектрический конденсатор. Существуют также элементы типа 2Т/2С, похожие на сдвоен­ный элемент 1Т/1С. В таких элементах две ячейки 1Т/1С программируются Б противоположных направлениях и в элементе имеются две разрядные ли­нии с взаимноинверсными сигналами. Используется дифференциальный канал для восприятия сигналов, а это повышает помехоустойчивость ЗУ и улучшает также некоторые другие параметры.

Достоинства FRAM: быстрые запись и чтение, практически неограниченное число циклов чтения/записи, малые напряжения питания и потребляемая мощ­ность, компактность запоминающего элемента (площадь его соизмерима с площадью обычного запоминающего элемента DRAM), высокая радиационная стойкость, энергонезависимость.

Такой набор достоинств позволяет FRAM выступить в роли конкурента как по отношению к динамическим ОЗУ, не обладающим энергонезависимо­стью, так и по отношению к EEPROM и Flash, не обеспечивающим быст­рую запись данных. В настоящее время ЗУ типа FRAM уже выпускаются рядом фирм (Ramtron International, Samsung, NEC и др.).

ЗУ типа PFRAM (полимерно-ферроэлектрические)

ЗУ типа PFRAM (Polimeric Ferroelectric RAM) — разновидность ферроэлек-трических ЗУ. Они построены на основе ферроэлектрических материалов — пленок с двумя стабильными состояниями поляризации, полученных около 10 лет назад шведской фирмой Opticom. Над применением таких пленок в схемах ЗУ работает фирма Intel совместно с дочерней компанией указанной шведской фирмы.

В пленке, толщина которой меньше 0,1 мкм, образуются ориентированные диполи, которые служат запоминающими элементами, хранящими различ­ные двоичные данные при изменении знака поляризации. Расположенные в полимерной пленке запоминающие элементы размещаются между двумя взаимно перпендикулярными металлическими дорожками, на которые по­даются определенные напряжения (рис. 4.51). Индивидуальные биты акти­визируются возбуждением словарной и разрядной линий, на пересечении которых они находятся. Наличие созданных диполей себя проявляет, и на­бор чувствительных усилителей в разрядных линиях воспринимает значения битов данных.

ЗУ типа PFRAM отличаются крайне простыми запоминающими элементами — в них вообще нет транзисторов, не говоря уже о более сложных элементах. Для изготовления матрицы запоминающих элементов нужны лишь три шаб­лона (современные ЗУ требуют разработки и использования 20—30 шаб лонов). Запоминающие элементы очень компактны, их площадь приблизи­тельно в 20 раз меньше, чем у флэш-памяти. Показанный на рисунке "сэндвич" может служить частью многослойной конструкции, в которой по­добные "сэндвичи" собираются в "этажерку" (стек). В таких стеках можно хранить очень большой объем данных. Технология изготовления ЗУ проста и хорошо сочетается со стандартными процессами изготовления интеграль­ных схем. Обеспечивается очень малая стоимость/бит. При хранении дан­ных не требуются какие-либо затраты мощности. Считывание может быть как разрушающим, так и неразрушающим.



Рис. 4.51. Схематическая конструкция полимерно-ферроэлектрического ЗУ

Процессы записи и чтения идентичны по быстродействию — и тот, и другой занимают приблизительно по 50 мкс. Эта цифра исключает какой-либо разговор о быстродействии, она на три порядка превышает времена доступа обычных DRAM. Поэтому PFRAM перспективны не в качестве ОЗУ, а для замены дисковой памяти. Подсчитано, что плата PFRAM-памяти размером с кредитную карту по информационной емкости будет эквивалентна 400 ты­сячам CD.

Имеются сообщения о возможности существенного повышения быстродей­ствия PFRAM при новых методах обработки полимерной пленки. Предпо­лагается, что массовое производство PFRAM начнется приблизительно че­рез 5 лет.

ЗУ типа MRAM (магниторезистивные)

В ЗУ типа MRAM (Magnetoresistive RAM) битам двоичных данных соответ­ствуют участки намагниченности, создаваемые в материалах, обладающих остаточной намагниченностью. Участки с остаточной намагниченностью

образуют "микромагнитики", положение полюсов которых задается при за-писч информации. Магнитные ЗУ обладают естественной энергонезависи­мостью. Магнитные поля отдельных магнитиков обнаруживаются располо­женными у их краев элементами с магниторезистивными свойствами, электрическое сопротивление которых зависит от магнитного поля, окру­жающего эти элементы. Чтение при этом не является разрушающим.

Для создания MRAM можно использовать два типа эффектов — так назы­ваемый гигантский магниторезистивный эффект (Giant Magnetic-resistive Effect) или туннелирование носителей заряда через тонкий слой, управляемое магнитным полем (в ЗУ типа MTJ, Magnetic Tunnel Junction). В последнее время почти все разработчики предпочли второе направление, на котором мы и остановимся.

Конструкция запоминающего элемента типа MTJ включает в себя два фер­ромагнитных слоя, разделенных тонким слоем диэлектрика, действующим как туннельный барьер (рис. 4.52). Электрическое сопротивление такого элемента зависит от создаваемого в тонком слое магнитного поля. Поле за­висит от окружающих диэлектрик двух ферромагнитных слоев — если их магнитные моменты параллельны, то сопротивление элемента MTJ мини­мально, если антипараллельны, то максимально. Чтение осуществляется из­мерением туннельного тока между магнитными слоями. В этой конструкции разница между сопротивлениями элементов, находящихся в состояниях 0 и 1, достигает 50%.



Рис. 4.52. Схематическая конструкция запоминающего элемента типа MTJ

Современные разработки MRAM характеризуются параметрами, приведенны­ми в конце этого параграфа. Они еще далеки от теоретически достижимых, уровень которых очень высок: время записи 2,3 не, т. е. на три порядка мень­ше, чем у флэш-памяти, время считывания 3 не, т. е. приблизительно в 20 раз меньше, чем у современных DRAM, число циклов практически неограничено (превышает 1015), потребляемая мощность на порядки меньше, чем у DRAM Микросхемы обладают повышенной радиационной стойкостью.

Фирма Motorola в 2002 г. продемонстрировала MRAM емкостью 1 Мбит (при топологической норме 0,6 мкм). К 2004 г. этой фирмой ожидаются MRAM емкостью 32 Мбит или более. К этому же году намерена выпустить прототипные кристаллы MRAM и фирма Intel.

ЗУтипаОиМ (с использованием фазовых переходов вещества) ЗУ типа OUM (Ovonyx Unified Memory, по названию фирмы Ovonyx) по­строены на основе физических эффектов, которые уже использовались в памяти на компакт-дисках. В OUM эти же эффекты применены для реали­заций памяти по интегральной технологии. Как и в дисках CD и DVD с перезаписью данных, в памяти OUM применены халкогенидные сплавы. Хал-когенид — сплав GeSbTe, который может иметь кристаллическое проводя­щее или аморфное непроводящее состояния. Эти состояния материал может сохранять, а выявлять их можно измерением сопротивления запоминающего элемента. Состояния "кристаллическое—аморфное" взаимно обратимы, их изменения происходят быстро. В конструкции запоминающего элемента (рис. 4.53) небольшой объем халкогенида играет роль резистора с програм­мируемым сопротивлением при динамическом диапазоне между значениями низкого и высокого сопротивлений около 100.

Фазовое состояние халкогенида программируется пропусканием через эле­мент импульсов тока, имеющих разные параметры. Управление током про­изводится с помощью МОП-транзистора. Чтение бита осуществляется путем измерения сопротивления элемента. При записи программируемый матери­ал нагревается до температуры, превышающей точку плавления, и затем бы­стро охлаждается, что вызывает его переход в аморфное состояние. В кри­сталлическое состояние элемент переводится нагреванием до температуры ниже точки плавления с последующей выдержкой в ней в течение 50 не. В элементе памяти с халкогенидом можно программировать сопротивление не только для двух его значений (максимального и минимального), но и для промежуточных, а это означает принципиальную возможность использовать в памяти многоуровневые сигналы и, следовательно, хранить в одном эле­менте более одного бита данных.

Запоминающие элементы OUM просты по конструкции, потребляют малую мощность, энергонезависимы, имеют неразрушающее чтение, допускают Д° 1012 циклов записи/стирания. Особо можно отметить предполагаемую высо­кую надежность памяти OUM, что существенно для военной и аэрокосмИ'

ческой аппаратуры. Фирма Ovonics совместно с фирмой Intel разработала тестовый кристалл памяти OUM с топологической нормой 0,18 мкм.



Рис. 4.53. Конструкция и схема запоминающего элемента памяти OUM


32. Программируемые логические матрицы.

Программируемые логические матрицы появились в середине 70-х годов. Основой их служит последовательность программируемых матриц элементов И и ИЛИ. В структуру входят также блоки входных и выходных буферных каскадов (БВх и БВых). Входные буферы, если не выполняют более сложных действий, преобразуют однофазные входные сигналы в парафазные и формируют сигналы необхо­димой мощности для питания матрицы элементов И. Выходные буферы обеспечивают необходимую нагрузочную способность выходов, разрешают или запрещают выход ПЛМ на внешние шины с по­мощью сигнала ОЕ, а иногда выполняют и более сложные действия. Основными параметрами ПЛМ (рис. 7.1) являются число входов т, число тер­мов I и число выходов п.



Переменные xj...xm подаются через БВх на входы элементов И (конъюнкторов), и в матрице И образуются £ термов. Под термом здесь понимается конъюнкция, связывающая входные переменные, представлен­ные в прямой или инверсной форме. Число формируемых термов равно числу конъюнкторов или, что то же самое, числу выходов матрицы И.

Термы подаются далее на входы матрицы ИЛИ, т. е. на входы дизъюнкто-ров, формирующих выходные функции. Число дизъюнкторов равно числу вырабатываемых функций п.

Таким образом, ПЛМ реализует дизъюнктивную нормальную форму (ДНФ) воспроизводимых функций (двухуровневую логику). ПЛМ способна реализо­вать систему п логических функций от т аргументов, содержащую не более £ термов. Воспроизводимые функции являются комбинациями из любого числа термов, формируемых матрицей И. Какие именно термы будут выра­ботаны и какие комбинации этих термов составят выходные функции, опре­деляется программированием ПЛМ.


33. Программируемая матричная логика.

Одно из важных применений БИС программируемой логики — замена ИС малого и среднего уровня интеграции при реализации так называемой про­извольной логики. В этих применениях логическая мощность ПЛМ зачас­тую используется неполно. Это проявляется, в частности, при воспроизве­дении типичных для практики систем переключательных функций, не имеющих больших пересечений друг с другом по одинаковым термам. В та­ких случаях возможность использования выходов любых конъюнкторов лю­быми дизъюнкторами (как предусмотрено в ПЛМ) становится излишним усложнением. Отказ от этой возможности означает отказ от программирова­ния матрицы ИЛИ и приводит к структуре ПМЛ (PAL, GAL).

В ПМЛ (рис. 7.10) выходы элементов И (выходы первой матрицы) жестко распределены между элементами ИЛИ (входами матрицы ИЛИ). В показан­ной ПМЛ m входов, п выходов и 4п элементов И, поскольку каждому эле­менту ИЛИ придается по четыре конъюнктора.

В сравнении с ПЛМ схемы ПМЛ имеют меньшую функциональную гибкость, т. к. в них матрица ИЛИ фиксирована, но их изготовление и использование проще. Преимущества ПМЛ особенно проявляются при проектировании не­сложных устройств.

Подготовка задач к решению на ПМЛ имеет много общего с подходом к решению задач на ПЛМ, но есть и различия. Для ПМЛ важно уменьшить число элементов И для каждого выхода, но если для ПЛМ стремятся искать представление функции с наибольшим числом общих термов, то для ПМЛ это не требуется, поскольку элементы И фиксированы по своим выходам и не могут быть использованы другими выходами (т. е. для других функций).



1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Похожие:

1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconЗазнаев О. И. Вторая молодость «долгожителя»: концепт «политический институт» в современной науке Раздел Теоретические проблемы политологии
Институты – это конструкции, созданные человеческим сознанием. Но даже самые убежденные представители неоклассической школы признают...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconЛекция: Адресация операндов Основная функция любого процессора, ради которой он и создается, это выполнение команд. Система команд, выполняемых процессором,
Система команд, выполняемых процессором, представляет собой нечто подобное таблице истинности логических элементов или таблице режимов...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconЛекция: природный фактор
В конечном счете все, чем обладает современный человек, кроме знаний и информации, сделано из природного материала, пусть и преобразованного....
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconПрограмма «Credo Топополан» программа создания цифровой модели местности и выпуска топографических плАнов
Назначение: создание цифровой модели местности инженерного назначения, выпуск планшетов и чертежей топографических планов
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconМежсистемные взаимодействия в сложных информационных структурах создания рэс
Показаны преобразования модели при изменении параметров изделия в ходе жизненного цикла и результаты применения подобных методик...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconОпределение параметров модели процесса миграции радионуклидов в почве
Предлагается методика экспериментального определения параметров модели процесса миграции радионуклидов в почве
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconУтренняя гимнастика
Основные движения бег и подскоки обязательно включаются в утреннюю гимнастику, они усиливают деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим icon1 00 книг, без которых нельзя прожить
В конечном счете, качество выигрывает. Хотя люди и скупали "Код да Винчи" миллионными тиражами, но в опросе о любимых книгах британцев...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconПятая международная конференция
Законы преобразования информации: Общая теория информации и интеллект. (Yi-Xin Zhong, Китай)
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconРекомендации участникам олимпиады по истории основные подходы к проведению Олимпиады по истории
Особо выделим цель – отбор учащихся-победителей для создания ими портфолио успешности ученика и, в конечном счете, формирования льготных...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница