00集成電路科學(xué)與工程導(dǎo)論（第2版）第八章

先進(jìn)存儲器技術(shù)打孔紙帶存儲器發(fā)展歷程：最早期1880年代穿紙打孔Frombaidu存儲器發(fā)展歷程：次早期90年代初中期汞延遲線，1949

射線電子管，1946-1960，可以存儲4K數(shù)據(jù)，長25厘米存儲器發(fā)展歷程：中期，50-70年代MITWhirlwindCoreMemory磁芯1950年磁鼓，IBM存儲器發(fā)展歷程：70年代IBMCardCapacitorROSIBMBalancedCapacitorROS電容盒式錄音磁帶1963，飛利浦一盒磁帶約1M存儲器發(fā)展歷程：1970-2000年代光盤軟盤1972,飛利浦，存儲器發(fā)展歷程：現(xiàn)代半導(dǎo)體存儲器MITWhirlwindCoreMemoryDRAM硬盤2007年諾貝爾物理學(xué)獎中國朗科科技成曉華專利（知識產(chǎn)權(quán)）非常非常重要硬盤的發(fā)展，與對日常生活的影響硬盤容量從1990-2000翻了1000倍，奠定了互聯(lián)網(wǎng)時代所以，互聯(lián)網(wǎng)時代的根基其實(shí)是微電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展從容量和價(jià)格看存儲器的發(fā)展注：只考慮外部存儲器，片上存儲器未包括進(jìn)來2020年，>1T,~0.6元/GBFrombaidu現(xiàn)代存儲器分類半導(dǎo)體存儲器RAMROM靜態(tài)RAM（SRAM）動態(tài)RAM（DRAM）掩膜型ROM可編程ROM（PROM）可擦除可編程ROM（EPROM）電可擦除可編程ROM（EEPROM）快速擦除讀寫存儲器（Flashmemory）只讀存儲器只讀存儲器

(Read-Only

Memory，簡稱：ROM)。ROM所存數(shù)據(jù)，一般是裝入整機(jī)前事先寫好的，整機(jī)工作過程中只能讀出，而不像隨機(jī)存儲器那樣能快速地、方便地加以改寫。ROM所存數(shù)據(jù)穩(wěn)定

，斷電后數(shù)據(jù)也不會改變；常用于存儲各種固定程序和系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

不可編程只讀存儲器（ROM）；生產(chǎn)后數(shù)據(jù)就固定，不可更改可編程只讀存儲器（Programmable

ROM，簡稱：PROM）；一般可編程一次，不可逆可擦可編程只讀存儲器（Erasable

Programmable

ReadOnlyMemory，簡稱：EPROM）；通常通過紫外線可多次編程電可擦可編程只讀存儲器（Electrically

Erasable

ProgrammableRead-Only

Memory，簡稱：EEPROM）；電可多次編程不可編程只讀存儲器（ROM）在制造過程中，將數(shù)據(jù)以一特制光罩（mask）燒錄于線路中，其資料內(nèi)容在寫入后就不能更改。典型產(chǎn)品是掩膜ROM。目前較少使用。From

baidu不可編程只讀存儲器（ROM）電腦主板上固化的一個基本輸入/輸出系統(tǒng)，稱為BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)），早期電腦的BIOS就是存儲在ROM里。其主要作用是完成對系統(tǒng)的加電自檢、系統(tǒng)中各功能模塊的初始化、系統(tǒng)的基本輸入/輸出的驅(qū)動程序及引導(dǎo)操作系統(tǒng)CD-ROMDVD-ROM一次可編程只讀存儲器（PROM）典型產(chǎn)品是“熔絲結(jié)構(gòu)”與“PN結(jié)型結(jié)構(gòu)”，可一次編程，通常芯片生產(chǎn)后，所有單元都是數(shù)據(jù)“1”，然后在使用過程中通過熔斷熔絲來得到數(shù)據(jù)“0”；可通過紫外線、或者大電流熔斷，不可恢復(fù)；目前較少使用。熔絲可擦可編程只讀存儲器（EPROM）可用戶根據(jù)需要來寫入，并通常能通過紫外線等把已寫入的內(nèi)容擦去后再改寫，即是一種多次改寫的ROM；目前也較少使用。EPROM通常用紫外線擦除，它的信息擦除是整個芯片的擦除電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）可用戶根據(jù)需要來寫入，并能通過電流電壓把已寫入的內(nèi)容擦去后再改寫，即是一種多次改寫的ROM;

目前使用比較多；EEPROM與EPROM結(jié)構(gòu)差不多，只是訪存晶體管不太一樣，可以支持電流來進(jìn)行編程與擦除目前電腦主板上BIOS

ROM芯片以及手機(jī)內(nèi)置ROM大部分都采用EEPROM問題1：既然EEPROM也可以編程，那跟RAM有什么區(qū)別？問題2：手機(jī)刷機(jī)時為什么通常提示要接電源，且不能斷電？ROM與RAM的性能對比

ROMRAM讀取√√寫入╳√易失性斷電后數(shù)據(jù)不丟失斷電后數(shù)據(jù)丟失數(shù)據(jù)類型程序、常數(shù)、表格臨時數(shù)據(jù)、中間計(jì)算結(jié)果ROM與RAM的對比存儲器通用知識點(diǎn)：存儲容量與結(jié)構(gòu)19存儲容量：位(bit)，字節(jié)(byte)，千字節(jié)(Kbyte)，兆字節(jié)(Mbyte)，吉字節(jié)(Gbyte)，太字節(jié)(Tbyte)；字0字1字2字N-2字N-1存儲單元M

位MN個字S0S1S2SN-2A0A1AK-1K=log2NSN-1S0輸入/輸出字?jǐn)?shù)目==N選擇信號數(shù)目譯碼器減少了地址位的數(shù)目NxM線性結(jié)構(gòu)含地址譯碼器結(jié)構(gòu)字0字1字2字N-2字N-1

位存儲單元輸入/輸出地址譯碼器存儲器通用知識點(diǎn)：基本結(jié)構(gòu)20陣列結(jié)構(gòu)行地址選擇某一行進(jìn)行讀/寫操作，列地址選取進(jìn)行讀/寫的字單元。行地址選擇信號列地址選擇信號采用行譯碼器和列譯碼器的二維譯碼結(jié)構(gòu)可減小譯碼器的規(guī)模，兩個譯碼器交叉譯碼選中某存儲單元存儲器基本結(jié)構(gòu)：使能信號尋址方式存儲器基本結(jié)構(gòu)：層次化23層次化結(jié)構(gòu)使各存儲塊內(nèi)部的字線和位線保持在一定長度范圍內(nèi)，提高存取速度；塊地址用于選中唯一存儲塊進(jìn)行讀寫操作，未被選中的塊將被置于省電模式，節(jié)省了整個存儲器的功耗。存儲器體系架構(gòu)寄存器堆（Register）高速緩存（Cache）SRAM主存儲器(MainMemory）DRAM外存儲器(HDDStorage)NANDFlash快慢小大容量速度CPU內(nèi)核SRAM存儲陣列SRAM讀取N3N1VDDQ=0Q=1WLP2N4BLBLBVDDVDDVDDSRAM寫入BLBN3N1VDDQ=0Q=1WLP2N4BLVDDDRAM

數(shù)據(jù)輸入/輸出線刷新放大器列選擇信號TCT2T1行選擇信號DRAM內(nèi)部構(gòu)造DRAM技術(shù)發(fā)展史SDRAM技術(shù)發(fā)展史表8.2SDRAM相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比類型發(fā)布時間內(nèi)部時鐘頻率（MHz）數(shù)據(jù)傳輸速率電壓（V）預(yù)取數(shù)據(jù)存儲容量SDRAM1993100-150100-150Mbps3.31n--DDR2000100-200200-400Mbps2.5/2.62n256Mb-1GbDDR22003100-266400-1066Mbps1.84n512Mb-4GbDDR32007133-3001066.2400Mbps1.35/1.58n1Gb-8GbDDR42014133-3002133-4800Mbps1.28n2Gb-16GbDDR52019133-2004266.6400Mbps1.18/16n8Gb-64GbHBM220161000-12002-2.4Gbps1.25/1.3516n8GbGDDR52012625-10005-8Gbps1.35/1.58n4Gb-8GbGDDR62016100016Gbps1.3516n8Gb-32GbHMC與HBM技術(shù)DRAM按照應(yīng)用來分類DDR(雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器)DRAM數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)為什么叫雙倍速率？掩膜式ROM存儲陣列Flash與MOSFET單元對比F/GGDSnnpBFlash

cellGDSnnpBMOSFETCharge

storageFlash存儲單元NANDflashNORflashNAND與NOR單元對比兩種寫入機(jī)制Hot

Electron

InjectionFowler-Nordheim

TunnelingProgram

in

NOR

Flash

Impact

ionization

at

drain

sideProgram/Erase

in

NAND

Flash

Erase

in

NOR

Flash黃定律Hwang’s

lawThedensity

ofthe

top-of-the-line

flash

memory

chips

willdouble

every

12

months40ICE3028:

Embedded

Systems

Design

|

Spring

2016

|

Jin-SooKim

(jinsookim@skku.edu)Flash的數(shù)據(jù)寫入、擦除和讀取四種不同的數(shù)據(jù)存儲格式SLC、MLC、TLC和QLC四種不同的存儲單元所能存儲的數(shù)據(jù)位數(shù)多種Flash存儲單元性能對比

讀取時間存儲密度耐久性應(yīng)用場景SLC25μs1bit/cell100,000+工業(yè)級MLC50μs2bits/cell10,000商業(yè)級TLC75μs3bits/cell3,000消費(fèi)級/商業(yè)級QLC100μs4bits/cell1,000消費(fèi)級/商業(yè)級3DNANDFlash主要生產(chǎn)廠商的技術(shù)路線圖存儲器產(chǎn)業(yè)簡介新型非易失性存儲器vs傳統(tǒng)存儲器半導(dǎo)體存儲器與新型非易失性存儲器性能參數(shù)對比

半導(dǎo)體存儲器新型非易失性存儲器性能參數(shù)SRAMDRAMFlash（NOR）Flash（NAND）FeRAMPCMRRAMSTT-MRAM非易失性NONOYesYesYesYesYesYes存儲單元/F250-1206.1010515-346.126.106.20讀取時間/ns1-10030105020-8020-5010-502-20寫入時間/ns1-1001510001ms5060-12010-502-20耐久性101610161051051012108108>1015動態(tài)功耗低低非常高非常高低高低低靜態(tài)功耗漏電流更新電流無無無無無無操作電壓/VNo36.816.202-31.5-31.5-3<1.5MRAMMRAM技術(shù)演進(jìn)路徑上電極阻變材料下電極電流電壓開關(guān)限流限流電流電壓開關(guān)限流開關(guān)RRAMPCMFeFET存算一體、存內(nèi)計(jì)算、內(nèi)存計(jì)算存算一體架構(gòu)的目標(biāo)（舉例）存算一體架構(gòu)微處理器緩存輸入輸出閃存內(nèi)存I/O緩存神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器傳感器傳統(tǒng)架構(gòu)微處理器緩存 I/O存算一體閃存?zhèn)鞲衅鱒S1、網(wǎng)絡(luò)權(quán)重?cái)?shù)據(jù)直接存儲在閃存中，不需要片外存儲；2、計(jì)算直接通過閃存完成，節(jié)省數(shù)據(jù)I/O延時與功耗；存算一體

in

Flash/ReRAM歐姆定律+基爾霍夫定律I1=V1/R1I2=V2/R21a??=

I

xjwi,????Wi,

jWi,

jWi,

jWi,

jWi,

j存算一體

in Flash/ReRAM32×32×3

RGB

65@

28×28

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10×10

feature

maps120@

5×5

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