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【Maker電子學】Flash 記憶體的原理與應用—PART4(NOR Flash的結構)

   
作者:Bird

上一回我們講了 NOR Flash Memory 發明的故事,以及在 Flash Memory 這個產業中至關重要的關鍵人物舛岡富士雄,也提到他與 Toshiba 的恩怨情仇。舛岡富士雄隨後也發明了現在更廣泛使用、密度更高的 NAND Flash。

不過,這一回我們要先來看看 NOR Flash 的結構與技術。

隨機存取記憶體 RAM

在 EEPROM 與 NOR Flash 剛發明的那個年代,另外一種記憶體—DRAM(dynamic RAM)也正蓬勃發展(DRAM 發明之前的主要記憶體技術是利用拴鎖(latch)電路構成的 SRAM(static RAM))。

SRAM 由於可以靠邏輯電路正反器的特性保持狀態,當它裡面一個 bit 被設定爲 0 或 1 時,只要電源持續存在,就可以保持這個狀態,不會改變,因此稱之爲「靜態」(static)的隨機存器記憶體(RAM),但構成一個正反器需要至少四個電晶體,再加上讀取和定址所需要的電路,SRAM 的一個 bit 至少需要 6 個電晶體,因此它的密度始終無法提高。

而 DRAM 則是利用電容器裡面的電荷來儲存狀態,每一個 bit 由一個電容器來代表內容,電容器裡的電荷有無就代表那個 bit 的值。但由於半導體製程的限制,晶片上的電容器容量無法做太大,絕緣也無法做太好,因此裡面的電荷會隨著時間而漸漸流失。爲了對抗這種現象,DRAM 在使用時需要定期「刷新」(refresh),利用刷新電路根據電容器裡原來的電荷狀態去幫它補充電荷。不同晶片所需要的刷新速度不一樣,DRAM 製造商都會告訴你該如何使用它。由於 DRAM 在使用時需要一直刷新,就算沒在存取它時也一樣,因此被稱爲「動態」(dynamic)的隨機存取記憶體。

一般 DRAM 裡的電容器可以保存資料的時間大概在數十到一百 ms 左右,換句話說你必須在它裡面的電荷消失之前就 refresh 一次。這麼短的時間聽起來好像很瞎,它的記憶力也太短了,怎麼能稱得上是記憶體,但即使對於 80 年代平均 clock 速度在幾 MHz 的微處理器來說,就算是 50 ms 也相當於 50000 個 clock cycle,其實已經是很長很長的時間了。時隔多年,對於現在動輒上 GHz 的處理器速度來說,能儲存資料幾十個 ms 已經像是一輩子那麼長了,因此 DRAM 仍然有它的實用性。

DRAM 的結構

DRAM 最大的優點是它的密度。DRAM 裡的一個 bit 只需要一個電容器加上一個讀取及寫入用的電晶體。

DRAM 的 bit 結構 (圖片來源:Bird 提供)

要讀取或寫入 bit 時,就用 word line 打開電晶體,這時 bit line 就會透過導通的 MOSFET 跟電容器相連。如果是讀取,就用電壓感測電路感應 MOSFET 上的電壓,就可以知道電容裡有沒有電荷,決定 bit 的狀態;如果是寫入,就可以透過 MOSFET 對電容器充電或放電,改變電容器裡的電荷狀態。

只要把這個電路照著 word line 和 bit line 的方向延伸,就可以變成一個記憶體陣列。

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Liang Bird

Author: Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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