SRAM

SRAM (statická paměť, anglicky Static Random Access Memory) je v informatice označení polovodičové paměti typu RAM realizovanou bistabilním klopným obvodem. Označení statická se vztahuje k tomu, že SRAM nepotřebuje periodickou obnovu uložených dat (na rozdíl od paměti typu DRAM). SRAM je velmi rychlá, ale kvůli vyšší složitosti i drahá, a proto je v počítačích používána například jako hardwarová cache v mikroprocesoru (tj. její velikost je výrazně menší, než velikost operační paměti RAM).

Termín SRAM obvykle označuje volatilní paměť (po odpojení napájení zapomene svůj obsah). Paměť SRAM má v klidovém stavu velmi nízkou spotřebu, takže pokud potřebujeme nevolatilní RAM, lze toho dosáhnout malou pomocnou baterií, která napájí RAM po odpojení počítače od zdroje. Nevýhodou je, že baterii bývá nutné po několika letech vyměnit, zatímco životnost SRAM je mnohem delší. V současnosti (2016) již existují technologie pro nevolatilní RAM, ale zatím nejsou příliš rozšířené.

Charakteristika

Paměť SRAM je realizována jako bistabilní klopný obvod, který pro uchování 1 bitu informace potřebuje čtyři až šest tranzistorů (viz obrázky níže). Naproti tomu paměť DRAM využívá parazitní kapacity (kondenzátor) a pro uchování 1 bitu potřebuje jen jeden tranzistor, takže při stejné hustotě integrace má DRAM mnohem větší kapacitu než paměť typu SRAM. Proto je paměť SRAM dražší než DRAM.

Paměť typu SRAM (na rozdíl od paměti DRAM) nepotřebuje periodickou obnovu uložených dat, protože bistabilní klopný obvod při připojeném napájení udržuje svůj stav. Naopak u paměti DRAM se elektrický náboj uložený v kondenzátorech vybíjí svodovými proudy, a proto je obsah paměti DRAM nutné periodicky obnovovat. Při obnovování uložené informace není paměť typu DRAM dostupná, a proto je paměť typu SRAM rychlejší, než DRAM.

Paměť SRAM má v klidovém stavu menší spotřebu než DRAM (není potřeba obnovovat náboj v kondenzátorech).

Aplikace a použití
SRAM buňky na destičce v mikrokontroléru STM32F103VGT6, jak jsou vidět v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Vyrobil STMicroelectronics pomocí 180 nm procesu.
Stejný pohled na destičku 180 nm SRAM buňky v mikrokontroléru STM32F103VGT6, jak jsou vidět v optickém mikroskopu.

Na přiložených obrázcích je srovnání SRAM buňky při zobrazení pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu a optického mikroskopu.

Vlastnosti

SRAM je dražší a méně kompaktní než DRAM. Proto je SRAM používána v menších kapacitách (například hardwarová cache v mikroprocesoru), než DRAM (například hlavní paměti v osobních počítačích).

Taktovací frekvence a výkon

Spotřeba energie SRAM se velmi liší podle toho, jak často je přístupná. To může být stejně náročné jako u dynamické RAM, při použití na vysokých frekvencích a sdílení připojení k Internetu může spotřebovat mnoho wattů na plnou šířku pásma. Na druhou stranu, statické RAM používá poněkud pomalejší tempo, jako například v aplikacích s mírně taktovanými mikroprocesory, spotřebovává velmi málo energie a může mít téměř zanedbatelný výkon, když je v nečinnosti – v rozmezí několik mikrowattů. Bylo navrženo několik technik pro řízení spotřeby energie založené na SRAM paměti struktur.[1]

Statické RAM existuje především jako:

  • všeobecné výrobky
    • s asynchronním rozhraním, například všudypřítomné 28pinové 8×8 a 32×8 čipů
    • se synchronním rozhraním, obvykle používané pro cache a další aplikace vyžadující shlukové přenosy, a to až na 18 Mbit (256K×72)/čip
  • integrované čipy
    • RAM nebo vyrovnávací paměť v mikro-řadiči (obvykle kolem 32 bajtů až 128 KB)
    • primární cache a nejvýkonnější mikroprocesory, například rodina x86 a mnoho dalších (od 8 KB do mnoha MB)
    • pro uložení registrů a částí strojů, které se používají u některých mikroprocesorů (viz soubor registrů)
    • konkrétní aplikace integrovaných obvodů nebo zákazníckých obvodů (obvykle v řádu kilobajtů)
    • v programovatelných hradlových polích a CPLD

V počítačích

SRAM se také používá v osobních počítačích, pracovních stanicích, směrovačích a periferních zařízeních: soubory registrů v CPU, interní cache v CPU, externí SRAM cache, cache v pevném disku, paměť v routerech. Statickou paměť mohou používat i LCD obrazovky a počítačové tiskárny. Statická RAM byla použita pro hlavní paměť v některých prvních osobních počítačů jako ZX80, TRS-80 Model 100 a Commodore VIC-20.

Typy SRAM

Nevolatilní SRAM

Nevolatilní SRAM (nvSRAM) mají standardní funkce SRAM, ale uchovají obsažená data, když dojde ke ztrátě napájení, proto jsou používány pro uchovávání důležitých informací. nvSRAM jsou používány v celé řadě situací, například pro vytváření sítí, v letectví, lékařství a mnoha dalších, kde je uchování dat je zásadní a kde baterie jsou nepraktické.[2]

Podle typu tranzistoru

Podle typu
  • Asynchronní – existuje od dob procesoru Intel 80386 a stále se nachází v L2 cache mnoha počítačů. Nazývá se asynchronní, protože není synchronizována se systémovými hodinami, a proto mikroprocesor musí na data vyžádaná z paměti cache L2 čekat.
  • Synchronní – podobně jako SDRAM je synchronní SRAM synchronizována se systémovými hodinami, takže je s přístupovou dobou cca 8,5 ns rychlejší než asynchronní SRAM. Bohužel, synchronní SRAM se nevyrábí v dostatečně velkém množství, aby se snížila její cena a postrádá schopnost synchronizace se sběrnicí na frekvenci vyšší než 66 MHz.

Kolem roku 1990 byly asynchronní SRAM používány pro rychlý přístup. Asynchronní SRAM byly použity jako hlavní paměť pro malé cache vestavěných procesorů, které byly použity ve všem od průmyslové elektroniky, měřících systémů, pevných disků a síťových zařízení po mnoha další aplikace. V dnešní době synchronní SRAM (např. DDR SRAM) jsou spíše použity podobně jako synchronní DRAM (DDR SDRAM) a paměť slouží spíše jak asynchronní DRAM (dynamická paměť). Synchronní paměťové rozhraní má mnohem rychlejší přístupovou dobu, může být významně snížena tím, že zaměstná sběrnice architektury.

Podle funkce
  • ZBT (zkratka ze Zero Bus Turnaround) –

počet cyklů, které je zapotřebí čekat mezi přístupem pro čtení a zápis a naopak, je nulový. Tj. bezprostředně po čtecím cyklu může následovat zápisový a po něm opět okamžitě čtecí.

  • DDR SRAM – synchronní, jeden port pro čtení a zápis, dvojitá rychlost I/O
  • Quad Data Rate SRAM – synchronní, samostatné čtecí a zápisové porty, čtyřnásobná rychlost přenosu dat I/O

Flip-flop typ
  • Binární SRAM
  • Ternární SRAM

Design
Šestitranzistorová CMOS SRAM buňka.
Čtyřtranzistorová SRAM poskytuje výhody v hustotě na náklady na výrobní složitost. Rezistory musí mít malé rozměry a velké hodnoty.

Typická buňka SRAM je tvořena šesti Mosfety. Každý bit v paměti SRAM je uložen na čtyři tranzistory (M1, M2, M3, M4), kteří tvoří dvě křížové spojení měřiče. Tato skladovací buňka má dva stabilní stavy, které jsou použity k označení 0 a 1. Další dva přístupové tranzistory slouží k řízení přístupu k paměťové buňce během čtení a zápisu. Kromě tohoto typu SRAM jsou další druhy čipů SRAM například 4, 8, 10 (4T, 8T, 10T SRAM).[3][4][5] Čtyřtranzistorová SRAM je docela běžná v samostatných zařízeních SRAM (oproti SRAM používané pro CPU cache), realizované ve speciálních procesech s extra vrstvou polykrystalického křemíku, což umožňuje velmi vysokou hodnotu Pull up rezistoru.[6]. Obecně platí, že čím méně tranzistorů na buňku, tím menší každá buňka může být.

Paměťové buňky, které používají méně než čtyři tranzistory jsou možné – ale například 3T[7][8] nebo 1T buňky jsou DRAM, SRAM (dokonce i takzvané 1T-SRAM).

Přístup k buňce je povolen ve word line (WL na obrázku), který řídí dva přístupové tranzistory M5 a M6, které podle pořadí určí, zda by se buňka měla připojit k řádkům bitů: BL a BL. Používají se k přenosu dat pro operaci čtení a zápisu. I když to není nezbytně nutné mít dvě linky, signál a jeho inverze jsou obvykle poskytovány za účelem zlepšení hlukového rozpětí.

SRAM operace

SRAM buňka má tři různé stavy: úsporný režim (obvod je nečinný), čtení (data byla vyžádána) nebo psaní (aktualizace obsahu). SRAM pracující v režimu čtení a zápisu, režimy by měly mít "čitelnost" a "zápis stability".

Související články
  • DRAM, která také zahrnuje PSRAM (pseudo-statickou RAM)
  • Flash paměť
  • Tranzistor
  • Miniaturní karta, přerušení SRAM paměťové karty standardní

Externí odkazy

Reference
  1. A Survey of Architectural Techniques For Improving Cache Power Efficiency", S. Mittal, SUSCOM, 4(1), 33-43, 2014
  2. Computer organization.. 4th. vyd. [S.l.]: McGraw-Hill ISBN 0-07-114323-8. (anglicky)
  3. A 160 mV Robust Schmitt Trigger Based Subthreshold SRAM
  4. United States Patent 6975532: Quasi-static random access memory
  5. ietele.oxfordjournals.org [online]. [cit. 2016-05-24]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2008-12-05.
  6. PRESTON, Ronald P. The Design of High Performance Microprocessor Circuits. [s.l.]: IEEE Press, 2001. Kapitola 14: Register Files and Caches, s. 290. (anglicky)
  7. United States Patent 6975531: 6F2 3-transistor DRAM gain cell
  8. 3T-iRAM(r) Technology

Odkazy
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.