Memoria semiconductoare a dispozitivelor electronice - totul despre RAM și ROM

Data publicării: 08-12-2023 Data actualizării: 24-04-2024

Comparând sofisticarea computerelor actuale cu primele unități produse, se poate spune că este vorba de o adevărată revoluție. Evoluțiile din lumea tehnologiei au făcut posibilă miniaturizarea unor dispozitive uriașe, multiplicând în același timp puterea de calcul. Revoluția tehnologică care a ajuns la computere a introdus o serie de schimbări de design, în timp ce elementele de bază responsabile pentru funcționarea corectă a acestora, în ciuda unui număr de îmbunătățiri, se găsesc încă în interiorul fiecărei unități, chiar și a celei mai discrete. Un exemplu sunt microcontrolerele, care nu se aseamănă deloc cu vechile calculatoare personale, dar sunt dotate atât cu un procesor responsabil cu procesarea proceselor desfășurate, cât și cu memorie RAM sau ROM. Toată lumea a auzit cu siguranță de memoria RAM, dar știm cu exactitate pentru ce este responsabilă? Și atunci ce este un ROM și care sunt diferențele dintre ele?

Diferențe între memoriile cu stare solidă
Tipuri de RAM
Tipuri de ROM
Utilizarea memoriilor cu semiconductori
Dezvoltarea și perspectivele memoriei

Memorii cu semiconductori

Există două tipuri de bază de memorie solidă. Este vorba despre:

Memorii RAM (Random Access Memory), care este memoria necesară pentru ca un computer să funcționeze corect Traducerea literală din limba engleză este memorie cu acces liber. După cum sugerează și numele, permite accesul liber la o celulă de memorie din zona de memorie adresabilă. Este utilizată pentru a stoca informații și date necesare pentru funcționarea tuturor tipurilor de aplicații și procese în curs de execuție. Resursele de memorie RAM sunt ocupate până când calculatorul este oprit. O întrerupere a alimentării determină apoi resetarea conținutului la zero, astfel încât, la repornirea dispozitivului, memoria RAM să aibă suficiente resurse pentru ca software-ul să funcționeze corect. O trăsătură caracteristică a memoriilor efemere este viteza mare, care permite stocarea chiar și a unor calcule foarte complexe.
Pamięć ROM (Read Only Memory) este o memorie care conține date permanente numai pentru citire. Sarcina sa principală este de a stoca informațiile necesare pentru a face să funcționeze computerul și de a stoca parametrii necesari sau setările de sistem ale dispozitivului. Oprirea dispozitivului nu afectează conținutul ROM-ului, astfel încât toate datele sensibile furnizate de producător sunt protejate împotriva ștergerii sau a erorilor nedorite. Memoria nevolatilă, deși mai lentă decât memoria efemeră discutată mai sus, va asigura stocarea în siguranță a datelor sensibile.

Tipuri de memorie efemeră

În structura lor cea mai simplă, memoriile RAM pot fi împărțite în următoarele două tipuri:

dRAM (dynamic RAM) se caracterizează prin capacitatea sa mare. O singură celulă de memorie cu stocare de sarcină este construită ca un ansamblu de două tranzistoare MOS care cooperează. Modelul său de aproximare este un condensator în care există un curent de scurgere, astfel încât sarcina electrică prezentă trebuie să fie ciclică. Memoria dRAM este o componentă foarte importantă a procesorului sau a plăcii grafice a unui calculator.
sRAM (static RAM) este construită din întreruperi statice. Datorită modului în care stochează datele, este mult mai rapidă decât dRAM, așa că este utilizată pentru a stoca în memoria cache datele procesorului sau ale hard disk-ului. Din cauza structurii complexe a tranzistorului său, are o capacitate mai mică decât memoria dinamică discutată mai jos. Totuși, acesta nu este sfârșitul diviziei. Odată cu dezvoltarea tehnologiei informatice, au început să apară și alte modificări ale RAM. De la dezvoltarea primului tip de memorie RAM și până în prezent, designul și capacitățile memoriei s-au schimbat dramatic. Prin urmare, merită să le enumerăm și să le descriem cel puțin pe scurt pe fiecare dintre ele:
FPM RAM (Fast Page Mode) - memoria RAM a fost dotată cu posibilitatea de a face referire mai rapid la înregistrările pe care le conține. Această procedură implică scrierea și citirea celulelor folosind o anumită coloană și omițând necesitatea de a se referi la rânduri individuale, ceea ce duce la o creștere a vitezei operațiunilor efectuate. Acest tip de memorie a fost utilizat în primele generații de procesoare.
EDO RAM (Extended Data Out) - această memorie poate fi tratată ca memorie RAM FPM cu performanțe mai mari. Diferența constă în faptul că, spre deosebire de predecesorul său, un nou proces de citire și/sau scriere poate avea loc în același timp cu procesul anterior. Se estimează că creșterea reală a performanțelor pentru EDO RAM a fost de 5%.
SDR SDRAM (Single Data Rate Synchronous dynamic RAM) - progresele înregistrate în dezvoltarea procesoarelor au influențat necesitatea de a modifica și îmbunătăți memoriile RAM utilizate până în prezent. O caracteristică distinctivă a SDRAM este modul său de funcționare sincron, care a eliminat necesitatea de a aștepta sincronizarea între memoria computerului și bus-ul acestuia. O astfel de soluție a contribuit la accelerarea sistemului, arătând în același timp calea de urmat pentru următoarea generație de memorie RAM.
DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) - după cum sugerează și numele, următorul pas a fost dublarea ratei de transfer de date a soluției SDRAM. Prin scăderea tensiunii de alimentare, a fost redus și consumul de energie. De la introducerea sa, memoria DDR a cunoscut cinci generații succesive, fiecare versiune succesivă fiind caracterizată de o frecvență de ceas tot mai mare, care are un impact direct asupra creșterii lățimii de bandă realizabile.

Tipuri de memorie nevolatilă

Există următoarele tipuri de memorie permanentă:

PROM (programmable ROM) este un tip de memorie care face obiectul unei umpleri de date o singură dată. Este utilizat în calculatoare pentru a stoca cele mai importante date de sistem necesare pentru funcționarea sistemului de operare. Datorită necesității de a preveni ștergerea nedorită și neașteptată a funcțiilor esențiale ale sistemului, producătorul face ca memoria să fie „blocată” în mod ireversibil în etapa de programare.
EPROM (erasable programmable ROM) este un tip distinctiv de memorie programabilă care permite ștergerea conținutului celulelor cu ajutorul unui programator PROM special care utilizează iradierea cu ultraviolete (UV). Razele de lumină ajung la celule după ce trec printr-o fereastră de cuarț special concepută. Începând cu EPROM, toate memoriile nevolatile enumerate mai jos au opțiunea de a umple spațiul golit cu date noi.
EEPROM (electrically erasable programmable ROM) similar cu memoria EPROM, vă permite să ștergeți datele programate. Diferența constă însă în modul în care se face acest tratament. În acest caz, curățarea memoriei se face în mod electric. Eliminarea ferestrei de cuarț din design a simplificat foarte mult procesul de curățare, a crescut fiabilitatea unității și a redus la minimum costul de producție. De asemenea, merită menționat faptul că datele pot fi șterse de mai multe ori (până la 100.000 de ori) și că pot fi șterse sectoare individuale sau întreaga memorie. Memoria EEPROM este utilizată, printre altele, în microcontrolere, de exemplu pentru a reține anumite valori ale parametrilor, necesare atunci când se pornește din nou curentul.
EEPROM FLASH este o versiune dezvoltată a EEPROM, pentru care o anumită zonă de memorie este ștearsă în același timp. Datorită procesului de ștergere incomparabil mai rapid (în loc de câte o celulă pe rând, ștergerea întregii zone), memoria flash a înlocuit ireversibil predecesorul său. De asemenea, împărțim memoria flash în două categorii de bază - NOR flash li NAND flash. Trebuie spus că ambele soluții au punctele lor forte și punctele slabe. Diferența care determină scopul unui anumit tip este dată de timpul de scriere și de citire, precum și de capacitate. Acest lucru se datorează faptului că memoria flash NOR scrie datele mult mai lent, dar fiabilitatea scrierii datelor este mult mai mare. În plus, este posibil să se aplice o metodă de corectare a oricăror erori la citirea conținutului memoriei NOR Flash. Pe de altă parte, ce pledează în favoarea celei din urmă opțiuni? Ei bine, se pare că durata de viață a memoriei NAND este mai mare, în timp ce costurile de producție sunt mai mici. Acest lucru face ca raportul dintre costuri și perioada de funcționare corectă să fie mult mai mic. În plus, viteza mai mare de gestionare a datelor deja menționată face ca această soluție să fie utilizată pe scară largă în toate tipurile de carduri de memorie, de exemplu.
PCM (phase-change memory) este o memorie cu schimbare de fază inovatoare care ar putea deveni un înlocuitor mult mai eficient pentru memoria flash. Principiul de bază al funcționării este tranziția de la o structură cristalină la una amorfă ca urmare a aplicării unei tensiuni electrice. Numărul semnificativ mai mare de cicluri de scriere, durata de viață extinsă și timpii de scriere și de citire care nu puteau fi atinși până acum (chiar și în jurul valorii de o microsecundă) fac ca memoria PCM să fie de neegalat. Merită menționat faptul că în ultima vreme s-au făcut progrese mari în ceea ce privește densitatea datelor. De fapt, până la trei biți de date au putut încăpea într-o singură celulă, ceea ce reprezintă un motiv de mare optimism. În prezent, se lucrează la reducerea costurilor de producție, ceea ce ar permite utilizarea pe scară largă a memoriei în dispozitive electronice și calculatoare.

O soluție interesantă este memoria FRAM (ferroelectric random-access memory), care folosea efectul feroelectric pentru a stoca date. Materialele cristaline adecvate se caracterizează prin capacitatea lor de a stoca polarizarea electrică chiar și după ce câmpul electric care a provocat-o a fost îndepărtat. Toate datele stocate sunt stocate ca polarizări de sarcină în rețeaua cristalină. O astfel de memorie permite viteze de scriere foarte mari, consumând în același timp puțină energie. Memoria are o durabilitate ridicată. Cu toate acestea, principalul dezavantaj este prețul ridicat.

Utilizarea memoriilor cu stare solidă

După cum s-a menționat în paragrafele de mai sus, memoriile flash cu semiconductori sunt utilizate pe scară largă în carduri de memorie,, unități USB și SSD-uri de mare viteză. RAM și ROM vor fi întâlnite în orice unitate de calculator responsabilă de orice proces. Este demn de remarcat faptul că microcontrolerele construite pe memorii semiconductoare sunt o parte integrantă și indispensabilă a sistemelor avansate de automatizare, a sistemelor complexe de control, a sistemelor de control și măsurare sau chiar a produselor electronice de consum. Memoria Flash este utilizată pentru implementarea codului de program, în timp ce unele soluții includ, de asemenea, o memorie EEPROM pentru a stoca informații suplimentare, cum ar fi setările de configurare.

Perspective de dezvoltare și memorie

Este important să ne dăm seama că, în prezent, toate dispozitivele electronice mai mult sau mai puțin avansate folosesc atât memoria RAM, cât și memoria ROM și că evoluțiile ulterioare contribuie la crearea unor sisteme de operare din ce în ce mai avansate din punct de vedere tehnologic. Memoriile evoluează, devenind mai rapide și mai încăpătoare și, prin urmare, capabile să proceseze volume mult mai mari de date. Pentru a ilustra viteza cu care are loc această transformare, merită menționat faptul că, în urmă cu doar doisprezece ani, primele computere apărute pe piața poloneză erau echipate cu câțiva megabytes de memorie RAM. În prezent, o memorie de ordinul a douăsprezece sau mai mulți gigaocteți este deja responsabilă pentru gestionarea procesoarelor avansate și a plăcilor grafice. În același timp, acestea devin din ce în ce mai ieftine, deoarece tehnologia utilizată pentru producerea acestor memorii permite reducerea costurilor de producție. Cu toate acestea, pentru a depăși limitele, producătorii de plăci grafice caută neîncetat soluții noi, mai eficiente, despre care sunt sigur că vom auzi cu toții în viitorul apropiat.

Transfer Multisort Elektronik (TME) este unul dintre cei mai mari distribuitori globali de componente electronice, piese electrotehnice, echipamente de atelier și automatizare industrială. Catalogul include peste 1.000.000 de produse de la 1.300 de producători de top. Centrele logistice moderne ale TME din Łódź și Rzgów (Polonia), cu o suprafață totală de peste 40.000 m², trimit zilnic aproape 5.500 de pachete către clienți din peste 150 de țări.

TME investește, de asemenea, în dezvoltarea cunoștințelor și abilităților tinerilor ingineri și pasionați de electronică prin proiectul TME Education și sprijină comunitatea tehnologică organizând seria de evenimente TechMasterEvent, promovând inovația și schimbul de experiență.