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原创 DRAM基本单元最为通俗易懂的图文解说

2017-7-2 23:11 1610 0 分类: 消费电子

本文要点提示:

1. DRAM 的工作原理图文解说,包括读写以及存储;

2. 揭秘DRAM便宜但SRAM贵之谜。


学DRAM这块内容比较久了,尤其之前跟着一个精通内存的同事(后来跳到了三星)学到了一些。也做了很多笔记,试着用自己认为通俗系统的图片和文字来解说,DRAM一个基本单元的工作原理。

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DRAM(Dynamic Random Access Memory),即动态随机存储器,最常见的应用场景是电脑和手机的内存,是目前的电路系统中不可或缺的重要组成部分,本文会细致且较为形象的说明DRAM存储数据以及读取数据的全过程。

1. 单管构成的DRAM最小单元

单管DRAM是目前大容量存储器唯一的选择方案。电路构成上包括一个读写开关管和一个存储电容器,如下图所示。利用存储电容器存储数据,如果存储电容器上存有电荷,则表示存储单元存储1,否则存储O。

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首先,要知道两个前提:其一,施加到存储电容上的电压为1/2的电源电压(Vcc/2);其二,由于电子是带负电荷,因此,电子越多处电势就越低。为了便于理清概念,我们把水库顶部电势定为0V,水库底部的电势定为Vcc。

存储单元的三个基本操作

三个基本操作分别是存储资料,写入资料以及读取资料三种。同样,便于理解,将这三种过程用水库存储放掉水来类比,稍微形象一些。

存储资料

资料存储的示意图如下所示,也就是当水库闸门关闭时(行地址线路Vth=0V),水库中的水无法流出,上游的水也无法流入,存储在水库中的水位保持不变,因此可以实现存储资料的目的。水位的高低就用高低电平来表示。

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写入资料

资料的写入可以分为写入“0”的情形和写入“1”的情形两种。以写入0的情形来说明。

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具体顺序是:首先,由于之前可能有资料,水库中可能是满水或者缺水空水的的状态。然后,将上游水道(列地址选路)中水位上升到满水,相当于低电位状态(列地址线路Vcc=0V)。最后,利用行地址线路控制(Vth=高电平)将上游水闸门打开,由于上游水道(列地址线路Vcc=0V)水位全满为高水位状态,因此根据水库中水位状态,会将水池填满,使得水库变为高水位(低电平状态0)。

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类比,货物过运河水闸的情形也非常容易理解,大家自行脑补。

读取资料

DRAM存储单元中读取资料时,一般使用的列地址选路1/2VCC预充电技术。以读取0为例。

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首先,水库中水位全满(电位0V),水道中水位先预设在2.5V;然后,打开水闸,也就是行地址线路为高电平,使得水库中的水回流到水道(列地址线路)中,由于水库中水量很小,因此只能使得水道中水位微幅上升。当感应放大器检测到水道的水位产生delta的变化时,就可以辨别出水库(电容)中资料为0。

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其中,水位的变化为:delta=5/2(1+Cb/Cs),水道(列地址线路)的电容量大于水库(行地址线路)的容量。具体过程远比这复杂,但是通过这种类比可以了解到工作原理,够用了。

哦,对了,差了忘记了,如果没有外界水道中的水来补充水库,那么水库中的水位由于蒸发、渗透,水量会慢慢减少,最后干涸。因此,原理图中电容也是一样,需要隔一段时间检测刷新,充电,这就是动态的根本原因。


2. SRAM贵、DRAM便宜之谜及差异对比

大家都知道,SRAM很贵,而DRAM相对便宜,所以DRAM得到了更大范围更大规模以及容量的应用。为什么价格差异这么大呢?

(1)SRAM速度快但面积大,因此相对DRAM集成度低,功耗大,但速度快,同面积上可以制造很多DRAM但是只能有很少SRAM。所以注定SRAM不可以大容量储存,所以价格更贵;

(2)SRAM晶体管很多,发热量大,也限制大面积。而DRAM则需要不停地刷新电路,否则内部的数据将会消失。同时,不停刷新电路的功耗是很高的,在我们的PC待机时消耗的电量有很大一部分都来自于对内存的刷新。

同时,早期还有一种DRAM的结构,大概如下图所示,如有兴趣可以试图考虑对比两种DRAM最小结构的优缺点。

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