A célula de memória é a unidade fundamental da memória de computador. A célula de memória é um dispositivo, como um circuito eletrônico, que armazena um bit de informação binária e deve ser definida para armazenar um nível lógico 1 (nível de voltagem alto) e reiniciada para armazenar um nível lógico 0 (nível de voltagem baixo). Seu valor é mantido/armazenado até que seja alterado pelo processo de set/reset. O valor na célula de memória pode ser acessado através da leitura.

Ao longo da história da computação, diferentes arquiteturas de células de memória foram utilizadas, incluindo memória de núcleo, memória twistor, e memória de bolha. Hoje, a arquitetura de célula de memória mais comum é a memória MOS, que consiste em células de memória de metal–óxido–semicondutor (MOS). A memória de acesso aleatório (RAM) moderna usa transistores de efeito de campo MOS (MOSFETs) como flip-flops, juntamente com capacitores MOS para certos tipos de RAM.

A célula de memória SRAM (RAM estática) é um tipo de circuito flip-flop, normalmente implementado usando MOSFETs. Estes requerem baixíssima potência para manter o valor armazenado quando não estão sendo acessados. Um segundo tipo, DRAM (RAM dinâmica), é baseado em capacitores MOS. Carregar e descarregar um capacitor pode armazenar um '1' ou um '0' na célula. No entanto, como a carga no capacitor se dissipa lentamente, ela deve ser atualizada (refresh) periodicamente. Devido a esse processo de atualização, a DRAM consome mais energia, mas pode atingir densidades de armazenamento mais altas.

A maioria das memórias não voláteis (NVM), por outro lado, é baseada em arquiteturas de células de memória de porta flutuante. Tecnologias de memória não volátil como EPROM, EEPROM e memória flash utilizam células de memória de porta flutuante, que dependem de transistores MOSFET de porta flutuante.

Descrição A célula de memória é o bloco de construção fundamental da memória. Ela pode ser implementada usando diferentes tecnologias, como bipolar, MOS e outros dispositivos semicondutores. Também pode ser construída a partir de material magnético, como núcleos de ferrite ou bolhas magnéticas. Independentemente da tecnologia de implementação usada, o propósito da célula de memória binária é sempre o mesmo. Ela armazena um bit de informação binária que pode ser acessado lendo a célula e deve ser definida para armazenar um 1 e reiniciada para armazenar um 0.

Significância

Circuitos lógicos sem células de memória são chamados de combinacionais, o que significa que a saída depende apenas da entrada presente.

Mas a memória é um elemento fundamental dos sistemas digitais. Nos computadores, ela permite armazenar tanto programas quanto dados, e as células de memória também são usadas para o armazenamento temporário da saída de circuitos combinacionais para serem usadas posteriormente por sistemas digitais.

Circuitos lógicos que usam células de memória são chamados de circuitos sequenciais, o que significa que a saída depende não apenas da entrada presente, mas também do histórico de entradas passadas. Essa dependência do histórico de entradas passadas torna esses circuitos com estado (stateful) e são as células de memória que armazenam esse estado. Esses circuitos requerem um gerador de temporização ou clock para sua operação.

A memória de computador usada na maioria dos sistemas de computação contemporâneos é construída principalmente de células DRAM; como o layout é muito menor que o da SRAM, ela pode ser compactada de forma mais densa, resultando em memória mais barata com maior capacidade. Como a célula de memória DRAM armazena seu valor como a carga de um capacitor, e existem problemas de fuga de corrente, seu valor deve ser constantemente reescrito. Esta é uma das razões que tornam as células DRAM mais lentas que as células SRAM (RAM estática) maiores, que têm seu valor sempre disponível. É por isso que a memória SRAM é usada para cache no chip incluído em chips de microprocessador modernos.

História

Em 11 de dezembro de 1946, Freddie Williams solicitou uma patente para seu dispositivo de armazenamento em tubo de raios catódicos (CRT) (Tubo de Williams) com 128 palavras de 40 bits. Estava operacional em 1947 e é considerado a primeira implementação prática de memória de acesso aleatório (RAM). Naquele ano, os primeiros pedidos de patente para memória de núcleo magnético foram depositados por Frederick Viehe. A memória prática de núcleo magnético foi desenvolvida por An Wang em 1948, e aprimorada por Jay Forrester e Jan A. Rajchman no início da década de 1950, antes de ser comercializada com o computador Whirlwind I em 1953. Ken Olsen também contribuiu para seu desenvolvimento.

A memória semicondutora começou no início da década de 1960 com células de memória bipolares, feitas de transistores bipolares. Embora tenha melhorado o desempenho, não pôde competir com o preço mais baixo da memória de núcleo magnético.

Células de memória MOS

Em 1957, Frosch e Derick conseguiram fabricar os primeiros transistores de efeito de campo de dióxido de silício no Bell Labs, os primeiros transistores nos quais o dreno e a fonte eram adjacentes na superfície. Subsequentemente, uma equipe demonstrou um MOSFET funcional no Bell Labs em 1960. A invenção do MOSFET permitiu o uso prático de transistores de metal–óxido–semicondutor (MOS) como elementos de armazenamento de células de memória, uma função anteriormente servida por núcleos magnéticos.

As primeiras células de memória modernas foram introduzidas em 1964, quando John Schmidt projetou a primeira memória de acesso aleatório estática (SRAM) MOS de canal p (PMOS) de 64 bits.

A SRAM normalmente possui células de seis transistores, enquanto a DRAM (memória de acesso aleatório dinâmica) normalmente possui células de um único transistor. Em 1965, a calculadora eletrônica Toscal BC-1411 da Toshiba usou uma forma de DRAM bipolar capacitiva, armazenando dados de 180 bits em células de memória discretas, consistindo de transistores bipolares de germânio e capacitores. A tecnologia MOS é a base para a DRAM moderna. Em 1966, Robert H. Dennard no IBM Thomas J. Watson Research Center estava trabalhando em memória MOS. Ao examinar as características da tecnologia MOS, ele descobriu que ela era capaz de construir capacitores, e que armazenar ou não uma carga no capacitor MOS poderia representar o 1 e 0 de um bit, enquanto o transistor MOS poderia controlar a escrita da carga no capacitor. Isso levou ao desenvolvimento de uma célula de memória DRAM de um único transistor. Em 1967, Dennard entrou com um pedido de patente para uma célula de memória DRAM de um único transistor, baseada na tecnologia MOS.

A primeira SRAM bipolar comercial de 64 bits foi lançada pela Intel em 1969 com o 3101 Schottky TTL. Um ano depois, lançou o primeiro chip de circuito integrado DRAM, o Intel 1103, baseado na tecnologia MOS. Em 1972, ele bateu recordes anteriores em vendas de memória semicondutora. Os chips DRAM durante o início da década de 1970 tinham células de três transistores, antes que as células de um único transistor se tornassem o padrão desde meados da década de 1970.

A memória CMOS foi comercializada pela RCA, que lançou um chip de memória SRAM CMOS de 288 bits em 1968. A memória CMOS era inicialmente mais lenta que a memória NMOS, que era mais amplamente usada por computadores na década de 1970. Em 1978, a Hitachi introduziu o processo CMOS de poço duplo, com seu chip de memória HM6147 (SRAM de 4kb), fabricado com um Processo de 3 μm. O chip HM6147 foi capaz de igualar o desempenho do chip de memória NMOS mais rápido da época, enquanto o HM6147 também consumia significativamente menos energia. Com desempenho comparável e muito menos consumo de energia, o processo CMOS de poço duplo acabou superando o NMOS como o processo de fabricação de semicondutores mais comum para memória de computador na década de 1980.

Os dois tipos mais comuns de células de memória DRAM desde a década de 1980 têm sido as células de capacitor de trincheira (trench) e as células de capacitor empilhado (stacked). Células de capacitor de trincheira são onde furos (trincheiras) são feitos em um substrato de silício, cujas paredes laterais são usadas como uma célula de memória, enquanto células de capacitor empilhado são a forma mais antiga de memória tridimensional (memória 3D), onde as células de memória são empilhadas verticalmente em uma estrutura de célula tridimensional. Ambas estrearam em 1984, quando a Hitachi introduziu a memória de capacitor de trincheira e a Fujitsu introduziu a memória de capacitor empilhado.

Células de memória MOS de porta flutuante

O MOSFET de porta flutuante (FGMOS) foi inventado por Dawon Kahng e Simon Sze no Bell Labs em 1967. Eles propuseram o conceito de células de memória de porta flutuante, usando transistores FGMOS, que poderiam ser usados para produzir ROM reprogramável (memória de apenas leitura). As células de memória de porta flutuante mais tarde se tornaram a base para tecnologias de memória não volátil (NVM), incluindo EPROM (ROM programável apagável), EEPROM (ROM programável apagável eletricamente) e memória flash.

A memória flash foi inventada por Fujio Masuoka na Toshiba em 1980. Masuoka e seus colegas apresentaram a invenção da Flash NOR em 1984, e depois a Flash NAND em 1987. A memória flash célula de multinível (MLC) foi introduzida pela NEC, que demonstrou células de nível quádruplo em um chip flash de 64Mb armazenando 2 bits por célula em 1996. A V-NAND 3D, onde as células de memória flash são empilhadas verticalmente usando a tecnologia 3D Flash de armadilha de carga (CTP), foi anunciada pela primeira vez pela Toshiba em 2007, e fabricada comercialmente pela primeira vez pela Samsung Electronics em 2013.

Implementação Os seguintes esquemas detalham as três implementações mais usadas para células de memória eletrônica: A célula de memória de acesso aleatório dinâmica (DRAM); A célula de memória de acesso aleatório estática (SRAM); Flip-flops como o J/K mostrado abaixo, usando apenas portas lógicas.

Operação

Célula de memória DRAM

Armazenamento O elemento de armazenamento da célula de memória DRAM é o capacitor rotulado (4) no diagrama acima. A carga armazenada no capacitor degrada-se com o tempo, por isso seu valor deve ser atualizado (refrescado) periodicamente. O transistor nMOS (3) atua como uma porta para permitir a leitura ou escrita quando aberto, ou o armazenamento quando fechado.

Leitura Para a leitura, a linha de palavra (word line) (2) aciona um 1 lógico (voltagem alta) na porta do transistor nMOS (3), o que o torna condutivo e a carga armazenada no capacitor (4) é então transferida para a linha de bit (bit line) (1). A linha de bit terá uma capacitância parasita (5) que drenará parte da carga e retardará o processo de leitura. A capacitância da linha de bit determinará o tamanho necessário do capacitor de armazenamento (4). É um compromisso (trade-off). Se o capacitor de armazenamento for muito pequeno, a voltagem da linha de bit levaria muito tempo para subir ou nem subiria acima do limiar necessário pelos amplificadores no final da linha de bit. Como o processo de leitura degrada a carga no capacitor de armazenamento (4), seu valor é reescrito após cada leitura.

Escrita O processo de escrita é o mais fácil; o valor desejado, 1 lógico (voltagem alta) ou 0 lógico (voltagem baixa), é direcionado para a linha de bit. A linha de palavra ativa o transistor nMOS (3), conectando-o ao capacitor de armazenamento (4). A única questão é mantê-lo aberto por tempo suficiente para garantir que o capacitor esteja totalmente carregado ou descarregado antes de desligar o transistor nMOS (3).

Célula de memória SRAM

Armazenamento