Cellule mémoire (informatique)

La cellule mémoire est l'élément fondamental de la mémoire d'un ordinateur . La cellule mémoire est un circuit électronique qui stocke un bit d'information binaire et doit être configurée pour stocker un 1 logique ( niveau de tension élevé ) et réinitialisée pour stocker un 0 logique (niveau de tension faible). Sa valeur est conservée/stockée jusqu'à ce qu'elle soit modifiée par le processus de configuration/réinitialisation. La valeur de la cellule mémoire est accessible en la lisant.

Au cours de l' de l'informatique , différentes architectures de cellules mémoire ont été utilisées, notamment la mémoire centrale et la mémoire à bulles . Aujourd'hui est la mémoire MOS , qui se compose de cellules mémoire métal-oxyde-semiconducteur (MOS). La mémoire vive (RAM) moderne utilise des transistors à effet de champ MOS (MOSFET) comme bascules, ainsi que des condensateurs MOS pour certains types de RAM.

La cellule mémoire SRAM ( static RAM ) est un type de circuit à bascule , généralement implémenté à l'aide de MOSFET. Ceux-ci nécessitent une très faible puissance pour conserver la valeur stockée lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Un deuxième type, la DRAM ( dynamic RAM ), est basé sur des condensateurs MOS. La charge et la décharge d'un condensateur peuvent stocker soit un « 1 » soit un « 0 » dans la cellule. Cependant, comme la charge du condensateur se dissipe lentement, il doit être rafraîchi périodiquement. En raison de ce processus de rafraîchissement, la DRAM consomme plus d'énergie, mais elle peut atteindre des densités de stockage plus élevées.

La plupart des mémoires non volatiles (NVM), en revanche, sont basées sur des architectures de cellules mémoire à grille flottante . Les technologies de mémoire non volatile telles que l'EPROM , l'EEPROM et la mémoire flash utilisent des cellules mémoire à grille flottante, qui reposent sur des transistors MOSFET à grille flottante .

La cellule mémoire est l'élément fondamental de la mémoire. Elle peut être mise en œuvre à l'aide de différentes technologies, telles que les dispositifs bipolaires , MOS et autres semi-conducteurs . Elle peut également être construite à partir de matériaux magnétiques tels que des noyaux de ferrite ou des bulles magnétiques. Quelle que soit la technologie de mise en œuvre utilisée, l'objectif de la cellule mémoire binaire est toujours le même. Elle stocke un bit d'informations binaires auquel on peut accéder en lisant la cellule et elle doit être configurée pour stocker un 1 et réinitialisée pour stocker un 0.

Les circuits logiques sans cellules de mémoire sont appelés combinatoires , ce qui signifie que la sortie dépend uniquement de l'entrée actuelle. Mais la mémoire est un élément clé des systèmes numériques . Dans les ordinateurs, elle permet de stocker à la fois des programmes et des données et les cellules de mémoire sont également utilisées pour le stockage temporaire de la sortie des circuits combinatoires pour être utilisées ultérieurement par les systèmes numériques. Les circuits logiques qui utilisent des cellules de mémoire sont appelés circuits séquentiels , ce qui signifie que la sortie dépend non seulement de l'entrée actuelle, mais aussi de l'historique des entrées passées. Cette dépendance à l'historique des entrées passées rend ces circuits avec état et ce sont les cellules de mémoire qui stockent cet état. Ces circuits nécessitent un générateur de temporisation ou une horloge pour leur fonctionnement.

La mémoire informatique utilisée dans la plupart des systèmes informatiques contemporains est principalement constituée de cellules DRAM. Étant donné que la disposition est beaucoup plus petite que celle de la SRAM, elle peut être plus dense, ce qui permet d'obtenir une mémoire moins chère avec une plus grande capacité. Étant donné que la cellule de mémoire DRAM stocke sa valeur sous forme de charge d'un condensateur et qu'il existe des problèmes de fuite de courant, sa valeur doit être constamment réécrite. C'est l'une des raisons pour lesquelles les cellules DRAM sont plus lentes que les cellules SRAM (RAM statique) plus grandes, dont la valeur est toujours disponible. C'est la raison pour laquelle la mémoire SRAM est utilisée pour le cache sur puce inclus dans les puces de microprocesseur modernes .

Le 11 décembre 1946, Freddie Williams a déposé un brevet pour son tube cathodique ( tube Williams ) avec 128 mots de 40 bits . Il est devenu opérationnel en 1947 et est considéré comme la première mise en œuvre pratique de la mémoire vive (RAM). Cette année-là, les premières demandes de brevet pour la mémoire à noyau magnétique ont été déposées par Frederick Viehe. La ​​mémoire à noyau magnétique pratique a été développée par An Wang en 1948, et améliorée par Jay Forrester et Jan A. Rajchman au début des années 1950, avant d'être commercialisée avec l' ordinateur Whirlwind en 1953. Ken Olsen a également contribué à son développement.

La mémoire à semi-conducteurs a fait ses débuts au début des années 1960 avec des cellules de mémoire bipolaires, constituées de transistors bipolaires . Bien qu'elle ait amélioré les performances, elle ne pouvait pas rivaliser avec le prix inférieur de la mémoire à noyau magnétique.

En 1957, Frosch et Derick ont ​​pu fabriquer les premiers transistors à effet de champ en dioxyde de silicium aux Bell Labs, les premiers transistors dans lesquels le drain et la source étaient adjacents à la surface. MOSFET fonctionnel aux Bell Labs en 1960. L'invention du MOSFET a permis l'utilisation pratique des transistors métal-oxyde-semiconducteur (MOS) comme éléments de stockage de cellules mémoire, une fonction auparavant assurée par des noyaux magnétiques .

Les premières cellules de mémoire modernes ont été introduites en 1964, lorsque John Schmidt a conçu la première mémoire vive statique (SRAM) MOS à canal P ( PMOS ) de 64 bits .

La SRAM possède généralement des cellules à six transistors , tandis que la DRAM (mémoire vive dynamique) possède généralement des cellules à un seul transistor. En 1965, la calculatrice électronique Toscal BC-1411 de Toshiba utilisait une forme de DRAM bipolaire capacitive, stockant des données de 180 bits sur des cellules de mémoire discrètes, constituées de transistors bipolaires au germanium et de condensateurs. La technologie MOS est la base de la DRAM moderne. En 1966, Robert H. Dennard du centre de recherche IBM Thomas J. Watson travaillait sur la mémoire MOS. En examinant les caractéristiques de la technologie MOS, il a découvert qu'elle était capable de construire des condensateurs et que le stockage d'une charge ou d'aucune charge sur le condensateur MOS pouvait représenter le 1 et le 0 d'un bit, tandis que le transistor MOS pouvait contrôler l'écriture de la charge sur le condensateur. Cela l'a conduit au développement d'une cellule de mémoire DRAM à un seul transistor. En 1967, Dennard a déposé un brevet pour une cellule mémoire DRAM à transistor unique, basée sur la technologie MOS.

La première SRAM bipolaire commerciale de 64 bits a été commercialisée par Intel en 1969 avec la 3101 Schottky TTL . Un an plus tard, elle a sorti la première puce de circuit intégré DRAM , l' Intel 1103 , basée sur la technologie MOS. En 1972, elle a battu les records précédents en matière de ventes de mémoires à semi-conducteurs . Les puces DRAM du début des années 1970 avaient des cellules à trois transistors, avant que les cellules à un seul transistor ne deviennent la norme depuis le milieu des années 1970.

La mémoire CMOS a été commercialisée par RCA , qui a lancé une puce de mémoire SRAM CMOS 288 bits en 1968. La mémoire CMOS était initialement plus lente que la mémoire NMOS , qui était plus largement utilisée par les ordinateurs dans les années 1970. En 1978, Hitachi a introduit le processus CMOS à double puits, avec sa puce mémoire HM6147 (SRAM 4 kb), fabriquée avec un processus de 3 μm . La puce HM6147 était capable d'égaler les performances de la puce mémoire NMOS la plus rapide de l'époque, tandis que la HM6147 consommait également beaucoup moins d'énergie. Avec des performances comparables et une consommation d'énergie bien inférieure, le processus CMOS à double puits a finalement dépassé le NMOS comme le processus de fabrication de semi-conducteurs le plus courant pour la mémoire informatique dans les années 1980.

Les deux types de cellules de mémoire DRAM les plus courants depuis les années 1980 sont les cellules à condensateurs à tranchées et les cellules à condensateurs empilés. Les cellules à condensateurs à tranchées sont des cellules dans lesquelles des trous (tranchées) sont réalisés dans un substrat de silicium, dont les parois latérales sont utilisées comme cellule de mémoire, tandis que les cellules à condensateurs empilés sont la première forme de mémoire tridimensionnelle (mémoire 3D), où les cellules de mémoire sont empilées verticalement dans une structure cellulaire tridimensionnelle. Les deux ont fait leurs débuts en 1984, lorsque Hitachi a introduit la mémoire à condensateurs à tranchées et Fujitsu a introduit la mémoire à condensateurs empilés.

Le MOSFET à grille flottante (FGMOS) a été inventé par Dawon Kahng et Simon Sze aux Bell Labs en 1967. Ils ont proposé le concept de cellules de mémoire à grille flottante, utilisant des transistors FGMOS, qui pourraient être utilisés pour produire une ROM reprogrammable (mémoire morte). Les cellules de mémoire à grille flottante sont devenues plus tard la base des technologies de mémoire non volatile (NVM), notamment l'EPROM (ROM programmable effaçable), l'EEPROM (ROM programmable effaçable électriquement) et la mémoire flash .

La mémoire flash a été inventée par Fujio Masuoka chez Toshiba en 1980. Masuoka et ses collègues ont présenté l'invention de la mémoire flash NOR en 1984, puis de la mémoire flash NAND en 1987. à cellules multiniveaux (MLC) a été introduite par NEC , qui a présenté des cellules à quatre niveaux dans une puce flash de 64 Mo stockant 2 bits par cellule en 1996. La V-NAND 3D , où les cellules de mémoire flash sont empilées verticalement à l'aide de la technologie flash à piège de charge 3D (CTP), a été annoncée pour la première fois par Toshiba en 2007, et fabriquée commercialement pour la première fois par Samsung Electronics en 2013.

Les schémas suivants détaillent les trois implémentations les plus utilisées pour les cellules mémoire :

• La cellule de mémoire vive dynamique (DRAM) ;
• La cellule de mémoire vive statique (SRAM) ;
• Bascules comme le J/K illustré ci-dessous, utilisant uniquement des portes logiques .

L'élément de stockage de la cellule mémoire DRAM est le condensateur étiqueté (4) dans le schéma ci-dessus. La charge stockée dans le condensateur se dégrade au fil du temps, sa valeur doit donc être rafraîchie (lue et réécrite) périodiquement. Le transistor nMOS (3) agit comme une porte pour permettre la lecture ou l'écriture lorsqu'il est ouvert ou le stockage lorsqu'il est fermé.

Pour lire la ligne de mots (2), un 1 logique (tension élevée) est introduit dans la grille du transistor nMOS (3) qui le rend conducteur et la charge stockée dans le condensateur (4) est ensuite transférée vers la ligne de bits (1). La ligne de bits aura une capacité parasite (5) qui drainera une partie de la charge et ralentira le processus de lecture. La capacité de la ligne de bits déterminera la taille nécessaire du condensateur de stockage (4). C'est un compromis. Si le condensateur de stockage est trop petit, la tension de la ligne de bits mettra trop de temps à augmenter ou même pas à dépasser le seuil requis par les amplificateurs à l'extrémité de la ligne de bits. Étant donné que le processus de lecture dégrade la charge dans le condensateur de stockage (4), sa valeur est réécrite après chaque lecture.

Le processus d'écriture est le plus simple, la valeur logique souhaitée 1 (haute tension) ou logique 0 (basse tension) est introduite dans la ligne de bits. La ligne de mots active le transistor nMOS (3) en le connectant au condensateur de stockage (4). Le seul problème est de le maintenir ouvert suffisamment longtemps pour s'assurer que le condensateur est complètement chargé ou déchargé avant d'éteindre le transistor nMOS (3).

Le principe de fonctionnement d' une cellule de mémoire SRAM peut être plus facile à comprendre si les transistors M1 à M4 sont dessinés comme des portes logiques . De cette façon, il est clair qu'à son cœur, le stockage de la cellule est construit en utilisant deux inverseurs couplés en croix . Cette boucle simple crée un circuit bistable. Un 1 logique à l'entrée du premier inverseur se transforme en 0 à sa sortie, et il est envoyé dans le deuxième inverseur qui transforme ce 0 logique en 1 logique renvoyant la même valeur à l'entrée du premier inverseur. Cela crée un état stable qui ne change pas au fil du temps. De même, l'autre état stable du circuit est d'avoir un 0 logique à l'entrée du premier inverseur. Après avoir été inversé deux fois, il renverra également la même valeur.

Il n'y a donc que deux états stables dans lesquels le circuit peut se trouver :

Pour lire le contenu de la cellule mémoire stockée dans la boucle, les transistors M5 et M6 doivent être activés. Lorsqu'ils reçoivent une tension sur leurs grilles depuis la ligne de mots ( ), ils deviennent conducteurs et ainsi les valeurs et sont transmises à la ligne de bits ( ) et à son complément ( ). Enfin, ces valeurs sont amplifiées à l'extrémité des lignes de bits.

Le processus d'écriture est similaire, la différence est que maintenant la nouvelle valeur qui sera stockée dans la cellule mémoire est dirigée vers la ligne de bits ( ) et celle inversée vers son complément ( ). Ensuite, les transistors M5 et M6 sont ouverts en dirigeant un 1 logique (tension élevée) vers la ligne de mots ( ). Cela connecte efficacement les lignes de bits à la boucle inverseuse stable. Il y a deux cas possibles :

1. Si la valeur de la boucle est la même que la nouvelle valeur pilotée, il n'y a aucun changement ;
2. si la valeur de la boucle est différente de la nouvelle valeur pilotée, il y a deux valeurs contradictoires, pour que la tension dans les lignes de bits écrase la sortie des inverseurs, la taille des transistors M5 et M6 doit être plus grande que celle des transistors M1-M4. Cela permet à plus de courant de circuler à travers les premiers et donc de faire pencher la tension dans le sens de la nouvelle valeur, à un moment donné la boucle amplifiera alors cette valeur intermédiaire jusqu'au rail complet.

La bascule a de nombreuses implémentations différentes, son élément de stockage est généralement un verrou composé d'une boucle de porte NAND ou d'une boucle de porte NOR avec des portes supplémentaires utilisées pour implémenter la synchronisation. Sa valeur est toujours disponible pour la lecture en tant que sortie. La valeur reste stockée jusqu'à ce qu'elle soit modifiée via le processus de réglage ou de réinitialisation. Les bascules sont généralement implémentées à l'aide de MOSFET .

Les cellules de mémoire à grille flottante , basées sur des MOSFET à grille flottante , sont utilisées pour la plupart des technologies de mémoire non volatile (NVM), y compris l'EPROM , l'EEPROM et la mémoire flash . Selon R. Bez et A. Pirovano :

Une cellule de mémoire à grille flottante est essentiellement un transistor MOS avec une grille entièrement entourée de diélectriques (Fig. 1.2), la grille flottante (FG), et régie électriquement par une grille de commande à couplage capacitif (CG). Étant électriquement isolée, la FG agit comme l'électrode de stockage pour le dispositif de cellule. La charge injectée dans la FG y est maintenue, ce qui permet de moduler la tension de seuil « apparente » (c'est-à-dire VT vue depuis la CG) du transistor de la cellule.