随机存取记忆体.doc

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1、隨機存取記憶體-DRAM及SRAM  吳幼麟ylwu買過個人電腦的人都知道有兩個重要的部分要加以考慮：一個是中央處理器(centralprocessingunit，簡稱為CPU)的速度，一個是主記憶體(mainmemory)的容量。中央處理器的速度決定了電腦運算數據及處理資訊的快慢，主記憶體的容量則決定了電腦可以儲存資訊的多寡，有些人可能還會去考慮伴隨中央處理器的快取記憶體(cachememory)的大小，這是因為快取記憶體是用來儲存一些經常使用到的資訊，把這些經常用到的資訊放在速度較快的快取記憶體中

2、可以使CPU很快的取得這些資訊，而不需要再到速較慢的主記憶體中去尋找，如此一來可使CPU處理的速度加快。基本上，快取記憶體與主記憶體在功能與結構並不相同，通常快取記憶體是使用所謂的靜態隨機存取記憶體(staticrandomaccessmemory,簡稱SRAM)，而主記憶體則是使用所謂的動態隨機存取記憶體(dynamicrandomaccessmemory,簡稱DRAM)。與DRAM相比較,SRAM具有較快的速度及較低的功率消耗，但是對相同的晶片面積而言它的密度較低且每一位元的價格較高。因此，SRA

3、M適合用於需要快速存取資料且資料量不大的場合，至於在必須儲存大量資訊時，使用DRAM可以較節省經費。是什麼造成DRAM與SRAM有如此的差別呢？這必須從它們的結構談起。我們先看一下半導體記憶器的基本構造，不論是SRAM或是DRAM都是由許許多多的儲存元(storagecell)所組成的，每一個儲存元中可以儲存一個位元(0或1)的資訊。每一個儲存元都被指定了一個位址(address)，我們可以藉著加在位址線上的位址A0A1…An來選取某一特定的儲存元，如下圖所示，圖中的SC即代表了儲存元。然後，我們可以

4、再利用電的信號來控制將資訊讀出或寫入該個被選取的儲存元。而DRAM及SRAM的最主要差別就在於它們使用了不同儲存元的結構。就SRAM而言，其儲存元基本上是利用兩個反相器(inverter)交錯相連所行成的正反器(flip-flop)電路所構成，如下圖所示。從上圖我們可以看出構成儲存元的兩個反相器的輸出分別是1及0，若是我們將反相器的輸入1,0對調，則輸出的1,0亦會對調，也就是說這個正反器可以儲存兩種不同的狀態：(1,0)或(0,1)。若是改以金屬氧化物半導體(metal-oxide-semicond

5、uctor)電晶體(也就是所謂的MOS電晶體)來構成這個正反器電路的話，可以得到下面的電路：這便是SRAM的儲存元。要注意的是，在上圖中Q1及Q2構成一個反相器，Q3及Q4則構成另一個反相器，Q5及Q6是用來控制資料的讀出或寫入。所以一個基本的SRAM儲存元至少需要六個MOS電晶體才能組成。SRAM中所儲存二進位元的資訊只要供應的電源沒有斷，儲存的資訊就會一直存在。若是將電源移掉，除非系統有備用的電池電源，否則儲存的資訊就會消失掉。DRAM的儲存資訊的方式卻完全與SRAM不相同，DRAM是利用一個電容

6、中電荷的儲存與否來代表二進位元的資訊1與0。由於電容製作的再好也仍然會有漏電電流的存在，所以，即使是供應的電源沒有中斷，在DRAM儲存元中的資訊(儲存的電荷)也會逐漸的漏失。為了防止這種儲存資訊的漏失，DRAM儲存元中所儲存的資訊必需每隔一段時間被讀取出來，然後再重新寫入原來的儲存元中，這個動作被稱作refresh。當然這個時間的間隔必須短於電容電荷漏失至不能辨認1,0所需的時間。所以在DRAM中必須提供一脈波來執行這個refresh的動作，這樣才能保持其所儲存資訊的正確。這也是為什麼DRAM被稱作動

7、態(dynamic)而SRAM被稱為靜態的原因。在早期DRAM的儲存元與SRAM類似必須使用數個電晶體來完成，但是從1973年起，單一電晶體的儲存元已成為DRAM儲存元的標準結構，請見下圖：其中電晶體的導通與否被用來控制電容的充放電。整個DRAM儲存元中最重要的部分在於儲存電容(storagecapacitance)，由於半導體製造技術的進步，採用堆疊式(stacked)的儲存電容或是垂直式的溝槽儲存電容(trenchcapacitor)已可使DRAM儲存元在晶片上所佔的體積極小，所以可以做到極高的密

8、度，也就是記憶體的容量可以做到非常的大。從前面的說明，我們當可以明瞭DRAM與SRAM間差異的原因了。由於DRAM儲存元只需要一個電晶體即可，而SRAM儲存元至少要六個電晶體，所以DRAM可有較高的密度(對同一個世代的積體電路製作技術而言，SRAM的密度約是DRAM的四分之一)，每個位元的成本也較低。但是DRAM是使用電容的充放電荷作為資訊的儲存，所以速度較慢而且需要refresh的電路來防止已儲存資訊的流失，故而DRAM消耗的功率會較SRAM為高。