Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/NCR/D19791011Elc043.shtml

Динамическое ЗУ с расширенными функциональными возможностями в 4-контактном корпусе

УДК 681.327.2.025 + 681.327.67

Дон Лоффер (Don Lauffer)
Фирма NCR Corp. (Сан-Диего, шт.Калифорния)

Don Lauffer. A smart dynamic memory needs only four pins, pp.144—150.

Описана новая организация динамических ЗУПВ и ПЗС ЗУ, ориентированная на создание систем памяти с блочной выборкой, которая позволяет успешно монтировать кристаллы памяти в корпусе всего с 4 выводами. Применение таких ЗУ, в которых предусмотрено временное разделение всех управляющих функций и последовательный ввод адресов и ввод/вывод данных, обеспечивает многократное повышение плотности упаковки систем памяти и существенное снижение удельной стоимости памяти на системном уровне.

В области, координатами которой служат стоимость и рабочие характеристики, имеется незаполненный промежуток между ЗУ на магнитных дисках и полупроводниковыми ЗУ с произвольной выборкой. За его заполнение в настоящее время идет конкурентная борьба между ЦМД ЗУ и ЗУ на ПЗС. Однако для этой цели могут успешно служить и полупроводниковые ЗУ — как ПЗС, так и динамические ЗУПВ, — если использовать в них новую архитектуру прибора: придать кристаллу памяти определенные «интеллектуальные» способности.

Применение подобных приборов позволит существенно сократить удельную стоимость (в пересчете на бит) современных ЗУПВ на системном уровне почти без ухудшения их рабочих характеристик. Более того, их будет достаточно легко модернизировать, так как их применение позволит обойти многие существующие проблемы разводки выводов и разрядной организации, свойственные современным кристаллам памяти.

Разделенные во времени функции

Такая память должна содержать на схемном кристалле электронные схемы, обеспечивающие разделение во времени ее функций с их вводом-выводом через намного меньшее количество внешних выводов корпуса. Необходимые для этого дополнительные схемы удивительно просты и почти не требуют увеличения площади кристалла, так как в таком ЗУ исключаются около дюжины контактных площадок и связанных с ними формировательных схем, имеющихся в обычных приборах памяти. В данной статье рассматривается применение такого подхода для построения гипотетического ЗУ с блочной выборкой с всего четырьмя внешними выводами (см. «Достоинства и области применения ЗУПВ с блочной выборкой»).

Снижение стоимости ЗУ благодаря уменьшению количества выводов корпуса достигается уже не впервые. Переход от 22-контактных к 16-контактным корпусам в производстве динамических ЗУПВ емкостью 4К позволил почти вдвое повысить плотность упаковки на системном уровне. Повышение плотности упаковки позволило соответственно снизить и удельную стоимость памяти на уровне систем благодаря уменьшению площади печатных плат, количества периферийных схем и потребляемой мощности (см. «Зависимость удельной стоимости памяти от применяемых корпусов»). Но намного более существенного снижения удельной стоимости на системном уровне можно добиться, если в рамках данного подхода перейти от приборов в 16-контактных корпусах к приборам в 4-контактных корпусах. Действительно, благодаря восьмикратному повышению плотности упаковки памяти на системном уровне при замене 16-контактных ЗУ 4-контактными соответствующее снижение стоимости на системном уровне достигает 50%.

Практически доступное минимальное количество выводов корпуса для прибора памяти с блочной выборкой равно четырем: источник питания (V), земля (G), тактирование или синхронизация (S) и функция ввода-вывода (F). (Возможное, но менее практичное решение — это два вывода; при этом сигналы питания и потенциал земли генерируются внутри самого кристалла путем выпрямления сигналов S и F.)

Функциональная разводка выводов типового 16-контактного прибора памяти показана на рис.1. На периферии этой памяти изображены четыре прямоугольника, в которых сгруппированы функции, нуждающиеся в таком разделении во времени, при котором выводы F, S, V и G 4-контактного ЗУ обеспечивали бы выполнение всех необходимых операций.

Расширив «интеллектуальные способности» динамического ЗУ, можно смонтировать его в корпус с всего че-рырьмя выводами. Помимо вывода питания (V) и земл
Рис.1. Расширив «интеллектуальные способности» динамического ЗУ, можно смонтировать его в корпус с всего че-рырьмя выводами. Помимо вывода питания (V) и земли (G) для его работы требуется еще вывод синхронизации (S), на который будет подаваться тактовый сигнал и сигнал выбора кристалла, и вывод функции (F), через который в последовательном коде будут вводиться адреса и вводиться и выводиться данное.

Наилучшей иллюстрацией того, какие типы схем необходимы для этого, будет анализ типового применения такого 4-контактного ЗУ. Матрица из 16 4-контактных приборов памяти должна быть скоммутирована на печатной плате так, как это изображено на рис.2. (Для простоты шины, соединяющие контакты V и G отдельных приборов, не показаны.) Если считать рассматриваемые в примере 4-контактные кристаллы памяти приборами емкостью 64К*1 бит, то показанная система представляет собой устройство памяти емкостью 256К 4-бит слов. Новая архитектура становится еще более привлекательной, если каждый из 16 4-контактных кристаллов смонтирован в миниатюрном корпусе с однорядным расположением выводов, благодаря чему все они занимают на печатной плате столько же места, сколько два 16-контактных корпуса с двухрядным расположением выводов (типа DIP).

Применение 4-контактных ЗУ значительно упростит топологию плат памяти. Идущие в вертикальном направлении шины F объединяют блоки одноразрядной памяти
Рис.2 Применение 4-контактных ЗУ значительно упростит топологию плат памяти. Идущие в вертикальном направлении шины F объединяют блоки одноразрядной памяти в слова, а горизонтальные шины S обеспечивают выбор кристаллов для выборки этих слов. Для простоты шины питания V и G на рисунке не показаны.

Контакты F всех приборов в каждом столбце объединены электрически, что позволяет осуществлять ввод-вывод 256К однобитовых слов через общие входной (DI) и выходной (DO) формирователи. Точно так же объединены все контакты S в каждой строке, что обеспечивает подачу сигнала выбора кристалла и тактовых сигналов на 4 из 16 кристаллов памяти для формирования 4-бит слов. Более того, такой принцип построения чрезвычайно удобен для интеграции на уровне пластин, так как организация на пластине системы межсоединений для матрицы таких 4-выводных кристаллов — дело столь же простое. Действительно, четыре прибора емкостью 256К каждый можно выполнить в виде единого блока, получив кристалл суммарной емкостью 1 Мбит, содержащий 256К 4-бит слов, и при этом весь такой кристалл можно смонтировать в корпус с всего семью контактами (три дополнительных контакта нужны для параллельного ввода-вывода 4-разрядного слова). Очевидно, что каждый 4-контактный кристалл памяти должен иметь свои собственные средства для извлечения сигналов выбора кристалла (CS) и тактовых сигналов (0) со своего входа S и для выполнения ввода адреса, сигналов управления считыванием/записью и вводом-выводом данного с входа F.

Функции контакта S

Так как матрица памяти рассматриваемого ЗУ является динамической и выполнена либо на однотранзисторных элементах ЗУПВ, либо на ПЗС-элементах, то для каждого такого элемента требуется регенерация, т.е. непрерывное тактирование, с помощью которого хранимое в нем данное усиливается и восстанавливается до полного уровня напряжения, соответствующего хранимому логическому уровню. В современных ПЗС ЗУ для выполнения циклического сдвига содержимого памяти на 1 бит обычно требуется от двух до четырех тактовых импульсов. Подобно этому, схема, непосредственно связанная с входом S кристалла, должна при поступлении синхронизирующего импульса вырабатывать все различные тактовые импульсы, необходимые для циклического сдвига содержимого памяти на 1 бит.

Кроме того, должны быть предусмотрены средства, которые бы позволяли выбирать и переводить в невыбранное состояние кристалл памяти с помощью того же самого импульса синхронизации. Наиболее практичным методом выбора кристалла представляется метод модуляции длительности импульса синхронизации, хотя для данной цели в принципе можно использовать и другие методы, например метод амплитудной модуляции.

Дискриминаторная схема должна генерировать сигнал выбора кристалла (CS) только в том случае, когда длительность импульса синхронизации превышает, например, задержку сигнала в цепочке инверторов; если длительность импульса синхронизации меньше этой задержки, то сигнал CS не формируется. Следовательно, если необходимо только регенерировать содержимое прибора, а ввод или вывод данного через контакт F не требуется, то на контакт S можно подавать короткие импульсы синхронизации (длительностью примерно 60 нс). В случае выбора кристалла импульсы синхронизации должны быть более длительными (около 160 нс).

На рис.3 показана блок-схема рассматриваемого прибора памяти, содержащая все те интерфейсные электронные блоки, которые необходимы для возможности монтажа кристалла памяти в 4-контактный корпус. Интересно отметить, что сама матрица памяти в этой блок-схеме может быть успешно выполнена на запоминающих элементах любого типа и с любой плотностью упаковки — это может быть ПЗС ЗУ, ЗУПВ, ПЗУ и т.д.

Может показаться, что в 4-контактном ЗУ используется слишком много дополнительных интерфейсных схем, однако фактически увеличение площади кристалла ок
Рис.3. Может показаться, что в 4-контактном ЗУ используется слишком много дополнительных интерфейсных схем, однако фактически увеличение площади кристалла оказывается совсем небольшим. Причина в том, что в таком ЗУ исключается примерно дюжина контактных площадок и соответствующих формировательных схем, которые есть в обычных ЗУ.

Функции контакта F

Вход F кристалла представляет собой одноразрядную двунаправленную шину с тремя состояниями. Эта шина будет находиться в состоянии с высоким импедансом в тех случаях, когда ЗУ получает данное и когда оно находится в невыбранном состоянии. При выводе данного шина будет управляться внутренними схемами прибора памяти. Управление вводом-выводом осуществляется с помощью внешних сигналов, поступающих на контакт F в определенном стандартном формате, и с помощью соответствующих внутренних схем, выполняющих функции управления вводом-выводом. На рис.4,а показана временная диаграмма сигналов в соответствии с предлагаемым форматом. Для работы кристалла памяти должны быть предусмотрены и реализованы три основных режима: регенерация, считывание и запись.

При регенерации на контакт S подается короткий импульс, при этом шина F находится в состоянии с высоким импедансом. Для считывания (а) на контакт S по
Рис.4. При регенерации на контакт S подается короткий импульс, при этом шина F находится в состоянии с высоким импедансом. Для считывания (а) на контакт S подается длинный импульс, а на входе F перед этим устанавливается логическая 1. Для записи (б) на входе F устанавливается логический 0. В обоих случаях адреса и данные передаются в последовательном коде через контакт F. Данная схема управления ЗУ позволяет реализовать цикл считывание — модификация — запись (в).

В режиме регенерации на контакт S подаются короткие импульсы синхронизации и кристалл остается в невыбранном состоянии. При этом происходит регенерация содержимого кристалла памяти синхронно с поступающей на него серией импульсов. В этом режиме работы контакт F находится в состоянии с высоким импедансом. Для выполнения операции считывания на контакт F непосредственно перед подачей длинного импульса синхронизации, выбирающего кристалл, задается уровень логической 1. Затем на контакт F кристалла синхронно с серией длинных импульсов синхронизации подается последовательность адресных разрядов, которая вводится в последовательно-параллельный внутренний сдвиговый регистр; второй регистр выполняет подсчет импульсов синхронизации во время ввода адреса.

Считывание и запись

После заполнения адресного регистра введенный адрес дешифруется и кристалл начинает считывание данного по соответствующему адресу. Каждый последующий длинный импульс синхронизации осуществляет считывание следующего по адресу бита памяти через контакт F кристалла. Для прекращения считывания и перевода кристалла в невыбранное состояние на контакт S кристалла подается короткий импульс синхронизации. Отсутствие в очередном такте длинного импульса выбора кристалла автоматически переводит прибор в невыбранное состояние и возобновляет его работу в режиме регенерации. Операция записи осуществляется аналогично операции считывания за исключением того, что перед выбором кристалла на его контакте F устанавливается уровень логического 0, а затем через шину F в ЗУ вводится записываемое данное (рис. 4,б).

Для организации работы ЗУ с выполнением других конкретных функций можно использовать и другие форматы входных сигналов и режимы работы. Особый интерес, в частности, представляет формат, обеспечивающий выполнение операции считывание — модификация — запись, так как он позволяет применять внешние схемы исправления ошибок, компенсирующие случайные сбои ЗУ под действием альфа-частиц или космического излучения. В системе с таким режимом работы формат входных сигналов можно организовать так, что после ввода адреса каждый последующий длинный импульс синхронизации будет обеспечивать считывание очередного бита памяти во внешний регистр через контакт F синхронно со спадом этого импульса. В случае необходимости содержимое этого бита может быть модифицировано во время выдержки логического 0 на выходе синхроимпульса, а запуск записи может быть осуществлен положительным фронтом синхроимпульса.

Взаимодействие сигналов S и F

На рис.4,в показана временная диаграмма, иллюстрирующая взаимное расположение и форму сигналов S и F для ввода (Din) и вывода

(Dout) данного при выполнении операции считывание — модификация — запись. Следует отметить, что во все моменты времени прибор памяти полностью контролируется пользователем. Пользователь может задать строб-сигнал считывания (точно так же, как в обычных динамических ЗУПВ), а затем дать команду на считывание информации из ЗУ, подав на шину синхронизации уровень логического 0. Прибор будет в течение заданного интервала времени, определяемого внутренними схемами, выдавать на выход считываемое данное, после чего шина F автоматически перейдет в состояние с высоким импедансом, обеспечивая пользователю возможность установки входного данного. При условии выполнения требований, связанных с нормальной регенерацией, пользователь может выдерживать на входе синхронизации уровень логического 0 в течение времени, достаточного для исправления ошибок в данном или для его модификации. Фронт сигнала синхронизации подается на кристалл только после того, как на шине будет установлено вводимое в ЗУ данное.

Внешние вспомогательные схемы, управляющие контактом F ЗУ, относительно просты. Мультиплексор обеспечивает поступление на шину F адресов или данного,
Рис.5. Внешние вспомогательные схемы, управляющие контактом F ЗУ, относительно просты. Мультиплексор обеспечивает поступление на шину F адресов или данного, а регистр воспринимает считываемое из ЗУ по этой шине данное. Соответствующие сигналы выборки формируются главной управляющей платой системы памяти.

На рис.5 приведена блок-схема внешних устройств — вспомогательных кристаллов для данного 4-контактного ЗУ, — обеспечивающих управление функциями ВВ по шине F. Как видно из рисунка, эта внешняя схема относительно проста и недорога.

Принятие решения о разработке 4-контактного ЗУ с последовательным доступом сразу же открывает целый ряд очевидных организационных и функциональных возможностей, так как в этом случае не приходится сколько-нибудь беспокоиться по поводу ограничений на количество выводов.

Новые возможности

Исторически сложилось так, что для создания прибора памяти большей емкости с прежним количеством выводов корпуса необходимо было изменять функции некоторых контактов корпуса для высвобождения дополнительных выводов под адресные разряды. При увеличении информационной емкости 4-контактного прибора памяти никакие изменения функций его внешних выводов не требуются. Действительно, при наличии отдельной платы синхронизации и макроуправления системой памяти одну и ту же печатную плату с матрицей кристаллов памяти можно использовать для целого ряда поколений приборов памяти любой информационной емкости. Благодаря этим преимуществам в системах на таких ЗУ можно реализовать много разных дополнительных режимов работы и свойств, отсутствующих в системах памяти на обычных ЗУ. При построении устройств памяти с блочной выборкой последовательный доступ к 4-контактным ЗУ почти не сказывается на их рабочих характеристиках. Например, потерю эффективности из-за введения последовательного интерфейса для 4-контактного ПЗС ЗУ емкостью 64К можно рассчитать с помощью следующего выражения:

Потеря эффективности = 100 (n+m)/N%, где n — разрядность адреса, необходимого для выборки регистра, m — разрядность команды, с помощью которой задается соответствующий режим обращения, N — информационная емкость регистра.

В ПЗС ЗУ емкостью 64К используется организация кристалла в виде 16 регистров емкостью 4096 бит каждый. Для него требуется n=4 бит (тактовых циклов) для выбора одного из 16 регистров и m = 1 бит (тактовый цикл) для выбора режима или кристалла. Суммарное ухудшение характеристик получается равным 100(4+1)/4096 = 0,122%.

Дополняя формат управляющих сигналов еще одним битом, можно получить два дополнительных режима работы ЗУ, при этом потери эффективности будут составлять всего 0,024% на каждый дополнительный бит. В результате ценой незначительных ухудшений рабочих характеристик можно обеспечить повышение гибкости и универсальности приборов. Например, расширить «умственные способности» ЗУ можно, введя в него четыре различных режима работы, кодируемых следующими командами: 00 — считывание, 01 — запись, 10 — считывание — модификация — запись и 11—страничный режим. Эта 2-бит команда может вводиться в последовательном коде в ЗУ как перед, так и после адресных разрядов. В этом случае n=4, m=2, и потеря эффективности с учетом адресации составляет 100 (4+2)/4096=0,146%. Изготовители полупроводниковых приборов могут разработать целый набор различных 4-контактных приборов памяти с одинаковой разводкой выводов корпуса, которые можно будет использовать в сочетании с печатными платами одной и той же топологии. Такая печатная плата обеспечивает исключительно высокую плотность упаковки, так как ее топология, представляющая собой двухкоординатную матричную сетку всего из четырех проводников, очень проста.

Были выполнены специальные исследования, целью которых было сравнить плотность упаковки, стоимость и потребляемую мощность для систем памяти, выполненных на выпускаемых в настоящее время 16-контактных ПЗС ЗУ емкостью 64К, и систем на базе предлагаемых в настоящей работе 4-контактных ПЗС ЗУ аналогичной емкости. На рис.6, вверху показана плата с матрицей из 144 16-контактных ПЗС ЗУ, образующих субсистему памяти емкостью 1 Мбайт. Макетная плата аналогичных размеров, выполненная на 4-контактных ПЗС ЗУ, содержит 1152 однорядных корпуса, образующих субсистему памяти емкостью 8 Мбайт (рис.6, внизу). Преимущества применения приборов в 4-контактных корпусах весьма впечатляющи и не исчерпываются только вышеуказанными факторами, так как для создания эквивалентной системы емкостью 8 Мбайт на приборах в 16-контактных корпусах потребуется дополнительно большое количество периферийных схем, установочных панелей и стоек и мощности для питания. Сравнение информационной емкости, стоимости и рассеиваемой мощности на системном уровне было выполнено на примере двух матричных плат с одинаковыми физическими размерами. (При выполнении расчетов учитывались также стоимость управляющей электроники, установочных шкафов и источников питания.) Оказалось, что для систем памяти, по размерам превышающих одну полностью укомплектованную матричную плату, результаты сравнения слабо зависят от информационной емкости системы.


Рис.6. Преимущества 4-контактных ЗУ в миниатюрных однорядных корпусах совершенно очевидны — достаточно сравнить только плотность упаковки этих двух плат. Плата памяти емкостью 1 Мбайт, выполненная из 16-контактных ПЗС ЗУ емкостью 64К (вверху), имеет такие же размеры, как и макетная плата памяти емкостью 8 Мбайт, собранная на 4-контактных ПЗС ЗУ емкостью 64К (внизу).

Сравнение на системном уровне

На рис.7 приведены результаты сравнения удельной стоимости на системном уровне для устройств памяти, выполненных на 16-контактных и 4-контактных ПЗС ЗУ и ЗУПВ. Следует отметить, что когда стоимость одного 4-контактного ПЗС ЗУ емкостью 256К снижается до 3 долл./прибор, удельная стоимость памяти на системном уровне составляет всего 0,0014 цент/бит — или 140 долл./Мбайт.

Замена стандартных 16-контактных приборов памяти 4-контактными обеспечивает резкое снижение удельной стоимости памяти на системном уровне. Этот эффект
Рис.7. Замена стандартных 16-контактных приборов памяти 4-контактными обеспечивает резкое снижение удельной стоимости памяти на системном уровне. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем ниже стоимость отдельного прибора — для 4-контактных ПЗС ЗУ емкостью 256К удельная стоимость может составлять всего несколько тысячных долей цента на бит.

Другое важное преимущество 4-контактного прибора — это сокращение потребляемой мощности. Хотя на каждый корпус 4-контактного ПЗС ЗУ при расчете системной мощности приходится набавлять по 100 мВт (на питание дополнительных встроенных схем), рассеиваемая системой в целом мощность снижается примерно на 32%. Расчеты показывают, что на системном уровне мощность для памяти, выполненной на 16-контактных ПЗС ЗУ емкостью 64К, составляет 29 Вт/Мбайт, а для памяти, выполненной на 4-контактных ПЗС ЗУ емкостью 64К — 20 Вт/Мбайт. Это заметное сокращение мощности обусловлено главным образом устранением целого ряда повторяющихся блоков периферийного оборудования и последовательным вводом адресной информации.

Уменьшение габаритов

Использование 4-контактных приборов сокращает физический объем системы памяти примерно на 77%. Для системы на ПЗС ЗУ емкостью 64К применение 4-контактных приборов дает удельный объем 0,51 дм3/Мбайт, тогда как для 16-контактных приборов соответствующая цифра составляет 2,18 дм3/Мбайт. Эти цифры получены с учетом интерфейсной электроники, объема источников питания из расчета 8 см3/Вт и 30% -ной надбавки на охлаждение. При замене ПЗС ЗУ емкостью 64К на ПЗС ЗУ емкостью 256К как удельный объем систем, так и удельная мощность (на Мбайт) сокращаются примерно в четыре раза. Более того, при применении 4-контактных ПЗС ЗУ емкостью 256К потребление мощности может составлять всего 5 Вт/Мбайт, а системный удельный объем (с учетом источников питания) — всего около 0,13 дм3/Мбайт. И наконец, значительное дальнейшее сокращение потребляемой мощности можно будет обеспечить при снижении напряжения питания по сравнению с применяемыми в настоящее время 12 В.

Дочерние статьи:

Достоинства и области применения ЗУПВ с блочной выборкой

Зависимость удельной стоимости памяти от применяемых корпусов

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 52, No.21 (573), 1979г - пер. с англ. М.: Мир, 1979, стр.58

Electronics Vol.52 No.21 October 11, 1979 A McGraw-Hill Publication

Don Lauffer. A smart dynamic memory needs only four pins, pp.144—150.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Запоминающие устройства





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/NCR/D19791011Elc043.shtml