1/ Kapacita [B] - množství informací, které je možné do paměti uložit.

Polovodičové paměti Cílem této kapitoly je sezn{mit se s jednotlivými typy pamětí, které se používají ve výpočetní technice. Poznat parametry pamětí a jejich rozdělení. Pochopit z{klady činnosti vnitřních polovodičových pamětí. Klíčové pojmy: Paměť, registr, vnitřní paměť, vnější paměť, elementární paměť, parametr, refresh, obecný cyklus paměti, feritové paměti, RWM, ROM, SAM, RAM, bank Paměť Paměť je médium ( prostředí), které umožňuje uchov{vat informaci. Paměť počítače je zařízení, které slouží k ukl{d{ní programů a dat, s nimiž počítač pracuje. Paměť se dělí do tří z{kladních skupin: - Registry paměťov{ místa na čipu procesoru, kter{ jsou používan{ pro kr{tkodobé uchov{ní pr{vě zpracov{vaných informací ( realizuje se klopnými obvody). - Vnitřní ( interní, operační) paměti paměti osazené většinou na z{kladní desce. Bývají realizov{ny pomocí polovodičových souč{stek. Jsou do nich zav{děny pr{vě spouštěné programy ( nebo alespoň jejich č{sti) a data, se kterými pracují. - Vnější ( externí) paměti paměti realizované většinou za pomoci zařízení používajících výměnn{ média v podobě disků. Z{znam do externích pamětí se prov{dí většinou na elektrickém, magnetickém nebo optickém principu. Slouží pro dlouhodobé uchov{ní informací a z{lohov{ní dat. Elementární paměť- z{kladní paměťov{ buňka, kter{ uchov{v{ jeden bit informace (0,1). Parametry pamětí: 1/ Kapacita [B] - množství informací, které je možné do paměti uložit. 2/ Přístupov{ doba [s] - doba, kterou je nutné čekat od zad{ní požadavku, než paměť zpřístupní požadovanou informaci. 3/ Přenosov{ rychlost [B/s] - množství dat, které lze z paměti přečíst (do ní zapsat) za jednotku času. 12/7/2011 Polovodičové paměti 1

4/ Šířka toku dat [b] šířka sběrnice je počet bitů, které se po sběrnici přen{šejí současně. 5/ Spolehlivost [s] - střední doba mezi dvěma poruchami paměti. 6/ Cena za bit *Kč/b+ - cena, kterou je nutno zaplatit za jeden bit paměti. Dělení pamětí podle různých kritérií: 1/Princip činnosti paměťové buňky: o o statické paměti: uchov{vají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí dynamické paměti: zapsanou informaci mají tendenci ztr{cet i v době, kdy jsou připojeny k nap{jení. Informace v takových pamětech je nutné tedy neust{le periodicky oživovat (refresh), aby nedošlo k jejich ztr{tě. 2/ Destruktivnost při čtení: o o destruktivní při čtení: přečtení informace z paměti vede ke ztr{tě této informace. Přečten{ informace musí být n{sledně po přečtení opět do paměti zaps{na nedestruktivní při čtení: přečtení informace ž{dným negativním způsobem tuto informaci neovlivní. 3/ Energetick{ z{vislost: o o energeticky z{vislé ( volatilní): paměti, které uložené informace po odpojení od zdroje nap{jení ztr{cejí energeticky nez{vislé ( nonvolatilní): paměti, které uchov{vají informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke zdroji elektrického nap{jení. 4/ Přístup: o sekvenční ( sériový): SAM ( Serial Access Memory) - před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předch{zející informace 12/7/2011 Polovodičové paměti 2

o přímý ( libovolný): RAM ( Random Access Memory) - je možné zpřístupnit přímo požadovanou informaci např. prostřednictvím adresy. 5/ Možnost z{pisu a čtení dat: o z{pis a čtení: RWM ( Read Write Memory) do paměti lze ukl{dat data a potom je číst o čtení: ROM ( Read Only Memory) paměť je určen{ pouze ke čtení. Obecný cyklus paměti: Z{pis informace její zapamatov{ní čtení informace. 6/ Technologie: o bipol{rní: paměťové buňky jsou tvořeny bipol{rními tranzistory (TTL nebo ECL) o unipol{rní: paměťové buňky jsou tvořeny unipol{rními tranzistory MOS (P-MOS, N-MOS, CMOS) tvoří obvody LSI a VLSI. 12/7/2011 Polovodičové paměti 3

N{sledující tabulka ukazuje výše popsané tři typy pamětí a jejich srovn{ní: kapacita přístupov{ doba přenosov{ rychlost statičnost / dynamičnost destruktivnost při čtení energetick{ z{vislost registry vnitřní paměti vnější paměti velmi mal{ (jednotky bytů) velmi nízk{ (velmi rychl{ paměťov{ místa) vzhledem k malé kapacitě se většinou neuvažuje statické nedestruktivní vyšší (ř{dově 100 MB 1GB) vyšší (ř{dově 10 ns) vysok{ (ř{dově 1-10 MB/s) statické i dynamické statické destruktivní i nedestruktivní vysok{ (ř{dově 10 MB - 1 TB) vysok{ (ř{dově 10 ms - 10 min) nižší než u vnitřních pamětí (ř{dově 10 MB/min - 1 MB/s) nedestruktivní z{vislé z{vislé nez{vislé přístup přímý přímý přímý i sekvenční spolehlivost velmi spolehlivé spolehlivé méně spolehlivé cena za bit vzhledem k nízké kapacitě vysok{ nižší než u registrů a vyšší než u vnějších pamětí vzhledem k vysoké kapacitě nízk{ 12/7/2011 Polovodičové paměti 4

Fyzik{lní principy pamětí Každ{ paměť je tvořena maticí miniaturních elektronických prvků, které mohou nabývat stavu 0 a 1, a jsou nositelem informace o jednom bitu. Osm prvků pak vytv{ří jeden byte. Paměťové prvky jsou spojeny ř{dkovými a sloupcovými vodiči. Těmito dr{ty je možné prvky elektronicky ovl{dat zapisovat do nich nové hodnoty a číst dříve uložen{ data. Typ elektronické souč{stky tvořící paměťový prvek definuje vlastnosti celé paměti. Vnitřní paměti Obecn{ struktura vnitřní paměti. 12/7/2011 Polovodičové paměti 5

Čtení z paměti: Při přístupu do paměti (čtení nebo z{pis) je vždy ud{na adresa paměťového místa, se kterým se bude pracovat. Tato adresa je přivedena na vstup dekodéru. Dekodér pak podle zadané adresy vybere jeden z adresových vodičů a nastaví na něm hodnotu logick{ 1. Podle toho, jak jsou zapojeny jednotlivé paměťové buňky na příslušném ř{dku, který byl vybr{n dekodérem, projde resp. neprojde hodnota logické jedničky na datové vodiče. Informace je d{le na koncích datových vodičů zesílena zesilovačem. V případě, že hodnota logick{ jedna projde přes paměťovou buňku, obdržíme na výstupu hodnotu bitu 1. V opačném případě je na výstupu hodnota bitu 0. Z{pis do paměti: Zcela analogický je postup i při z{pisu hodnoty do paměti. Opět je nejdříve nutné uvést adresu paměťového místa, do kterého se bude zapisovat. Dekodér vybere adresový vodič příslušný zadané adrese a nastaví na něj hodnotu logick{ 1. D{le se nastaví hodnoty bitů b1 až b4 na hodnoty, které se budou do paměti ukl{dat. Tyto hodnoty jsou potom uloženy do paměťových buněk na ř{dku odpovídajícím vybranému adresovému vodiči. 12/7/2011 Polovodičové paměti 6

Feritové paměti Z historického hlediska jsou zajímavé feritové paměti, které se jako vnitřní paměti používaly dlouho. Informaci umožňují uchovat libovolně dlouho i po vypnutí od zdroje. Jako paměťový prvek je zde použito feritové j{dro, tj. miniaturní feritový kroužek, který m{ výhodné magnetické vlastnosti. Nejčastěji používanými materi{ly pro tyto paměti byly ferity typu MgO.MnO.Fe2O3. Velikost paměťových jader se postupně zmenšovala ( Ø vnější od 1,27mm do 0,35mm). Každý bit feritové paměti tvořilo jedno samostatné j{dro. Jednotliv{ feritov{ j{dra byla prošita soustavou velmi jemných vodičů. Způsob uspoř{d{ní jader určoval typ organizace paměti. Bloky pamětí se vyr{běly v textilních z{vodech na tkalcovských stavech. 12/7/2011 Polovodičové paměti 7

Blok feritové paměti 12/7/2011 Polovodičové paměti 8

Feritov{ j{dra měla pravoúhlou hysterezní smyčku. Stabilní stavy logické 1 a logické 0 jsou d{ny odlišnými hodnotami magnetické indukce +B1 a B0 při intenzitě magnetického pole H = 0. Feritovými j{dry proch{zí soustava vodičů, kter{ umožňuje čtení a z{znam informace. K překlopení feritového j{dra z jednoho stabilního stavu do druhého musí být uvnitř j{dra vytvořeno magnetické pole, jehož intenzita H je určena hodnotou jmenovitého proudu Ijm přepočítaného na jediný vodič. Směr proudu Ijm určuje, do kterého ze stabilních stavů se j{dro překlopí. Přechod feritového j{dra z jednoho stabilního stavu do druhého vyvol{ ve čtecím vodiči, který proch{zí překl{pěným j{drem, výstupní impuls. 12/7/2011 Polovodičové paměti 9

Polovodičové paměti Paměti ROM ( Read Only Memory) pevné ( permanentní) paměti, pouze ke čtení. Obsah paměti se po vypnutí nap{jecího napětí neztr{cí. V počítačích se používají k uložení BIOSu ( systémového na z{kladní desce i jednotlivých BIOSů rozšiřujících desek). Existují n{sledující typy: - Paměti ROM ( Read Only Memory) Paměti ROM jsou paměti, které jsou určeny pouze pro čtení informací. Informace jsou do těchto pamětí pevně zaps{ny při jejich výrobě ( použív{ se speci{lní metalick{ maska) a potom již není možné ž{dným způsobem jejich obsah změnit. Jedn{ se tedy o statickou, energeticky nez{vislou paměť, určenou pouze ke čtení. Proces programov{ní u výrobce je drahý a je efektivní pouze pro výrobu velkého množství stejných pamětí, ř{dově kolem 10 000ks. Doba zhotovení pamětí programovatelných maskou může být ř{dově několik měsíců od zad{ní požadavku. Tento typ pamětí je vhodný pouze pro použití ve velkých sériích výrobků. Při výrobě tohoto typu paměti se použív{ nejčastěji některé z n{sledujících realizací paměťových buněk. Paměťov{ buňka paměti ROM může být realizov{na jako dvojice nespojených vodičů a vodičů propojených přes polovodičovou diodu. V prvním případě nemůže ž{dným způsobem hodnota logick{ 1 přejít z adresového vodiče na vodič datový. Jedn{ se tedy o buňku, ve které je permanentně uložena hodnota 0. V případě druhém hodnota logick{ 1 přejde z adresového vodiče přes polovodičovou diodu na vodič datový. Toto zapojení představuje tedy paměťovou buňku s hodnotou 1. Dioda je zapojena 12/7/2011 Polovodičové paměti 10

tak, aby hodnota logick{ 1 mohla přejít z adresového vodiče na datový, ale nikoliv v opačném směru, což by vedlo k jejímu šíření po velké č{sti paměti. Jednotlivé buňky paměti ROM je také možné realizovat pomocí tranzistorů, a to jak v technologii TTL, tak v technologiích MOS. Její realizace v technologii TTL je uvedena na n{sledujícím obr{zku. V tomto případě je na datový vodič neust{le přiv{děna hodnota logick{ 1. Pokud dojde k vybr{ní adresového vodiče a tím k umístění hodnoty logick{ 1 na tento vodič, tak v případě, že je tranzistor T spojen s tímto adresovým vodičem, dojde k jeho otevření, a tím k propojení datového vodiče se zemí. Na takto propojeném datové vodiči se potom objeví hodnota logick{ 0 a tato buňka představuje uložení hodnoty bitu 0. U buněk, jejichž tranzistor není spojen s adresovým vodičem, nemůže nikdy dojít k otevření tohoto tranzistoru, a tím ani ke spojení datového vodiče se zemí. V této buňce je tedy neust{le uložena hodnota 1. Zcela analogicky pracuje i buňka paměti ROM zapojen{ pomocí tranzistorů v některé z technologií MOS. 12/7/2011 Polovodičové paměti 11

Tranzistory připojené k nap{jecímu vodiči plní pouze úlohu rezistorů podobně jako u buňky v předešlém případě. Samotn{ buňka pracuje na stejném principu, který byl pops{n u buňky v technologii TTL. - Paměti PROM (Programable Read Only Memory) Paměť PROM neobsahuje po vyrobení ž{dnou pevnou informaci a je až na uživateli, aby provedl příslušný z{pis informace. Tento z{pis je možné provést pouze jednou, a poté již paměť slouží stejně jako paměť ROM. Programují se ve speci{lním program{toru pamětí. Paměti PROM představují statické a energeticky nez{vislé paměti. Buňku paměti je možné realizovat podobně jako u paměti ROM. Při výrobě je vyrobena matice obsahující spojené adresové vodiče s datovými vodiči přes polovodičovou diodu a tavnou pojistku z niklu a chromu (NiCr). Takto vyroben{ paměť obsahuje na zač{tku samé hodnoty 1. 12/7/2011 Polovodičové paměti 12

Z{pis informace se prov{dí vyšší hodnotou elektrického proudu (cca 10 ma), kter{ způsobí přep{lení tavné pojistky, a tím i definitivně z{pis hodnoty 0 do příslušné paměťové buňky. Paměti typu PROM se také realizují pomocí bipol{rních multiemitorových tranzistorů, jak je uvedeno na n{sledujícím obr{zku Takto realizovan{ paměť PROM obsahuje pro každý adresový vodič jeden multiemitorový tranzistor. Každý z těchto tranzistorů obsahuje tolik emitorů, kolik je datových vodičů. Při čtení z paměti je opět na příslušný adresový vodič přivedena hodnota logick{ 1, kter{ způsobí, že tranzistor se otevře a ve směru kolektor emitor začne proch{zet elektrický proud. Jestliže je tavn{ pojistka průchozí, proch{zející proud otevře tranzistor, který je zapojen jako invertor, a na výstupu je přečtena hodnota 0. Jestliže tavn{ pojistka byla při z{pisu přep{lena, tzn. je neprůchozí, nedojde k otevření tranzistoru a na výstupu je přečtena hodnota 1. Paměť PROM pracující na tomto principu m{ po svém vyrobení ve všech buňk{ch zaps{nu hodnotu 0 a při jejím programov{ní se do některých buněk přep{lením tavné pojistky zapíše hodnota 1. 12/7/2011 Polovodičové paměti 13

- Paměti EPROM (Eraseable Programable Read Only Memory) Paměť EPROM je statick{ energeticky nez{visl{ paměť, do které může uživatel provést z{pis. Programují se ve speci{lním program{toru pamětí a z{pis trv{ 10 až 20 minut. Zapsané informace je možné vymazat působením ultrafialového z{ření po dobu asi 30 minut. Tyto paměti jsou realizov{ny pomocí speci{lních unipol{rních tranzistorů, které jsou schopny na svém přechodu udržet elektrický n{boj po dobu až několika let ( ud{v{ se, že n{boj v plovoucím hradle vydrží až 10 let). Tento n{boj lze vymazat pr{vě působením UV z{ření. Paměti EPROM jsou charakteristické malým okénkem v pouzdře integrovaného obvodu obsahujícího tuto paměť. Pod okénkem je umístěn vlastní paměťový čip a to je místo, na které směřuje při vymaz{v{ní zdroj UV z{ření. Při pr{ci býv{ tento otvor většinou přelepen ochranným štítkem, aby nedoch{zelo ke ztr{t{m informace vlivem UV z{ření v ovzduší. Zapojení jedné buňky paměti EPROM je podobné jako u paměti EEPROM (viz d{le). - Paměti EEPROM (Electrically EPROM) Tento typ paměti m{ podobné chov{ní jako paměti EPROM, tj. jedn{ se o statickou energeticky nez{vislou paměť, kterou je možné naprogramovat a později z ní informace vymazat. Výhodou oproti EPROM pamětem je, že vymaz{ní se prov{dí elektricky, a nikoliv pomocí UV z{ření, čímž odpad{ nepohodln{ manipulace s pamětí při jejím maz{ní. Programov{ní je možné přímo v systému, vymaz{ní a naprogramov{ní dat trv{ méně než 1 minutu. Při výrobě pamětí EEPROM se použív{ speci{lních tranzistorů vyrobených technologií MNOS (Metal Nitrid Oxide Semiconductor). Jedn{ se o tranzistory, na jejichž řídící elektrodě je nanesena vrstva nitridu křemíku (Si3N4) a pod ní je umístěna tenk{ vrstva oxidu křemičitého (SiO2). Vlastní 12/7/2011 Polovodičové paměti 14

buňka paměti EEPROM pak pracuje na principu tunelov{ní (vkl{d{ní) elektrického n{boje na přechod těchto dvou vrstev. Při z{pisu dat se přivede na příslušný adresový vodič z{porné napětí -U a datový vodič buněk, do nichž se m{ zaznamenat hodnota 1, se uzemní. Tranzistor se otevře a vznikne v něm n{boj, který vytvoří velké prahové napětí. Při čtení se přivede na adresový vodič z{porný impuls. Tranzistor s malým prahovým napětím se otevře a vede elektrický proud do datového vodiče, zatímco tranzistor s velkým prahovým napětím zůstane uzavřen. Vymaz{ní paměti se prov{dí kladným napětím +U, které se přivede na adresové vodiče. Tunelovaný n{boj se tím zmenší a prahové napětí poklesne, čímž je paměť vymaz{na. - Paměti Flash ( mžikové ) Flash paměti jsou obdobou pamětí EEPROM. Jedn{ se o paměti, které je možné naprogramovat, a které jsou statické a energeticky nez{vislé. Vymaz{ní se prov{dí elektrickou cestou, jejich přeprogramov{ní je možné provést přímo v počítači. Paměť typu Flash tedy není nutné před vymaz{ním (naprogramov{ním) z počítače vyjmout a umístit ji do speci{lního programovacího zřízení. Zapisuje se do ní po blocích a programov{ní celé paměti trv{ jednotky sekund. Pracuje se s nimi jako s pamětmi typu RAM, ale po odpojení napětí se obsah nevymaže. Snese asi 1000 cyklů z{pis-výmaz. Pokud je použita k uložení BIOSu, d{ se aktualizovat. Příslušn{ nov{ data najdete na www-str{nk{ch výrobce z{kladní desky. 12/7/2011 Polovodičové paměti 15

Paměti RWM-RAM (Read Write Memory-Random Access Memory) Paměti RAM jsou určeny pro z{pis i pro čtení dat. Jedn{ se o paměti, které jsou energeticky z{vislé. Jsou rychlejší než ROM, mají větší kapacitu. Jsou určeny k přímé spolupr{ci s procesorem. Podle toho, zda jsou dynamické nebo statické, jsou d{le rozdělov{ny na: DRAM - Dynamické RAM SRAM - Statické RAM CMOS-RAM Paměti SRAM (Static Random Access Memory) Paměti SRAM uchov{vají informaci v sobě uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického nap{jení. Paměťov{ buňka SRAM je realizov{na jako bistabilní klopný obvod, tj. obvod, který se může nach{zet vždy v jednom ze dvou stavů, které určují, zda v paměti je uložena 1 nebo 0. U SRAM pamětí se použív{ dvou datových vodičů. Vodič Data je určený k z{pisu do paměti. Vodič označený jako Data se použív{ ke čtení. Hodnota na tomto vodiči je vždy opačn{ než hodnota uložen{ v paměti. Takže na konci je nutno ji ještě negovat. Při z{pisu se na adresový vodič umístí hodnota logick{ 1. Tranzistory T1 a T2 se otevřou. Na vodič Data se přivede zapisovan{ hodnota (např. 1). Tranzistor T1 je otevřen, takže jednička na vodiči Data otevře tranzistor T4 a tímto dojde k uzavření tranzistoru T3. Tento stav obvodu představuje uložení hodnoty 0 do paměti. Zcela analogicky tato buňka pracuje 12/7/2011 Polovodičové paměti 16

i při z{pisu hodnoty 1. Rozdíl je pouze v tom, že tranzistor T 4 zůstane uzavřen, a to způsobí otevření tranzistoru T3. Při čtení je opět na adresový vodič přivedena hodnota logick{ 1, což opět způsobí otevření tranzistorů T1 a T2. Jestliže byla v paměti zaps{na hodnota 1, je tranzistor T4 otevřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 0). Tuto hodnotu obdržíme na vodiči Data. Opět zcela analogicky v případě uložené hodnoty 0, kdy tranzistor T4 je uzavřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 1). Pozn{mka: Tranzistory T5 a T6 plní pouze funkcí rezistorů. Paměti SRAM je možné uskutečnit i v technologii TTL. Buňka takovéto paměti pracuje na podobném principu jako buňka v technologii MOS. Paměti SRAM jsou výhodné zejména pro svou nízkou přístupovou dobu (7,5-15 ns). Jejich nevýhodou je naopak vyšší složitost a z toho plynoucí vyšší výrobní n{klady. V současné době jsou paměti SRAM použív{ny především pro realizaci pamětí typu cache, jejichž kapacita je ve srovn{ní s operační pamětí několikan{sobně nižší. Paměti DRAM (Dynamic Random Access Memory) V paměti DRAM je informace uložena pomocí elektrického n{boje na kondenz{toru. Tento n{boj m{ však tendenci se vybíjet i v době, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického nap{jení. Aby nedošlo k tomuto vybití, a tím i ke ztr{tě uložené informace, je nutné periodicky prov{dět tzv. refresh, tj. oživov{ní paměťové buňky. Tuto funkci plní některý z obvodů čipové sady. 12/7/2011 Polovodičové paměti 17

Při z{pisu se na adresový vodič přivede hodnota logick{ 1. Tím se tranzistor T otevře. Na datovém vodiči je umístěna zapisovan{ hodnota (např. 1). Tato hodnota projde přes otevřený tranzistor a nabije kondenz{tor. V případě z{pisu nuly dojde pouze k případnému vybití kondenz{toru (pokud byla dříve v paměti uložena hodnota 1). Při čtení je na adresový vodič přivedena hodnota logick{ 1, kter{ způsobí otevření tranzistoru T. Jestliže byl kondenz{tor nabitý, zapsan{ hodnota přejde na datový vodič. Tímto čtením však dojde k vybití kondenz{toru a zničení uložené informace. Jedn{ se tedy o buňku, kter{ je destruktivní při čtení a přečtenou hodnotu je nutné opět do paměti zapsat. Buňka paměti DRAM je velmi jednoduch{ a dovoluje vysokou integraci a nízké výrobní n{klady. Díky těmto vlastnostem je použív{na k výrobě operačních pamětí. Její nevýhodou je však vyšší přístupov{ doba (60-70 ns) způsoben{ nutností prov{dět refresh a časem potřebným k nabití a vybití kondenz{toru. V současné době existují tyto typy DRAM pamětí: - Paměti SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) SDRAM paměti pracují na stejném taktu, jaký je nastavený na paměťové sběrnici. Její vybavovací doba je 8, 10 nebo 12 ns. V praxi se SDRAM používaly na 3,3 Voltových 168-vývodových modulech DIMM SDRAM. Najdeme ji na starých z{kladních desk{ch Pentií II, III a u prvních Pentií 4. U AMD pouze u starých z{kladních desek (Athlon a Durony). Přenosov{ rychlost byla při taktu FSB 133 MHz a šířce sběrnice 32 bitů (= 8 Byte) d{na vzorcem 133 x 8 = 1 064 MB/s neboli 1,04 GB/s. U dnešních z{kladních desek se už SDRAM paměti nepoužívají. 12/7/2011 Polovodičové paměti 18

- Paměti DDR (Double Data Rate) Paměti SDRAM přen{šely data pouze na n{běžné hraně řídicího impulsu (generovaného systémovým časovačem Timer). Během jednoho impulsu provedla paměť SDRAM jednu operaci. Paměti DDR pracují tak, že přen{šejí data na obou hran{ch (n{běžné i sestupné) řídicího impulsu, takže provedou dvě operace za jeden takt. Proto nabízejí dvojn{sobnou datovou propustnost, při 133 MHz sběrnici až 2,1 GB/s. Nap{jecí napětí je 2,5 V. Výroba je poměrně levn{ a praktick{ implementace snadn{. Paměti DDR byly standardem u všech starších sestav Pentium 4, Celeron, Athlon nebo Sempron. - Paměti DDR2 Paměti DDR2 přen{ší data stejným způsobem jako DDR na n{běžné i sestupné hraně taktu, ale pracují s poloviční vnitřní frekvencí. Pokud bude taktovací frekvence j{dra 200 MHz, bude frekvence DDR2 800 MHz. Nap{jecí napětí je 1,8 V, proto je spotřeba oproti DDR poloviční a je možné taktovat DDR2 na vyšší rychlosti. Maxim{lní propustnost je 6,4 GB/s. Dnes se běžně používají na z{kladních desk{ch. - Paměti DDR3 Dalším vylepšením pamětí je DDR3, které jsou úsporné. Nap{jecí napětí je 1,5 V. Pracují na frekvenci 1 333 MHz propustnost je 10,666 GB/s. Na maxim{lní frekvenci 1 600 MHz je propustnost 12,8 GB/s. Používají se u z{kladních desek s procesory Intel Core2, AMD a u serverů. Se sběrnicí pracují synchronně. Moduly dosahují vysoké kapacity, špičkové až 16 GB. 12/7/2011 Polovodičové paměti 19

- Paměti DDR4 Jelikož už jsou DDR3 moduly na trhu ve většině, řeší se jejich n{stupce. Tím budou moduly s paměťovými čipy DDR4, které by se měly dostat na trh na konci příštího roku. Budou mít samozřejmě vyšší výkon a nižší spotřebu než aktu{lní typy DDR3. Jedním z prvních výrobců, který DDR4 moduly představil, byla společnost Hynix. Představeny byly paměti 2x2GB DDR4 2400MHz, maxim{lní frekvence může být dvojn{sobn{. Napětí je pouze 1.2V (díky pokročilejší technologii výroby 36 nm). U nynějších DDR3 modulů by pro takovou hraniční frekvenci bylo potřeba napětí minim{lně 1,8V. DDR4 přinesou nejen vyšší výkon, ale také novou topologii. Kvůli nutným technologickým změn{m, ale dojde také ke změně topologie. S příchodem DDR4 nebude možné připojit několik pamětí na jeden kan{l, jako tomu je u současných operačních pamětí, ale pouze jeden modul na jeden kan{l. Pro n{ročné uživatele nebo servery jsou však připravena řešení (vícevrstvé čipy, specializované přepínače na z{kladní desce), kter{ umožní použití více paměťových modulů, než kolik podporuje paměťový řadič. Nový standard DDR4 pamětí by měl být schv{len v roce 2011, přičemž s hromadnou výrobou se počít{ v roce 2012. Masové rozšíření, ale bude pravděpodobně pomalejší než v případě DDR3, mělo by dos{hnout maxima až kolem roku 2015. 12/7/2011 Polovodičové paměti 20

- Paměti RDRAM (Rambus DRAM) Tyto paměti mají jméno po svém vyn{lezci firmě Rambus. Paměti Rambus používají odlišný způsob přenosu dat než klasické paměti. Použív{ se sběrnice s frekvencí 400 MHz a šířkou 16 bitů. Data jsou přen{šena na obou hran{ch taktovacího hodinového sign{lu 800 MHz, celkov{ propustnost je tedy1,6 GB/s. Mal{ šířka sběrnice umožňuje umístit do čipsetu z{kladní desky více paralelně uspoř{daných kan{lů, a tím zvýšit propustnost celé paměti. Při dvou kan{lech je propustnost 3,2 GB/s. Výrobce se je snažil prosadit pro Pentia4. Nevýhodou RDRAM je jejich vysok{ cena, a proto se používají v PC sestav{ch m{lo. 12/7/2011 Polovodičové paměti 21

Paměti CMOS-RAM (Complementary Metal Oxide Silicon) Tyto paměti jsou vyrobeny technologií CMOS, proto mají malou spotřebu. V PC se používají pro z{pis parametrů BIOSu programem SETUP ( životně důležit{ data o konfiguraci počítače). Po vypnutí počítače je paměť CMOS nap{jena z baterie (Li-ion) umístěné na z{kladní desce. Často je v CMOS integrov{n obvod hodin re{lného času ( počítač si st{le pamatuje datum a čas). Fyzick{ organizace operační paměti Fyzicky se každ{ paměť skl{d{ ze dvou č{stí paměťového modulu, jenž se zasunuje do patice (banku) umístěné na z{kladní desce. Na z{kladní desce býv{ banků několik ( běžně 2 až 4), tyto banky slouží k rozšíření kapacity paměti. Typy banků odpovídají paměťovým modulům a jsou opatřeny rozdílnými klíči. Paměťové moduly První PC s mikroprocesory I8086 a I80286 používaly pro paměti pouzdra DIP. S narůstající potřebou větších pamětí se jejich obvody začaly instalovat na paměťové moduly. Paměťové moduly jsou vloženy na destičce, kter{ m{ na spodní straně kontakty, jimiž se zasunuje do banku. 12/7/2011 Polovodičové paměti 22

Typy paměťových modulů: SIMM (Single Inline Memory Module) Tyto moduly byly vyr{běny ve dvou variant{ch: - 30-pin SIMM: používaný u většiny počítačů s procesory 80286, 80386SX, 80386 a některých 80486. Mají 30 vývodů a šířku přenosu dat 8 bitů (bezparitní SIMM) nebo 9 bitů (paritní SIMM), s kapacitami 256 kb, 1 MB a 4 MB. - 72-pin SIMM (PS/2 SIMM): používaný u počítačů s procesory 80486 a Pentium. PS/2 SIMMy mají 72 vývodů, šířku přenosu dat 32 bitů (bezparitní SIMM) nebo 36 bitů (paritní SIMM - pro každý byte jeden paritní bit), s kapacitami 4 MB, 8 MB, 16 MB, 32 MB. 12/7/2011 Polovodičové paměti 23

Paměťové moduly osazené ve svých konektorech Pozice pro paměťové moduly SIMM DIMM (Dual Inline Memory Module) Dnes je najdeme pouze ve starých PC. Deska, na níž jsou umístěny paměťové moduly, obsahuje 168 pinů, což jí dovoluje 64-bitovou komunikaci. Nap{jecí napětí je 3,3 V, osazovaly se pamětmi SDRAM. Vyr{běly se pro všechny rychlosti FSB (systémov{ sběrnice na z{kladní desce) 66, 100 a 133 MHz (označovaly se PC66, PC100 a PC133). 12/7/2011 Polovodičové paměti 24

DDR DIMM (Double Data Rate DIMM) Moduly DDR jsou 184-pinové a mají jinak umístěné výřezy (klíče), takže se nedají zasunout do jiných modulů. Nap{jecí napětí je 2,5 V, a proto nižší spotřeba a menší tepelné ztr{ty. Osazují se pamětmi DDR. DDR2 DIMM Moduly DDR2 mají nižší nap{jecí napětí 1,8 V, nižší teplotu a vyšší pracovní frekvenci. Jsou 240-pinové a mají jinde umístěný klíč. Startovací frekvence je 400MHz, ale d{ se dos{hnout frekvence 1200 MHz. Osazují se pamětmi DDR2. DDR3 DIMM Používají se pro paměti DDR3, nap{jecí napětí je 1,5 V. Moduly DDR3 DIMM jsou 240-pinové. Osazují se pamětmi DDR3. 12/7/2011 Polovodičové paměti 25

DDR4 DIMM Moduly se budou osazovat pamětmi DDR4, jsou 240-pinové a nap{jecí napětí je 1,2V. Instalace modulů na z{kladní desku RIMM (Rambus Inline Memory Module) Paměťové moduly mají 184 pinů, a proto jinak umístěné klíče. Jednotlivé čipy na paměťovém kan{le jsou uspoř{d{ny sekvenčně do každého čipu sign{l vstupuje a dalším vývodem vystupuje. Tato řada je impedančně přizpůsoben{ a zakončen{ zakončovacím odporem (termin{torem). Neobsazené patice z{kladní desky musí být obsazeny propojovacím modulem, který sign{l propojí až k zakončovacím odporům. 12/7/2011 Polovodičové paměti 26

Moduly RIMM jsou 16-bitové a systém použív{ k dosažení potřebné propustnosti dva souběžné kan{ly. Moduly se proto osazují v p{rech ( oba moduly musí mít stejnou velikost i parametry). Tento princip omezuje možnosti rozšíření paměti v budoucnosti. Druhy provedení paměťových modulů - ECC (použív{ se hlavně pro servery) nebo častěji NonECC (použív{ se v běžných PC). ECC (Error Checking and Correcting) je samoopravný kód, který detekuje i opraví jednobitovou (nově i dvoubitovou) chybu v paměti. ECC musí být podporov{n z{kladní deskou i paměťovým modulem. - Registered moduly se liší použitím speci{lních vstupně-výstupních bufferů (vyrovn{vacích pamětí), které zvyšují stabilitu a spolehlivost přenosu dat. Musí být opět podporov{ny chipsetem z{kladní desky. Většina paměťových modulů je bez bufferů v provedení unbuffered. DDR Dual Channel Kvůli dalšímu zvyšov{ní propustnosti dat mezi chipsetem (severním mostem u Intelu nebo mikroprocesorem u AMD) a operační pamětí se použív{ dvojité uspoř{d{ní paměťových kan{lů. Použijí se dvě sběrnice a propustnost vzroste 2x. 12/7/2011 Polovodičové paměti 27

Proto, aby dvoukan{lový řadič pracoval v režimu s vyšší propustností, musí být splněny tyto podmínky: Moduly se musí osazovat v p{rech. Oba dva kan{ly musí být osazeny stejným typem paměťového DIMMu (prod{v{ se tzv. dual channel kit, obsahující identický p{r paměťových modulů). Každý DIMM musí být umístěn na jinou sběrnici (banky na z{kladní desce jsou barevně rozlišeny). BIOS během POST testů informuje, zda je dual channel funkční. Nedostatkem je skutečnost, že při budoucím rozšiřov{ní kapacity paměti, se musí používat st{vající typy pamětí. Shrnutí: Paměti patří mezi z{kladní č{sti počítače. Existují registry, operační a vnější paměti. V dnešní době jsou operační paměti realizov{ny polovodičovými prvky. Použité zdroje informací: *1+ ANTOŠOVÁ, M. - DAVÍDEK, V. Číslicov{ technika: učebnice. 1.vyd. České Budějovice, KOPP, 2004. 286 s. ISBN 80-7232-206-0. *2+ KESL,J. Elektronika III: číslicov{ technika. 1.vyd. Praha, BEN, 2003. 112s. ISBN 80-7300-076-8. *3+ BLATNÝ, J. a kol. Číslicové počítače. 1.vyd. Praha, SNTL, 1980, 496s. [4] JANSEN, H. a kol. Informační a telekomunikační technika. 1.vyd. Praha, Europa-Sobotales cz.s.r.o, 2004, 400s. ISBN 80-86706-08-7. 12/7/2011 Polovodičové paměti 28

*5+ HÄBERLE, G. a kol. Elektrotechnické tabulky pro školu i praxi. 1.vyd. Praha, Europa-Sobotales cz.s.r.o, 2006, 460s. ISBN 80-86706-16-8. [6] HORÁK, J. Hardware: učebnice pro pokročilé. 4.vyd. Brno, Computer Press, 2007, 360s. ISBN 978-80-251-1741-5. [7] <https://www.feec.vutbr.cz//> [8] <https://www.fit.vutbr.cz//> [9] <http://www.fi.muni.cz/usr/pelikan/> 12/7/2011 Polovodičové paměti 29