Halbleiterspeicher

Ein Halbleiterspeicher ist ein Datenspeicher, der aus einem Halbleiter besteht.

In und auf einem Halbleiterkristall werden mikroelektronische Speicherstrukturen realisiert, sodass ein Speicherchip (siehe auch Die) entsteht. Die Chips werden zu integrierten Schaltkreisen komplettiert oder auch unverkappt weiterverarbeitet.

Die Daten werden in Form von binären elektronischen Schaltzuständen in den integrierten Schaltungen gespeichert. Vorgänger waren die magnetisch arbeitenden Kernspeicher, die erst in den frühen 1970er Jahren von den Halbleiterspeichern abgelöst wurden. Neuere Entwicklungen[1] streben an, das magnetische Speicherprinzip mikroelektronisch zu hochdichten, nicht flüchtigen Speichern zu kombinieren (MRAM).

Speicherzelle

Verschiedene Halbleiterspeicher

Beschreibung

Eine Speicherzelle ist die physikalische Realisierung der kleinsten Einheit eines Speichers von logischen Zuständen. Der Begriff bezeichnet je nach Kontext entweder die Realisierung der kleinstmöglichen Einheit, dem 1-Bit-Speicherelement, oder die Realisierung der kleinsten adressierbaren, das heißt bei einem Zugriff les- bzw. schreibbaren, Einheit, einem sogenannten Wort oder Datenwort, das aus n Bit besteht (n > 1).

Personal Computer arbeiten heutzutage mit einer Wortlänge (auch „Wortbreite“ genannt) von 32 oder 64 Bit. Früher, zum Beispiel bei den ersten Taschenrechnern, waren Speicherzellen 4 Bit (ein Halbbyte bzw. Nibble) groß. Die ersten PCs dagegen hatten 8 Bit breite Speicherzellen. Für einfache Steuerungen (siehe: Mikrocontroller) werden auch heute noch 8 Bit verwendet.

Bei früheren Computern waren auch Wortbreiten von 6 oder 7 Bit gebräuchlich, da man mit 64 bzw. 128 speicherbaren Zeichen eine alphanumerische Bearbeitung durchführen konnte. Diese Speicher waren jedoch noch nicht als Halbleiterspeicher ausgeführt. Die Hollerith-Lochkarte hatte eine Wortbreite von 12 Bit.

Eingeteilt werden die Speicherzellen in flüchtige und nichtflüchtige Speicherzellen. In nichtflüchtigen Speicherzellen bleibt die Information auf Dauer erhalten, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Bei flüchtigen Speicherzellen geht die Information in solch einem Fall verloren.

Realisierung

Das 1-Bit-Speicherelement ist mittels weniger Transistoren und Kondensatoren realisierbar. Bei analogen Speicherzellen ist das elementare Speicherbauteil der Kondensator, und bei digitalen Speicherzellen werden ein (1-T-DRAM) oder mehrere Transistoren benötigt, wie z. B. bei statischem RAM oder bei rückgekoppelten Transistoren, den sogenannten Flipflops.

Wahlfreier Zugriff

Speicherzellen werden in einer 2R×2C-Matrix angeordnet. Über Wortleitungen und Bitleitungen werden die Speicherzellen adressiert und beschrieben bzw. ausgelesen. Hierzu sind ein Reihen- und ein Spaltendekodierer notwendig. Dadurch ist ein direkter Zugriff auf beliebige Speicherzellen (wahlfreier Zugriff) möglich. Daher wird diese Anordnung als Random-Access Memory (RAM) bezeichnet.

Sequentieller Zugriff

Hier erfolgt die Adressierung über Befehle, ähnlich wie bei Festplatten. Die Bauformen CompactFlash (CF) und PCMCIA verwenden z. B. den bei Festplatten bewährten ATA/ATAPI-Befehlssatz.

Diese Adressierungsart benötigt weniger Kontaktierungsflächen auf dem Chip, dadurch ist ihre Herstellung preisgünstiger.

Halbleiterspeichertypen

Stammbaum der Halbleiterspeicher
  • Tabellenspeicher
    • Flüchtige Speicher (RAM)
      • SRAM
        • Asynchrones SRAM
          • Symbol support vote.svg Low-Power SRAM
        • Synchrones SRAM
          • Symbol support vote.svg Burst SRAM
            • Symbol support vote.svg Pipelined Burst SRAM
          • ZBT SRAM
          • Symbol support vote.svg QDR-SRAM
      • DRAM
        • Asynchrones DRAM
        • Synchrones DRAM (SDRAM)
          • Standardisiertes SDRAM
          • Nicht standardisiertes SDRAM
            • Symbol support vote.svg embedded DRAM
            • Symbol support vote.svg customized DRAM
            • Symbol support vote.svg cache DRAM (CDRAM)
            • Symbol support vote.svg enhanced DRAM (ESDRAM)
            • Symbol support vote.svg virtual channel DRAM (VC DRAM)
            • Symbol support vote.svg reduced latency DRAM (RLDRAM)
            • DRAM mit niedriger Leistung
              • Symbol support vote.svg mobile RAM
              • Symbol support vote.svg COSMO-RAM
              • Symbol support vote.svg pseudo-static RAM (PSRAM)
              • Symbol support vote.svg cellular RAM
            • Protokollbasierte DRAM
              • Symbol oppose vote.svg synclink DRAM (SLDRAM)
              • Symbol support vote.svg direct Rambus DRAM (DRDRAM)
              • Symbol support vote.svg XDR-DRAM
    • Nichtflüchtige Speicher
      • Ausgereiftes Material
        • ROM
        • Flash
          • NAND
            • Single Level Cell (SLC)
              • Symbol support vote.svg Standard-NAND
              • Symbol support vote.svg Assisted Gate AND (AG-AND)
            • Multi-Level Cell (MLC)
              • Symbol support vote.svg Standard-NAND
            • Multibit
              • Symbol support vote.svg Twin Flash (NROM)
          • NOR
            • Single Level Cell (SLC)
              • Symbol support vote.svg Standard-NOR
            • Multi-Level Cell (MLC)
              • Symbol support vote.svg Strata Flash
            • Multibit
              • Symbol support vote.svg Mirror Bit (NROM)
      • Innovatives Material
1 Ein PLE entspricht einem MROM und umgekehrt
2 Mikrocontroller mit MROM werden immer noch (Stand Ende 2008) in großen Stückzahlen hergestellt.
Bedeutung der wichtigsten Abkürzungen
AbkürzungBedeutung
RAMRandom Access Memory
ROMRead-Only Memory
SRAMStatischer RAM
DRAMDynamischer RAM
PRAMPhase-change RAM
MRAMMagnetoresistives RAM
M…Masken-programmiert
P…Programmierbar
EP…Lösch- und programmierbar
EEP…Elektrisch lösch- und programmierbar
SDSynchronous Dynamic (RAM)
DDRDouble Data Rate (RAM)
QDRQuad Data Rate (RAM)
ODROcto Data Rate (RAM)
GDDRGraphics DDR (RAM)
RDRAMRambus DRAM
ZBT SRAMZero Bus Turnaround SRAM
Symbol support vote.svgin Produktion
Symbol oppose vote.svgProduktion eingestellt
Symbol neutral vote.svgin Entwicklung

Umsatzzahlen

Einen Überblick über die unterschiedlichen Speichertypen gibt die folgende Tabelle (die angegebenen Umsatzzahlen beziehen sich auf das Jahr 2005 und sind dem Elektronik Scout 2006 entnommen; SRAM steht nicht für in Prozessoren enthaltene SRAMs.):

Umsatzzahlen von Halbleiterspeicherbauelementen im Jahr 2005 (Quelle: Elektronik Scout 2006)
SpeichertechnologieUmsatz
Flüchtige Speicher (RAM)
Statisches RAM (SRAM)2 Mrd. $
Dynamisches RAM (DRAM)27 Mrd. $
Nichtflüchtige Speicher
Ausgereiftes MaterialNur-Lese-Speicher (ROM)2 Mrd. $
FlashNAND8 Mrd. $
NOR9 Mrd. $
Innovatives Material0,01 Mrd. $
Gesamtumsatz48 Mrd. $

Hersteller (Auswahl)

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Fortschritte in der MRAM Technologie (Memento des Originals vom 13. April 2016 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.itse-wissen.de. itse-wissen.de. Abgerufen 30. September 2010.

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