حافظه های eDRAM (کش L4) چیست و تفاوت آن با DRAM و SRAM ؟

در این مقاله در مورد حافظه های eDRAM ، eSRAM ، DRAM ، SRAM (کش L4) و همچنین در مورد حافظه های ۱T-SRAM و ۲T-SRAM و نیز در مورد حافظه های NV-SRAM و مزایا و معایب هر کدام از آن ها صحبت خواهیم کرد.

در مورد حافظه ی کش و اصطلاحات آن می‌توانید به لینک ” حافظه کش (پنهان) و سطوح آن چیست و چه کاربردی برای پردازنده دارد ؟ ” و همچنین در مورد استفاده از حافظه های کش و کاربرد آن ها در پردازنده های تک هسته ای و چند هسته ای و نیز اصطلاحات مربوط به آن‌ها، به لینک ” حافظه پنهان (کش) در پردازنده‌های چند هسته ای ” مراجعه کنید.

حافظه های eDRAM چیست ؟ 

امروزه ‌حافظه های eDRAM در بعضی از پردازنده‌های جدید قرار گرفته و به عنوان یک حافظه ی جدید در یک دای یا یک ماژول چند تراشه‌ای [1] در ریز پردازنده‌ها [2] مجتمع‌ شده است. از لحاظ معماری جایگاه eDRAM بین کش L3 و حافظه ها‌ی DRAM قرار می‌گیرد و می‌توان آن را به عنوان یک کش سطح چهار یا L4 معرفی کرد، هرچند که در حال حاضر در منابع علمی و معتبر به صراحت به کش L4 اشاره نشده است.

کش eDRAM‌ همانند DRAM از نوع حافظه های نیم هادی با دسترسی تصادفی می‌باشد که بصورت متجمع در داخل یک پردازنده قرار گرفته است. DRAM ها اطلاعات را بصورت بیت در خود ذخیره می‌کند به عبارتی هر بیت از داده را در یک سلول حافظه ای که شامل یک ترانزیستور و یک خازن کوچک می‌باشد قرار می‌گیرد؛ هر دو به طور معمول مبتنی بر فناوری نیمه هادی اکسید فلز [3] می‌باشند..

در این صورت خازن می‌تواند شارژ و دشارژ شود، این دو وضعیت در DRAM ها نشان دهنده‌ی بیت صفر و یک می‌باشد، زمانی که خازن به طور کامل دشارژ شده باشد نشان دهنده‌ی بیت صفر و زمانی که خازن شارژ باشد نشان دهنده‌ی بیت یک می‌باشد؛

تفاوت حافظه های DRAM با حافظه های SRAM در چیست ؟

البته خازن ‌ها ذاتا به مرور زمان دشارژ می‌شوند که این موضوع باعث از دست دادن مقدار یک می‌شود درنتیجه برای نگهداری داده در DRAM می‌بایست از یک مداری برای بازنویسی داده، به منظور جلوگیری از، از بین رفتن داده‌ها، استفاده ‌می‌شود. در واقع استفاده از این مدار باعث می‌شود که داده‌ها بصورت دوره‌ای بازیابی [4] شوند.

این مدار با شارژ کردن خازن‌ها باعث جلوگیری از دشارژ شدن خازن می‌شود که درنتیجه باعث می‌شود بیت‌ها مقادیری خود را از دست ندهند. فرآیند بازیابی [5] برای ”حافظه های پویای با دسترسی تصادفی“ یا همان DRAM ها یک ویژگی متمایز و تعیین کننده‌ای می‌باشد.

حافظه های SRAM چه ویژگی هایی دارند؟

این درحالی است که از این فرآیند در ”حافظه های ایستا با دسترسی تصادفی“ یا همان حافظه SRAM‌ ها[6] استفاده نمی‌شود زیرا داده در حافظه ی SRAM در زمان اتصال به برق بدون هیچگونه کنترل‌کنند‌ه‌های بازیابی، از بین نمی‌روند.

لازم به ذکر است در DRAM ها و نیز SRAM ها بعد از قطع جریان برق، اطلاعات از دست می‌روند؛ در SRAM ها ولتاژ قطع به معنی مقدار صفر در هر بیت می‌باشد، زمانی که برق قطع می‌شود، تمامی مقادیر یک به صفر تغییر پیدا می‌کنند، در نتیجه داده‌ها به کلی از بین می‌روند.

DRAM ها همانند SRAM ها عمل می‌کنند با این تفاوت که بعد از قطع جریان برق، به دلیل اینکه خازن‌ها دشارژ می‌شوند و همچنین مداری نیست که این خازن‌ها را بازیابی کند و مقادیر را نگهداری کند، داده‌ها را به سرعت از دست می‌دهد؛ به اینگونه حافظه ها، حافظه های فرّار [7] می‌گویند. در شکل  ‏۱‑۱ انواع حافظه های نیم‌هادی که در حال حاضر تولید شده‌اند را نشان می‌دهد.

حافظه های NV-SRAM و حافظه های فرار چیست ؟

ضمناً حافظه هایی از نوع NV-SRAM ها[8] وجود دارند که با قطع جریان برق، داده های خود را از دست نمی‌دهند.

به حافظه هایی که با قطع جریان برق اطلاعات خود را از دست نمی‌دهند، حافظه های غیر فرّار [9] می‌گویند.

از حافظه های NV-SRAM زمانی استفاده می‌شوند که داده‌ها بسیار مهم و حیاتی می‌باشد و در زمان قطع برق، استفاده از ذخیره‌کننده‌های انرژی مانند باتری‌ها امکان پذیر نیست یا استفاده از باتری  قابلیت اطمینان را کم می‌کند؛ در این صورت برای نگهداری داده‌ها از حافظه های NV-SRAM استفاده می‌شود. استفاده از حافظه های NV-SRAM دامنه‌ی گسترده‌ای در حوزه‌های مختلف از جمله در پزشکی، هوافضا، شبکه و… دارد.

 

شکل  ۱‑۱ انواع حافظه های نیمه‌هادی که به طور کلی به دو بخشِ حافظه های ROM و حافظه های RAM تقسیم می‌شوند که هر یک از حافظه ها، یا حافظه های فرار یا حافظه های غیر فرار می‌باشند.

عملکرد، هزینه‌ی ساخت، مزایا و معایب حافظه های eDRAM (کش L4) به چه صورت می‌باشد ؟

 اما حافظه های نهفته‌ی eDRAM در پردازنده‌ها ”هزینه‌ بر هر بیت“ [10] بیشتری در مقایسه با یک تراشه‌ی DRAM که به عنوان یک حافظه ی خارجی می‌باشد، دارد؛ اما مزایای عملکرد eDRAM ‌که از قرار دادن حافظه ی DRAM بر روی تراشه می‌باشد‌، در بسیاری از کاربردها بالاتر از معایبِ هزینه‌ی آن می‌باشد. از مزایا دیگر eDRAM ها باعث افزایش باس [11] و سرعت عملکرد می‌شود. همچنین این حافظه به دلیل اینکه از جنس حافظه ی فرار DRAM می‌باشد در نتیجه تراکم بیشتری در مقایسه ‌با SRAM خواهد داشت به عبارتی فضای کمتری را برای ذخیره‌سازی داده‌ها اشغال می‌کنند

بنابراین در صورت استفاده از eDRAM به جای استفاده از eSRAM ها[12]

می‌توانیم مقادیر بیشتری از حافظه را روی تراشه‌های کوچکتر نصب کنیم.

در مقاله‌ی بعدی در مورد حافظه‌ی eSRAM بیشتر صحبت خواهیم کرد، در صورت علاقه‌مندی، شما می‌توانید با مراجعه به این لینک در مورد آن اطلاعات بیشتری کسب کنید.

تفاوت حافظه های eDRAM با حافظه های eSRAM در چیست؟

اگرچه eDRAM در مقایسه با eSRAM نیاز به مراحل فرآیند فَب [13] اضافی دارد و باعث افزایش هزینه می‌شود،

اما از آن ‌جایی که حافظه های eDRAM سه برابر ناحیه‌‌ی بیشتری برای ذخیره‌سازی داده‌ها ایجاد می‌کند

که مقدار قابل توجه‌ای از این ناحیه در همان زمان طراحی قابل استفاده می‌باشد؛

در نتیجه هزینه‌ي فرایند جبران می‌شود. حافظه های eDRAM نیز همانند حافظه های DRAM از نوع حافظه های پویا با دسترسی تصادفی می‌باشند و نیز حافظه های فرّار می‌باشد، بنابراین نیاز به یک کنترل‌کننده‌ی بازیابی حافظه دارد که این مسئله می‌تواند باعث افزایش پیچیدگی در ساخت تراشه شود. در هر حال اگر کنترل کننده به همراه حافظه در داخل تراشه مجتمع و تعبیه شود، پردازنده می‌تواند با حافظه همانند یک SRAM ساده از نوع ۱T-SRAM ها [14] رفتار کند.

لازم به ذکر است روش‌ها و تکنیک‌ها وابسته به معماریی وجود دارد که سربار کنترل‌کننده‌ی بازیابی حافظه‌ در داخل تراشه برای کش‌های eDRAM یا کش L4 را کاهش می‌دهد.

حافظه های ۱T-SRAM چیست و چه شباهتی با DRAM ها دارند ؟

حافظه های ۱T-SRAM از نوع حافظه های سودو- ایستا با دسترسی تصادفی [15] می‌باشد.

این حافظه از یک سلولِ بیت مشابه حافظه ی DRAM استفاده می‌کند با این تفاوت که کنترل‌کننده‌ی بازیابی به شکل دیگری می‌باشد. در واقع این حافظه از یک ترانزیستور برای ذخیره‌سازی صفر و یک استفاده می‌کند که ترانزیستور با مدارهای کنترلی احاطه شده است که این مسئله از نظر عملکرد معادل حافظه ی SRAM می‌باشد.

تعداد ترانزیستورهای SRAM در مقایسه با یک ۱T-SRAM و اندازه حجم فیزیکی آن‌ چگونه می‌باشد؟

این درحالی است که عموماً حافظه های SRAM از ۶ تا ۱۲ ترانزیستور بر هر بیت سلول استفاده می‌کند

که این امر باعث افزایش حجم فیزیکی هر بیت سلول حافظه می‌شود؛ در حالی که حافطه های ۱T-SRAM می‌توانند از ۱/۶ تا ۱/۱۲ در مقایسه با حجم فیزیکی SRAM فشرده‌تر و متراکم‌تر شوند که منجر به کاهش هزینه‌ها می‌شود. به بیان دیگر حافظه های ۱T-SRAM چگالی بالایی [16] نسبت به SRAM‌ ها دارند. به دلیل اینکه در حافظه های ۱T-SRAM یک ترانزیستور در نقش یک بیت سلول عمل می‌کند

بنابراین اندازه و چگالی آن بسیار نزدیک به حافظه های DRAM ِتعبیه شده (eDRAM) می‌باشد،

در عین حال که عملکردی قابل مقایسه با حافظه های SRAM دارد،

اما توانی کمتری در مقایسه با eDRAM مصرف می‌کنند.

حافظه های ۲T-SRAM چه تفاوتی با ۱T-SRAM دارد و کاربرد آن چیست ؟ 

هرچند البته کم، اما متاسفانه سلول‌های تک ترانزیستوری، مقداری نشتی دارند،

در نتیجه یک ترانزیستور دیگری نیز به سلول اضافه می‌شود، تا بتوان از آن به عنوان تراشه‌‌های استاندارد حافظه‌ای استفاده کرد؛ بنابراین حافظه های ۱T-SRAM به حافظه های ۲T-SRAM تبدیل می‌شود. حافظه های ۲T-SRAM حافظه های بزرگتری می‌باشند اما در مقایسه با مدل تک ترانزیستور عملکرد بهتری خواهند داشت.

به یاد داریم که در هر بیت سلول DRAM به یک ترانزیستور و یک خازن نیاز است،

در حافظه های ۲T-SRAM ، رفتار ترانزیستور اضافه شده بسیار مشابه است با ”Select“ ترانزیستور در سلول DRAM‌ .

لازم به ذکر است سلول‌های ۱T-SRAM با اکتیو کردن گیت [17]، انتخاب [18] می‌شوند و با سورس [19] و درین [20] بیت خوانده یا نوشته می‌شود. شکل ۲‑۱ نشان‌دهنده‌ی تعداد ترانزیستورهای حافظه های SRAM و DRAM می‌باشد. در این شکل تعداد ترانزیستور در هر بیت سلول حافظه ها‌ی DRAM و SRAM که از نوع فرّار می‌باشد

و همچنین یک حافظه ی FLASH که از جنس حافظه ROM ها [21] و غیر فرّار می‌باشد، را نشان می‌دهد.

حجم و اندازه‌ی حافظه های eDRAM (کش L4) به چه صورت است؟

کش L4 در بعضی از پردازنده‌‌ها (مانند پردازند‌ه‌های هاسوِل و برادوِل [22] شرکت اینتل) یا حافظه های eDRAM در دیگر پردازنده‌ها می‌تواند ظرفیتی تا ۲۵۶ مگابایت یا حتی بیشتر در اندازه‌‌‌ي کمتر از ۱۰ نانومتر ساخته شود. به عنوان مثال پردازنده‌ی هاسول اریس‌پرو [23]  ۱۲۸ مگابایت ظرفیت حافظه ی کش L4 دارد یا به بیان دیگر ۱۲۸ مگابایت ظرفیت حافظه ی eDRAM‌ دارد.

می‌دانیم حافظه ی کش L4 نه DRAM و نه SRAM می‌باشد،

بلکه یک حافظه ی eDRAM می‌باشد و کش L4 باعث کاهش هزینه‌ و افزایش ظرفیت حجم کش‌ می‌شود.

اگر بتوان کش L4 یی را ساخت که ظرفیت آن ۵۱۲ مگابایت باشد،

تاخیر کش L4 با کش L3 تقریبا نزدیک می‌شود که این موضوع می‌تواند برای سرعت پردازش بسیار مفید واقع شود.

شکل  ‏۱-۲ نمونه‌ای از حافطه‌های SRAM و DRAM و نیز تعداد ترانزیستور استفاده شده در آن‌ها

زیرنوشت

[1] Multi-chip module (MCM)

[2] Microprocessor

[3] Metal-oxide-semiconductor (MOS)

[4] Refresh

[5] Refresh process

[6] Static random-access memory

[7] Volatile memory

[8] Non-volatile Static Random Access Memory

[9] Non-volatile memory

[10] Cost-per-bit

[11] Bus

[12] Embedded SRAM

[13] Fab

[14] One transistor – static random-access memory (۱T-SRAM )

[15] Pseudo-static random-access memory

[16] High-density

[17] Gate

[18] Select

[19] Source

[20] Drain

[21] Read Only Memory (ROM)

[22] Broadwell

[23] Iris Pro