Halbleiterspeicher: Speicherbausteine

Halbleiterspeicher: Speicherbausteine

 

Um Informationen (z. B. Programme) in einem Computer zu speichern, werden Speicherbausteine mit schnellem Zugriff benötigt. Mithilfe der Halbleitertechnologie werden Speicher hergestellt, die als Hauptspeicher in einem Computer zum Einsatz kommen. Bei den Halbleiterspeichern unterscheidet man zwischen Tabellenspeichern und Funktionsspeichern. Die Speicherelemente sind durch Flipflops (elektronische Kippschalter) mithilfe von Transistoren, Kondensatoren und Widerständen realisiert. Die eingesetzten Technologien (bipolare Speicher und MOS-Speicher) unterscheiden sich in der Zugriffsgeschwindigkeit, im Stromverbrauch und in der Integrationsfähigkeit auf einen Chip. Die bipolaren Speicher (TTL, Transistor-Transistor-Logik, ECL, englisch emitter coupled logic) sind schneller, können aber durch den höheren Stromverbrauch nicht so hoch integriert werden. Die MOS-Speicher (englisch metaloxid semiconductor, Metalloxidhalbleiter) sind etwas langsamer, können allerdings viel höher integriert werden.

 

 Schreib-Lese-Speicher

 

Schreib-Lese-Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM, englisch random access memory) werden dazu benutzt, Programme und Daten für die Ausführung im Computer zu halten. Es sind Speicher, bei denen man unter einer Adresse Daten abspeichern und auch wieder auslesen kann. Vom Adresskodierer werden die Adresseingänge so kodiert, dass die richtige Speicherzelle ausgelesen wird, wodurch eine typische Tabellenstruktur zustande kommt. Bei den Schreib-Lese-Speicherbausteinen werden DRAM (dynamic RAM) und SRAM (static RAM) unterschieden. Der Arbeitsspeicher heutiger Computer besteht meistens aus DRAM-Bausteinen, wogegen die schnelleren SRAM-Bausteine nur in Hochleistungscomputern und für Cachespeicher (Zwischenspeicher) eingesetzt werden. Beim dynamischen Schreib-Lese-Speicher (DRAM) ist im Kern eine Speichermatrix enthalten, an deren Knotenpunkten eine 1-Bit-Zelle liegt. Diese Speicherzelle besteht aus einem Transistor und einem Kondensator. Die Zellen werden über eine Zeilen- und eine Spaltenadresse angesprochen. Durch Ladungsverluste müssen die Zellen immer wieder (ca. alle 8 ms) neu regeneriert werden. Man spricht aufgrund dieses »Refreshens« (Erneuerns) von einem dynamischen Schreib-Lese-Speicher. Die SRAM-Bausteine sind ähnlich aufgebaut, bestehen aber pro 1-Bit-Zelle aus bis zu sechs Transistoren.

 

 Festwertspeicher

 

Bei Tabellenspeichern, die nur gelesen werden können, spricht man von Festwertspeichern (ROM, englisch read-only memory). Die zu speichernden Inhalte werden vor der Fertigstellung vom Hersteller einprogrammiert und bleiben auch nach der Abschaltung der Betriebsspannung (z. B. Ausschalten des Computers) erhalten. Wie die Schreib-Lese-Speicher haben die Festwertspeicher auch wahlfreien Zugriff zu den einzelnen Speicherelementen, d. h., mittels einer Adresse kann ein Datenwort ausgelesen werden. Es gibt verschiedene Arten von Festwertspeichern, u. a. MROM, PROM, EPROM, EEPROM. Sie unterscheiden sich lediglich in der Art und Weise, wie sie programmiert werden. MROMs werden vom Hersteller nach einer Maske programmiert. PROMs können dagegen mit einem speziellen Programmiergerät vom Benutzer selbst programmiert werden. UV-löschbare Festwertspeicher (EPROM) lassen sich vom Benutzer nicht nur programmieren, sondern auch mit ultraviolettem Licht löschen. Bei den elektrisch löschbaren Festwertspeichern (EEPROM) kann durch Anlegen einer Programmierspannung, einer Adresse und des zu speichernden Datenwortes jede Speicherstelle neu beschrieben werden.

 

 Programmierbare logische Bauelemente

 

Die letzte Gruppe der Halbleiterspeicher bilden die Funktionsspeicher. Hier werden im Gegensatz zu den Tabellenspeichern (RAMs und ROMs) keine Tabellen, sondern logische Funktionen gespeichert. Zu den programmierbaren logischen Bauelementen (PLD, englisch programmable logic device) gehören die PALs, PLAs und die LCAs. PLAs (englisch programmable logic arrays) sind schwer zu programmieren und besitzen daher heute keine große Bedeutung mehr. Die LCAs (englisch logic cell arrays) sind ganz neue Bauelemente, bei denen nicht nur logische Funktionen, sondern auch beliebige Datenpfade zwischen Funktionsblöcken programmierbar sind. Am verbreitetsten und am leichtesten zu programmieren sind die PALs (englisch programmable array logic). Zuerst werden die Konjunktionen (UND-Verknüpfung) der Eingangsvariablen, anschließend deren Disjunktion (ODER-Verknüpfung) gebildet. PALs werden heutzutage nicht mehr von Hand entworfen und programmiert, sondern mithilfe von Computerprogrammen, die auch entsprechende Programmiergeräte ansteuern können. PALs werden in großen Schaltwerken eingesetzt.