Halbleiterspeicher

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Dieser Artikel behandelt die Grundlagen. Für die handelsüblichen Bauformen siehe Speichermodul

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[Bearbeiten]

Verschiedene Halbleiterspeicher

Beschreibung[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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.

Siehe auch: Speicherkarte, sequentieller Zugriff

Halbleiterspeichertypen[Bearbeiten]

Stammbaum der Halbleiterspeicher
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
Abkürzung Bedeutung
RAM Random Access Memory
ROM Read-Only Memory
SRAM Statischer RAM
DRAM Dynamischer RAM
PRAM Phase-change RAM
MRAM Magnetoresistives RAM
M… Masken-programmiert
P… Programmierbar
EP… Lösch- und programmierbar
EEP… Elektrisch lösch- und programmierbar
SD Synchronous Dynamic (RAM)
DDR Double Data Rate (RAM)
QDR Quad Data Rate (RAM)
ODR Octo Data Rate (RAM)
GDDR Graphics DDR (RAM)
RDRAM Rambus DRAM
ZBT SRAM Zero Bus Turnaround SRAM
Symbol support vote.svg in Produktion
Symbol oppose vote.svg Produktion eingestellt
Symbol neutral vote.svg in Entwicklung

Umsatzzahlen[Bearbeiten]

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 Halbleiterspeicherbaulementen im Jahr 2005 (Quelle: Elektronik Scout 2006)
Speichertechnologie Umsatz
Flüchtige Speicher (RAM)
Statisches RAM (SRAM) 2 Mrd. $
Dynamisches RAM (DRAM) 27 Mrd. $
Nichtflüchtige Speicher
Ausgereiftes Material Nur-Lese-Speicher (ROM) 2 Mrd. $
Flash NAND 8 Mrd. $
NOR 9 Mrd. $
Innovatives Material 0,01 Mrd. $
Gesamtumsatz 48 Mrd. $

Hersteller (Auswahl)[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Fortschritte in der MRAM Technologie. itse-wissen.de. Abgerufen 30. September 2010.