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 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 2^R×2^C-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.

Siehe auch: Speicherkarte und Sequentieller Zugriff

Halbleiterspeichertypen

Stammbaum der Halbleiterspeicher

Tabellenspeicher Flüchtige Speicher (RAM) SRAM Asynchrones SRAM Low-Power SRAM Synchrones SRAM Burst SRAM Pipelined Burst SRAM ZBT SRAM QDR-SRAM DRAM Asynchrones DRAM Standardisiert FPM-DRAM BM-DRAM EDO-DRAM Nicht standardisiert WRAM VRAM Synchrones DRAM (SDRAM) Standardisiertes SDRAM SDR-SDRAM DDR-SDRAM QDR-SDRAM (DDR2-SDRAM) ODR-SDRAM (DDR3-SDRAM) GDDR-SDRAM Nicht standardisiertes SDRAM embedded DRAM customized DRAM cache DRAM (CDRAM) enhanced DRAM (ESDRAM) virtual channel DRAM (VC DRAM) reduced latency DRAM (RLDRAM) DRAM mit niedriger Leistung mobile RAM COSMO-RAM pseudo-static RAM (PSRAM) cellular RAM Protokollbasierte DRAM synclink DRAM (SLDRAM) direct Rambus DRAM (DRDRAM) XDR-DRAM Nichtflüchtige Speicher Ausgereiftes Material ROM MROM⁠⁠ Programmable Read-Only Memory (PROM) One Time Programmable ROM (OTP) Erasable Programmable ROM (EPROM) ultra-violet erasable PROM (UV-EPROM) electrically erasable PROM (EEPROM) Flash NAND Single Level Cell (SLC) Standard-NAND Assisted Gate AND (AG-AND) Multi-Level Cell (MLC) Standard-NAND Multibit Twin Flash (NROM) NOR Single Level Cell (SLC) Standard-NOR Multi-Level Cell (MLC) Strata Flash Multibit Mirror Bit (NROM) Innovatives Material Ferroelectric RAM (FRAM, FeRAM) Magnetoresistive RAM (MRAM) Phase-change RAM (PCRAM) Chalcogenide RAM (C-RAM) Ovonic Unified Memory (OUM) Programmable Metallization Cell (PMC) Organic RAM (ORAM) Conductive Bridge RAM (CBRAM) Nanotube RAM (NRAM) Racetrack-Speicher (englisch Racetrack memory) Memristor

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

	in Produktion
	Produktion eingestellt
	in 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)

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)

• Acer
• ADATA
• Corsair
• Crucial
• Cypress Semiconductor
• Elpida Memory (Joint Venture von NEC und Hitachi)
• Hewlett-Packard
• Hitachi
• Hynix Semiconductor (früher Hyundai Electronics)
• IBM
• Infineon
• Kingston Technology
• Micron Technology
• Mitsubishi
• NXP Semiconductors (früher Philips)
• OCZ Technology
• Samsung Electronics
• Sony
• Toshiba
• Transcend

Siehe auch

• Soft Error

Weblinks

• Jürgen Plate: Einführung Datenverarbeitungssysteme – 7. Speicherwerk (Arbeitsspeicher). FH München.
• Interaktive CMOS 6T SRAM CELL