Halbleiterspeicher

Grundprinzip und Speicherzellen

Ein Halbleiterspeicher (englisch semiconductor memory) ist ein mit Halbleitertechnik realisierter Datenspeicher. Er wird mit mikroelektronischen Verfahren als integrierte Schaltung (IC, umgangssprachlich Speicherchip) hergestellt oder ist eine Teilfunktion eines komplexeren ICs. Digitale Daten werden als binäre Schaltzustände gespeichert oder ausgelesen.

Eine Speicherzelle ist die physikalische Realisierung der kleinsten Einheit zum Speichern logischer Zustände. Je nach Zusammenhang meint sie entweder ein 1-Bit-Speicherelement oder die kleinste adressierbare und damit les- beziehungsweise schreibbare Einheit: ein Wort oder Datenwort aus n Bit, wobei n > 1. Heutige Personal Computer verwenden meist Wortlängen von 32 oder 64 Bit. Erste Taschenrechner verwendeten 4 Bit, erste PCs 8 Bit; für einfache Steuerungen und Mikrocontroller werden weiterhin 8 Bit eingesetzt.

Speicherzellen sind flüchtig oder nichtflüchtig. Nichtflüchtige Zellen behalten ihre Information bei unterbrochener Stromversorgung. Bei flüchtigen Zellen geht die Information ohne Stromversorgung verloren.

Aufbau und Zugriffsarten

Ein 1-Bit-Speicherelement kann mit wenigen Transistoren und Kondensatoren aufgebaut werden. Bei analogen Speicherzellen ist der Kondensator das grundlegende Speicherbauteil. Digitale Speicherzellen benötigen einen Transistor, etwa beim 1-T-DRAM, oder mehrere Transistoren, etwa bei statischem RAM und bei rückgekoppelten Transistoren, den Flipflops.

Für wahlfreien Zugriff liegen Speicherzellen in einer 2^{R}×2^{C}-Matrix. Wortleitungen und Bitleitungen dienen zum Adressieren sowie zum Schreiben und Lesen. Ein Reihen- und ein Spaltendekodierer wählen die betreffende Zelle aus. So ist der direkte Zugriff auf beliebige Speicherzellen möglich; diese Anordnung heißt Random-Access Memory (RAM).

Beim sequentiellen Zugriff erfolgt die Adressierung über Befehle, ähnlich wie bei Festplatten. CompactFlash (CF) und PCMCIA verwenden beispielsweise den ATA/ATAPI-Befehlssatz. Diese Zugriffsart benötigt weniger Kontaktierungsflächen auf dem Chip und ist deshalb preisgünstiger herzustellen.

Flüchtige Speicherarten

Zu den flüchtigen Halbleiterspeichern zählen Static RAM (SRAM) und Dynamic Random Access Memory (DRAM). SRAM gibt es unter anderem als asynchrones, Low-Power-, synchrones, Burst-, Pipelined-Burst-, ZBT- und QDR-SRAM.

DRAM umfasst asynchrones DRAM und synchrones DRAM (SDRAM). Beim standardisierten asynchronen DRAM werden Fast Page Mode DRAM (FPM-DRAM), BM-DRAM und Extended Data Output RAM (EDO-DRAM) genannt. Nicht standardisierte Varianten sind Video RAM (VRAM, WRAM). Standardisiertes SDRAM umfasst SDR-SDRAM, DDR-SDRAM (DDR1), QDR-SDRAM (DDR2), ODR-SDRAM (DDR3), DDR4-SDRAM (DDR4) und GDDR-SDRAM (GDDR1 bis GDDRx) als Grafikspeicher.

Weitere DRAM-Formen sind 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, pseudostatisches RAM (PSRAM), Cellular RAM sowie die protokollbasierten Varianten Synclink DRAM (SLDRAM), Direct Rambus DRAM (DRDRAM) und XDR-DRAM.

Nichtflüchtige Speicherarten

Nichtflüchtige Halbleiterspeicher umfassen Read-Only Memory (ROM) und Flash-Speicher. ROM-Arten sind Mask ROM, Programmable Read-Only Memory (PROM), One Time Programmable (OTP), Erasable Programmable ROM (EPROM) mit Ultra-violet erasable PROM (UV-EPROM) sowie Electrically erasable PROM (EEPROM).

Flash-Speicher werden in NAND-Flash und NOR-Flash eingeteilt. NAND-Flash gibt es als Single Level Cell (SLC), Standard-NAND und Assisted Gate AND (AG-AND) sowie als Multi-Level Cell (MLC), Standard-NAND, Multibit und Twin Flash (NROM). NOR-Flash umfasst Single Level Cell (SLC), Standard-NOR und Multi-Level Cell (MLC), Strata Flash, Multibit sowie Mirror Bit (NROM).

Weitere Speicher und wichtige Abkürzungen

Weitere Speichertypen, die in Produktion sind, sind Ferroelectric Random Access Memory (FRAM, FeRAM) und Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM). In Forschung und Entwicklung werden Chalcogenide RAM (C-RAM), Conductive Bridge RAM (CBRAM), Memristor, Nanotube RAM (NRAM), Organic RAM (ORAM), Ovonic Unified Memory (OUM), Programmable Metallization Cell (PMC), Phase-change Random Access Memory (PCRAM), auch PRAM, und Racetrack-Speicher genannt.

Wichtige Abkürzungen: RAM bedeutet Random Access Memory, ROM Read-Only Memory, SRAM statischer RAM und DRAM dynamischer RAM. M… steht für masken-programmierbar, P… für programmierbar, EP… für lösch- und programmierbar und EEP… für elektrisch lösch- und programmierbar. SD bedeutet Synchronous Dynamic (RAM); DDR, QDR und ODR stehen für Double, Quad beziehungsweise Octo Data Rate. GDDR bedeutet Graphics DDR (RAM), RDRAM Rambus DRAM und ZBT SRAM Zero Bus Turnaround SRAM.