Türkiye Bilişim Ansiklopedisi
2. SALT-OKU BELLEKLER
Bellekler
1. GİRİŞ
Bellekler büyük miktarda sayısal bilgi saklayan
sistemlerdir. Burada bellek olarak sadece günümüz
teknolojisine uygun olarak yarıiletken bellekler ele
alınacaktır. Belleklerde sayısal bilgi, çekirdek ismi
verilen ve satır-sütun düzeninde bir matris yapısına
sahip olan ana bölümde saklanır. Herbir satır ve
sütunun kesişim noktasında bir bitlik bir bilgiyi
saklayan bir bellek hücresi mevcuttur. Çekirdekteki
herhangi bir bellek hücresine yazma veya okuma işlemi
yapmak için o satır ve sütuna erişmek gerekir.
Çekirdekteki satırlar, başka bir deyişle yatay hatlar,
kelime hatları (word lines); sütunlar, başka bir deyişle
düşey hatlar ise bit hatları (bit lines) olarak adlandırılır.
Satır ve sütun sayısı arttıkça, yani çekirdek boyutu
büyüdükçe satır ve sütun bağlantılarını tümleştirilmiş
devre (tümdevre) dışına almak olanaksız hale gelir.
Satır sayısı 2N, sütun sayısı 2M olan bir çekirdek göz
önüne alınırsa, N>5, M>5 için söz konusu zorluk
başlar. Örnek olarak N=M=10 için satır ve sütun sayısı
1024 olup, 1Mbit’lik bir çekirdek söz konusu olup,
günümüzdeki gerçekleştirmeler açısından çok mütevazı
bir bellek çekirdeğinde sadece adresleme için toplam
2048 bağlantı ucu gerekecektir. Bu uçlara dış dünyadan
daha az sayıda uçtan erişebilmek için satır ve sütun kod
çözücüleri kullanılır. Satır ve sütun kod çözücüleri ile
birlikte bir yarıiletken belleğin genel yapısı Şekil 1.1’de
görülmektedir.
Satır ve sütun kod çözücüleri yardımıyla adresleme
uçları 2N ve 2M’den sırasıyla N ve M’ye inmekte,
böylece bunlara tümdevre ortamında da dışarıdan
erişilebilmesi mümkün hale gelmektedir.
2N
satır
1
2
.
N
satır
kod
çözücü
ÇEKİRDEK
satır
adresleri
2M sütun
sütun kod
çözücü
1 2.......... M
sütun adresleri
Şekil 1.1 Satır ve sütun kod çözücüleri ile birlikte
bellek yapısı.
Salt-oku bellekler (read-only memory: “ROM”) bazı
sabit değerlerin, değiştirilmesi söz konusu olmayan
kontrol bilgilerinin ve bazı komutların saklanması için
kullanılırlar. ROM’lar metal maske aşamasında
fabrikada programlanan bellek üniteleri olmakla
beraber, bunların, daha sonra kullanıcılar tarafından
programlanabilen, başka bir ifadeyle sakladıkları
bilgiler belli bir prosedürle yeniden organize edilebilen
türleri de gerçekleştirilmektedir. Bunlara örnek olarak
PROM (programlanabilen ROM), EPROM (elektriksel
olarak programlanabilen ROM), EEPROM (elektriksel
olarak silinebilen ve programlanabilen ROM)
gösterilebilir. Aşağıda salt-oku bellek yapıları, bunlara
ait satır ve sütun kod çözücüler anlatıldıktan sonra,
bunların PROM, EPROM ve EEPROM haline nasıl
getirildikleri belirtilecektir.
Temelde iki tür salt-oku bellek yapısı söz konusudur.
Bunlar NOR (EVRİK VEYA) temelli ve NAND
(EVRİK VE) temelli salt-oku belleklerdir.
NOR Temelli ROM
NOR temelli CMOS salt-oku bellek dizisinin ilk üç
satır ve beş sütununa karşı düşen küçük bir kısmı Şekil
2.1’de görülmektedir. Yapı herbir sütununun satır
girişlerine göre NOR işlemi yapmaktadır. Geçitleri
topraklanmış olan pMOS’lar paralel bağlı nMOS’ların
oluşturduğu NOR kapılarının aktif yükleri olup, NOR
kapıları bu halleriyle sözde nMOS NOR kapıları
oluşturmaktadırlar. Satır-sütun dizisinin kesişme
noktalarının bazılarında bir nMOS transistoru bulunup,
bazılarında ise bulunmamaktadır. Herhangi bir satır
girişi lojik “1” e çekildiğinde, geçitleri o satıra bağlı
bulunan transistorlar iletime geçer ve kesişme
noktalarında nMOS bulunan sütunlar düşük seviyeye
(lojik “0”) çekilirken, kesişme noktalarında nMOS
bulunmayan sütunlar yüksek seviyede (lojik “1”) kalır.
Başka bir ifadeyle, pozitif lojik için, saklanan lojik “1”
bilgisi bir kesişme noktasında nMOS bulunmaması,
lojik “0” bilgisi ise bir nMOS bulunması ile sağlanır.
ROM üretiminde, bellek matrisinin tüm kesişim
noktalarında bir nMOS transistor oluşturulur. “1”
yazılması istenen yerlerdeki nMOS’ların eşik gerilimi
yükseltilir, “0” yazılması istenen yerlerdekiler ise
normal eşikli bırakılır. Kimi proseslerde ise, alternatif
olarak, “1” yazılması istenen yerlerdeki nMOS’ların
geçit bağlantılarının yapılmaması yoluna gidilir. Sözde
nMOS NOR kapıları biçiminde düzenlenen bu ROM’un
en büyük sakıncası, ilgili kelime hattı seçilerek iletime
sokulan transistorların neden olduğu statik güç
tüketimidir. Bu sakıncayı gidermek amacıyla pMOS
transistor geçitleri toprağa bağlanmayıp bir  ön
yükleme işaretine bağlanır. Okuma işlemine geçmeden
Bellekler
önce,  “0”dan “1”e çekilerek pMOS yük transistorları
kesime sokulur. Bir kelime hattı seçildiğinde
nMOS’ların bulunduğu (lojik “0” yazılı) bit hatları lojik
“0”a çekilir, transistorların bulunmadığı (lojik “1”
yazılı) bit hatları ise yüksek seviyesini korur.
VDD
C2
C1
C3
C5
C4
R1
VDD
R2
R1
R3
R2
R3
RN
C1
C2
C3
C4
C5
Şekil 2.1 NOR temelli sözde nMOS ROM’un küçük
bir kısmı.
Şekil 2.2 NAND temelli sözde nMOS ROM’un
küçük bir kısmı.
VDD
R1
NAND Temelli ROM
NAND temelli CMOS salt-oku bellek dizisinin küçük
bir kısmı Şekil 2.2’de görülmektedir. Yapı herbir
sütununun satır girişlerine göre NAND işlemi
yapmaktadır. Geçitleri topraklanmış olan pMOS
transistorlar seri bağlı nMOS’ların oluşturduğu NAND
kapılarının aktif yükleridir. Satır sütun dizisinin
kesişme noktalarının bazılarında bir nMOS transistoru
bulunup, bazılarında ise nMOS yerine kısa devre vardır.
Tüm satırlar lojik “1”de iken, herhangi bir satır girişi
lojik “0”a çekildiğinde, geçitleri o satıra bağlı bulunan
nMOS’lar kesime girer ve kesişme noktalarında nMOS
bulunan sütunlar yüksek seviyeye (lojik “1”) çekilirken,
kesişme noktalarında nMOS bulunmayan sütunlar
düşük seviyede (lojik “0”) kalır. Başka bir ifadeyle,
pozitif lojik için, saklanan lojik “1” bilgisi bir kesişme
noktasında nMOS bulunması, lojik “0” bilgisi ise bir
kısa devre bulunması ile sağlanır. ROM üretiminde,
bellek matrisinin herbir kesişim noktasında bir nMOS
transistor oluşturulur. “0” yazılması istenen yerlerdeki
nMOS’ların eşik gerilimi düşürülür (sürekli iletimde
kalırlar), “1” yazılması istenen yerlerdekiler ise normal
eşikli bırakılır. Alternatif olarak, kimi proseslerde, “0”
yazılması istenen yerlerdeki nMOS’ların savak ve
kaynak uçları kısa devre edilir. NAND temelli ROM
çekirdeğinde transistorlar seri bağlandıkları için sütun
düşük seviye değerlerini (lojik “0”) istenilen bir değerin
altında tutabilmek açısından satır sayısı çok fazla
artırılamaz. Bu nedenle büyük ölçekli ROM
çekirdekleri NOR temelli yapılır.
R2
R3
R4
Adres
ayırıcılar
A1
A2
A3
Şekil 2.3 NOR temelli sözde nMOS satır kod
çözücüsünün küçük bir kısmı.
Satır Kod Çözücüleri
Bellek kapasitesinin artırmak için satır ve sütun sayısını
artırmak gerekir. Satır ve sütun sayıları modern
belleklerde binler mertebesinde olup, bu kadar çok satır
ve sütuna ulaşmak tümleştirilmiş devrelerin kullanılan
kılıf teknolojisine bağlı ve yüz mertebesini aşamayan
bağlantı ucu (pin) nedeniyle mümkün olmaz. Dış
dünyadan bellek çekirdeğinin herhangi bir satır ve
sütununa makul sayıda bağlantı ucundan ulaşabilmek
için satır ve sütun kod çözücüleri kullanılır. ROM’lar
için satır kod çözücülerinin topolojileri kullanılan
çekirdeğin yapısına bağlı olup, NOR ve NAND temelli
çekirdekler için kod çözücüler de sırasıyla NOR ve
NAND temelli olurlar. Satır kod çözücüleri
girişlerindeki ikili koda göre yazılmış sayı ile bellek
Türkiye Bilişim Ansiklopedisi
hücresindeki 2N satırdan birini seçecek biçimde
tasarlanır. Bu durumda kod çözücü giriş ucu sayısı N
olup, giriş uçlarının lojik “1” veya “0” olmalarının
değişik kombinezonlarına göre (bunların sayısı 2N dir)
istenilen satır seçilir. Şekil 2.3’te NOR temelli bir ROM
için tasarlanmış satır kod çözücüsünden bir kesit
görülmektedir.
İlk üç girişi ve ilk dört çıkışı görülen kod çözücüde A1,
A2 ve A3 girişlerine gelen ikili koddaki sayıya karşı
düşen satır dışındaki bütün satırlar, o satırı oluşturan
nMOS transistorlardan en az biri iletimde olacağı için,
lojik “0”a çekilmiş olacak ve istenilen satır seçme
işlemi gerçekleşmiş olacaktır. Örnek olarak A1=0,
A2=0, A3=0 ise, sadece R1’deki transistorların hepsi
kesimde olacak ve bu satır lojik “1”e yükselecektir.
Sütun Kod Çözücüleri
Sütun kod çözücüsü olarak kullanılan birçok devre
topolojisi söz konusudur. Bunlardan en çok kullanılan
bir tür olan “ağaç türü” sütun kod çözücüsü Şekil 2.4’te
görülmektedir. Sütun kod çözücüsünün ikili koddaki üç
adres bilgisi ile sekiz sütundan birini seçme işlemi B1,
B2 ve B3’ün “0” veya “1” olmasına göre üç farklı
seviyedeki tek ya da çift numaralı sıradaki nMOS’ların
iletime girerek sütunlardan birini seçmesi olarak
özetlenebilir. Şekilden de açıkça görülebileceği üzere
sütun kod çözücüsünde M adet ikili tabandaki giriş
kodu ile 2M sütundan biri seçilebilmektedir.
Adres
ayırıcılar
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
B1
B2
müşteri isteklerine göre yapılacaktır. Bu durum
özellikle az sayıdaki kullanım amaçları için ekonomik
olmadığı gibi, zaman kaybına da neden olur. Bu
nedenle kullanıcılar tarafından programlanabilen saltoku bellek türleri gerçekleştirilmektedir.
Programlanabilir salt-oku bellek (PROM)
Programlanabilir salt-oku bellekler, bellek satır ve sütun
kesişim noktalarına diyot ve transistor gibi çeşitli aktif
elemanlar yerleştirilerek gerçekleştirilir. Programlama
kullanıcı tarafından kelime ve bit hatları (satır ve
sütunlar) belli bir gerilimin üzerine çıkarılan kesişim
noktalarındaki aktif elemanların yakılarak, diğerlerinin
ise sağlam bırakılarak yapılmasına dayalı bir işlemle
gerçekleştirilir. Bu tür bellekler ROM’lar gibi bir kez
programlanabilen yapılardır. PROM’lar silinebilen
(EPROM, EEPROM) salt-oku bellekler kullanıma
girdikten sonra ortadan kalkmışlardır.
Silinebilen programlanabilir salt-oku bellek(EPROM)
Adından da anlaşılacağı üzere silinebilen ve elektriksel
olarak programlanabilen salt-oku bellekler, besleme
gerilimi kesilse bile sakladığı bilgi kaybolmayan bilgi
depolama aygıtlarının en kullanışlı türlerinden
olmuşlardır. Bir EPROM’un klasik bir ROM’dan farkı,
bellek çekirdeğindeki kesişim noktalarındaki aktif
elemanın klasik bir nMOS yerine FAMOS teknolojisi
ile (Floating-gate, avalanche injection, metal oxide
semiconductor) gerçekleştirilmiş çift geçitli bir eleman
olmasıdır. Böyle bir bellek elemanı Şekil 2.5’te
görülmektedir [4]. Bu transistorun geçitlerinden biri,
tamamen SiO2 ile yalıtılmış olan yüzer geçittir. Bu
yüzer geçide ait geçit kapasitesi sakladığı yükü uzun
yıllar muhafaza edebilir. Bu geçit kapasitesi, sayısal
bilginin saklanması görevini üstlenmektedir.
polisilisyum
kelime hattı
metal bit hattı
B3
yüzer geçit
SiO2
veri
n+
n+
difüzyonlu
toprak hattı
p+
Şekil 2.4 Ağaç tipi sütun kod çözücüsü.
p
Programlanabilir salt-oku bellekler (PROM,
EPROM, EEPROM)
Salt-oku belleklerin programlanması fabrikasyon
işlemlerinden son maske aşaması olan metal maske
adımında,
bazı
bağlantıların
yapılması
veya
yapılmaması, ya da eşik ayarı ile gerçekleştirildiği
yukarıdaki açıklamalardan anlaşılmaktadır. O halde
ROM’ların programlanması üretici firma tarafından
Şekil 2.5 Çift geçitli EPROM transistoru (FAMOS).
Transistora yeni bilgi aktarılması, başka bir ifadeyle
programlama şu şekilde olmaktadır. Yüzer geçit ve
taban arasında nispi olarak yüksekçe bir gerilim
oluştuğunda, bu geçide çığ olayı ile elektronlar enjekte
edilir. Bu, savak ve kaynağı arasına yüksekçe bir
Bellekler
gerilim uygulanan transistorun geçidine de yüksek
sayılabilecek (yaklaşık 25V) bir gerilim uygulanarak
gerçekleştirilir. Bu sırada kaynaktan savağa ulaşırken
yüksek kinetik enerji kazanan elektronların bir kısmı
geçitte oluşan elektriksel alanın çekim kuvvetiyle SiO2
tabakasını aşarak yüzer geçide ulaşır. Bu şekilde, yüzer
geçidi negatif yüklü transistorlar, kanallarında yığılma
(p+>p) söz konusu olduğu için, eşik gerilimleri artmış
bir geçiş karakteristiğine sahip olurlar. ROM
çekirdeğinde bazıları yukarıda anlatılan şekilde
programlanmış,
bazıları
ise
programlanmamış
transistorlar kullanılarak bilgi saklanır. Çekirdek eğer
NOR temelli ise, geçitleri lojik “1”e çıkarılan kelime
hattına bağlı olan programlanmış transistorlar kesimde
kalırlar. Buna karşılık, programlanma aşamasında yüzer
geçitlerine elektron enjekte edilmeyen transistorlar ise
iletime girerler. Yani yüzer geçitlerine elektron enjekte
edilen FAMOS transistorlar NOR temelli bir çekirdekte
kullanıldıklarında lojik “1” bilgisini, elektron enjekte
edilmeyenler ise lojik “0” bilgisini saklamaktadırlar.
Saklanan bilginin silinmesi ise şu şekilde
gerçekleştirilmektedir: Silmek için yüzer geçidin
sakladığı yükün buradan uzaklaştırılması gerekir. Bu
amaçla, yüzer geçide uygun dalga boyunda (2537Å
dalgaboylu - morötesi) kuvvetli ışıklandırmayı, yüzer
geçitteki yükler tamamen uzaklaştırmaya yetecek
sürede (20 ila 30 dakika) uygulamak gerekir. Bu
ışıklandırmayı sağlamak amacıyla tümleştirilmiş ROM
kılıfı üzerinde kuvartz bir pencere oluşturulur. Bu
işlemin gerçekleştirilmesi için EPROM’un devredeki
yuvasından çıkartılması zorunluluğu en büyük
dezavantaj olarak karşımıza çıkmaktadır.
Elektriksel olarak silinebilen programlanabilir saltoku bellek (EEPROM)
EPROM’ların devreden sökülmeden silinememesinin
ve programlama işleminin yapılamamasının bazı
uygulamalarda büyük zorluklara neden olduğu göz
önünde tutularak, bilgi saklayan hücre transistorları
modifiye edilerek elektriksel olarak silinebilen ve
programlanabilen salt-oku bellekler (EEPROM)
geliştirilmiştir. Bir EEPROM hücresinin basitleştirilmiş
kesiti Şekil 2.6’da görülmektedir. Şekilden de
görüleceği gibi, bir hücre, tek geçitli bir seçme
transistoru yanında çift geçitli bir saklama transistorunu
da içermektedir. Başka bir ifadeyle, bir EEPROM
hücresi silisyum kırmık üzerinde bir EPROM hücresine
göre daha fazla yer kaplamaktadır. Şekil 2.6’da yüzer
geçidin savak tarafına bakılırsa, geçit iletkeninin savağa
uzaklığının özellikle azaltılarak tünel olayına uygun
hale getirildiği farkedilebilir. Bu özelliklere sahip bir
bellek hücresi için söz konusu teknolojide zamanla
birçok gelişme yaşanmış, gerek yer, gerek hız açısından
belirgin bir ilerleme sağlanmıştır. EPROM ve
EEPROM’ların sentezi olarak ortaya çıkan FLASH
bellekler bu gelişmeye verilebilecek en iyi örnektir.
Poly arası
oksidi
Geçit oksidi
G
yüzer geçit
D
S
n+
n+
Seçme
transistoru
n+
p
Şekil 2.6 EEPROM hücresi (FLOTOX) [5].
3. YAZ-OKU BELLEK
Daha çok “rasgele erişimli bellek” (random-access
memory “RAM”) olarak anılan bu bellek türünde,
bellek hücrelerindeki verinin okunabilmesi yanında
değiştirilebilmesi (yazılması) de mümkündür. Aslında
EEPROM da bir yaz-oku bellek olarak düşünülebilse
de, RAM ile arasındaki en önemli iki fark, EEPROM’a
veri yazılabilmesi için kayıtlı verilerin tümüyle
silinmesi gerekliliği ve yeni verinin yazılması işleminin
RAM’e kıyasla oldukça daha uzun bir sürede
gerçekleşebilmesidir.
RAM’de, ilişkin adresin satır ve sütunu seçildiği zaman
herhangi bir bellek hücresinin içeriği yüksek hızlarda
okunabildiği gibi, aynı zamanda okuma hızıyla
kıyaslanabilir hızlarda değiştirilebilir de. RAM’lerde
okuma yanında - ROM’lardan farklı olarak - bir de
yazma işlemi sözkonusu olduğundan, bir bellek
hücresinin satır ve sütununun seçilmesi yanında, okuma
ve yazma işlemleri arasında da bir seçim gerekir ve bu
yüzden bunlar için de kontrol bitleri kullanılır. Okuma
ve yazma sırasında kullanılan yöntemler birbirinden
oldukça farklı olduğundan, birbirlerinden ayrı ayrı
yapılarda olan okuma ve yazma devrelerinden
yararlanılması gerekir.
Günümüzde birçok uygulamada, erişim hızı yüksek ve
yüksek kapasiteli RAM’lere gereksinim olduğundan
RAM’ler tümleştirme yoğunluğu yüksek olan
yarıiletken teknolojileriyle (yaygın olarak CMOS)
gerçeklenmektedirler.
RAM’lerin büyük çoğunluğunun ROM’lara göre
dezavantajı, uçucu (volatile) olmaları, yani besleme
kaynağı kesildiği zaman içindeki bilginin silinmesidir.
Bu yüzden, bir cihazın kullandığı RAM’de kayıtlı
bilgilerin cihaz kapandığı zaman (enerji kesildiğinde)
yitirilmemesi gerekiyorsa, RAM’e enerji sağlamayı
Türkiye Bilişim Ansiklopedisi
sürdürecek ek bir pilden yararlanılır. Kimi özel üretim
teknolojileriyle, uçucu olmayan (non-volatile) RAM’ler
de üretilebilmektedir (Örnek: Ferroelektrik RAM).
Çalışma ilkelerinden yola çıkılarak RAM’ler statik
RAM (SRAM) ve dinamik RAM (DRAM) olmak üzere
iki temel sınıfa ayrılabilirler. SRAM’lerin üstünlüğü
erişim hızının daha yüksek olması, DRAM’lerinki ise
büyük bellek kapasiteleridir. Yüksek erişim hızı
gerektiren uygulamalarda SRAM tercih edilirken, daha
yavaş erişim hızlarının yeterli olduğu ama büyük bellek
kapasitesi gerektiren yerlerde DRAM kullanılır.
Statik RAM (SRAM)
Statik RAM’in temel bellek hücresi, Şekil 3.1’de
görüldüğü gibi sırtsırta pozitif geribesleme oluşturacak
biçimde bağlanmış iki eviriciden oluşur. Bu biçimde bir
bağlantıda herbir çıkışın iki tane kararlı lojik konumu
sözkonusudur (bu yüzden “çift kararlı ikili devre”
denir). C ve C’, birbirinin evriği olan bit hatlarıdır ve
RS (row select : satır seçme) girişi “1” yapıldığında
bellek hücresinin çıkışları bu hatlara bağlanmış olur.
Herbir bit hattına birçok SRAM hücresi bağlı
olduğundan, hatta gözardı edilemez büyüklükte bir
kapasite oluşur. Bunlar belleğe erişim ve okuma/yazma
gecikmelerini ve hızlı okuma sırasındaki hataları
artırdıklarından, küçük tutulmaya çalışılırlar [6].
Şekil 3.3 SRAM hücresinin sütun kapasitesi ve
önyükleme transistorlarıyla gösterimi.
Şekil 3.2’de bir SRAM hücresinin CMOS gerçeklemesi
görülmektedir. Dışarıdan bir etki olmadığı sürece
(örneğin RS=“0” için) A ve B düğümlerinde A=“1”,
B=“0” veya A=“0”, B=“1” konumları korunur. Ancak,
RS=“1” iken, dışarıdan bir sürücü devreyle C hattı
(dolayısıyla A düğümü) örneğin “0” seviyesindeyken
“1” seviyesine zorlanıp sürücü geri çekilince bu yeni
kararlı konum saklanmış olur. Bu, yazma işlemidir.
Okuma işlemi ise, yine RS=“1” iken A ve B
düğümlerini olabildiğince az etkileyerek C ve C’
hatlarındaki gerilim seviyelerini sezme biçiminde olur.
RS=“0” için bellek hücresi içeriğini korur.
Şekil 3.3’te, C ve C’ hatlarının eşdeğer kapasiteleri ile
sütun önyükleme transistorları da gösterilmiştir. C ve
C’ hatlarına herhangi bir bellek hücresi bağlı değilken,
MC ve MC’ transistorları (sürekli iletimdeler) CC ve CC’
kapasitelerini doldurarak bu hatları VDD’ye (yani “1”e)
çeker (önyükleme işlemi). Okuma sırasında bu hatlar A
ve B düğümlerine sırasıyla MS1 ve MS2 anahtar
transistorlar aracılığıyla bağlanınca, kapasitelerden biri
boşalmaya başlar (örneğin A=“0” ve B=“1” ise, C C
boşalmaya başlar). Okuma işleminin hızlı olabilmesi
(böylece, sıradaki okunacak/yazılacak bellek hücresine
çabuk geçilebilmesi) için, boşalan kapasitenin tamamen
boşalması beklenmeden C ve C’ hatları arasındaki farka
bakılır ve bellek hücresinde saklanmakta olan veri
anlaşılmış (okunmuş) olur. Okuma işleminin hızlı
olması, çok küçük gerilim farklarını sezebilecek
devrelerle, yani fark kuvvetlendiricileriyle sağlanır.
Belleklerde kullanılan bu analog devrelere sezme
kuvvetlendiricisi denir ve iyi tasarlanmaları gerekir.
Gerçeklemede, bir sütuna bağlı üstüste dizilmiş birçok
bellek hücresinin herbiri ayrı bir RS girişine sahip olur
ve böyle sütunlardan da birçoğu yanyana dizilerek
bellek yapısı elde edilmiş olur. Bir bellek hücresine
okuma ve yazma için erişmek için ilişkin RS ve CS
(column select : sütun seçme) girişleri “1”e çekilir.
Şekil 3.2 1 bitlik SRAM hücresinin CMOS
gerçeklemesi.
Şekil 3.4’te, bir sütunda SRAM bellek hücrelerinin
dizilimi görülmektedir (sütun kapasiteleri CC ve CC’
gösterilmemiştir). CS “1” yapılarak seçilen bit hatları
yazma/okuma devresine bağlanmış olur. D io ve Dio’
uçları yazma/okuma devresinin giriş veya çıkışlarıdır
(yazma sırasında giriş, okuma sırasında çıkış) ve
birbirlerinin evriğidirler. Yazma sırasında Dio ve Dio’
uçlarındaki veri D ve D’ düğümlerine ve dolayısıyla
ilişkin RS ile seçilmiş olan bellek hücresinin iç
noktalarına ulaştırılır. Bellek hücresinin yeni kararlı
Şekil 3.1 Temel 1 bitlik SRAM bellek hücresi.
Bellekler
konumuna zorlanması D ve D’ düğümlerinin bir sayısal
tampon devreyle sürülmesi yoluyla olur. Okuma ise, bir
fark kuvvetlendiricisi yardımıyla yapılır. Şekil 3.4’te
blok olarak gösterilen yazma/okuma devresine bir
örnek yine Şekil 3.4’te sağda görülmektedir. E girişi
okuma ve yazma durumunda pMOS’lardan oluşan
devreyi bir akım fark kuvvetlendiricisi ya da basit bir
anahtar haline çevirmeye yaramaktadır [6].
tarafından uzun vadede boşaltılıp verinin yitirilmesidir.
Bunu önlemek için veri tazeleme işlemi gerekmektedir.
Öte yandan, günümüzde yaygın olan DRAM türlerinde
verinin okuma işlemi sonrası da verinin yitirilmesi riski
olduğundan, okumanın ardından veriyi eski değerine
döndürmek için her okuma sonrasında ayrı bir işlem
gerekmektedir. Bütün bunlar bellek erişim hızını daha
da kötü etkilemektedir. Bu yüzden, günümüzde
DRAM’leri hız açısından daha yüksek verimde
kullanabilmek üzere çeşitli yaklaşımlar vardır.
Şekil 3.5’te iki DRAM hücresi örneği verilmiştir. Bu iki
hücre, sırasıyla “4 transistorlu DRAM” ve “3
transistorlu DRAM” olarak anılırlar. Bunlar, henüz
kişisel bilgisayarların yaygınlaşmadığı dönemlerde
(1980’lere kadar) kullanılan yapılardı. Bu yapılarda
verinin saklandığı kondansatörler, transistorların geçit
ve jonksiyon kapasitelerinin katkısıyla oluşan parazitik
kapasitelerdir. Böylece, sadece transistorlar kullanılarak
temel bellek hücreleri o zamanın mikroelektronik
teknolojisiyle bile rahatça oluşturulabiliyordu.
Şekil 3.4 SRAM yapısında bir sütuna bağlı
elemanların gösterimi.
SRAM’ler en hızlı yaz-oku bellek türleridir, ancak
yapılarının çok fazla transistor (hücre başına 6 adet)
içermesi nedeniyle, bir kırmıkta elde edilebilecek
SRAM hücre sayısı (bellek kapasitesi) sınırlanır. Bellek
kapasitesi büyük olan hızlı SRAM’lerin fiyatı da
oldukça yüksek olur. Tümleştirme yoğunluğu (veya bir
kırmıkta daha büyük bellek kapasitesi) elde etme
anlamında statik RAM’in ucuz alternatifi dinamik
RAM’dir (DRAM). Ancak bu RAM türünün hızı daha
düşüktür ve SRAM’e göre ek kimi süreçlere (tazeleme
gibi) gereksinim duyar.
Dinamik RAM (DRAM)
Bir statik RAM hücresinde verinin saklanması
transistorlar aracılığıyla kimi düğümlerin “1” veya “0”
seviyelerine zorlanması yoluyla olmaktadır. Dinamik
RAM hücrelerinde ise veri bir veya iki kondansatör
üzerinde biriktirilen yük yardımıyla saklanmaktadır.
Kondansatör doluysa (üzerinde pozitif bir gerilim
varsa) saklanan veri “1”, boşsa (gerilimi sıfırsa)
saklanan veri “0” olur. Buradaki sorun, verinin
saklanması sırasında kondansatörün üzerindeki yükün
transistor kaçak akımları (MOSFET’lerin eşikaltı akımı
ve p-n jonksiyonlarının ters yönde doyma akımları)
(a)
(b)
Şekil 3.5 a) 4 transistorlu DRAM hücresi,
b) 3 transistorlu DRAM hücresi.
4 transistorlu DRAM’ın çalışması şöyledir: Birbirinin
evriği iki bit hattı bulunur. Okuma da yazma da bu
hatlardan, SRAM’dekine benzer devrelerle ve benzer
biçimde yapılır. Yazma sonrası veri saklanırken M1 ve
M2’den birinin geçidindeki eşdeğer kondansatör boş,
diğerininki ise dolu olur. Okuma sırasında MS1 ve MS2
anahtarları kapanır ve bunlardan hangisinin girişinde
“1” seviyesi saklıysa o iletime girip C veya C’ hattını
aşağıya çekerek C ve C’ arasında küçük bir fark
oluşturur (SRAM’deki gibi). Okuma sırasında bellek
hücresi içindeki dolu kondansatör yükünü yitirmez.
3 transistorlu yapıda da iki bit hattı vardır, ancak biri
okuma için (Coku), diğeri yazma içindir (Cyaz). Yazma
sırasında yazma devresi Cyaz hattını sürer (bu sırada MW
kısa devredir) ve kondansatör yazılan veriye göre
doldurulur veya boşaltılır. Okuma sırasında ise (bu
sırada MR kısa devredir) kondansatör üzerinde
saklanmış gerilime göre MD transistoru iletimde veya
kesimde olup Coku hattını aşağıya doğru çeker veya
çekmez. Bu değişime göre, saklanan verinin ne olduğu
anlaşılır. 3 transistorlu DRAM ve okuma/yazmada
yardımcı kimi çevrebirimi Şekil 3.6’da verilmiştir [6].
Türkiye Bilişim Ansiklopedisi
büyük bir kısmını yitirebilir (veya başta boşsa paylaşım
sonrası dolabilir) ve böylece veri kaybedilir. İşte bu
yüzden bu kondansatörün yeterince büyük olmalı ve her
okuma sonrasında verinin hangi değerden boşalmış
(veya dolmuş) olduğunun anlaşılıp verinin son değerine
tekrar ulaştırılması işlemi yapılmalıdır .
Şekil 3.6 Kimi okuma ve yazma yardımcı
çevrebirimiyle birlikte 3 transistorlu DRAM.
Günümüzde, lateral tümdevre üretim proseslerinde
tümleştirme yoğunluğunu (dolayısıyla kırmık başına
bellek kapasitesini) artıran ilerlemelere paralel olarak,
yalnızca bir transistor ve bir kondansatör yardımıyla
verinin dinamik olarak saklanması mümkün olmuştur.
“1 transistorlu” DRAM hücresi Şekil 3.7a’da
görülmektedir. Okuma sırasında verinin yitirilmemesi
için, bu yapıda kullanılan kondansatörün büyükçe
yapılması gerekir, ki bu kondansatörün yatay
oluşturulması durumunda kırmıkta oldukça büyük alan
kaplar. Bunun yerine – lateral bir proseste zor da olsa –
günümüzde artık dikey kondansatörler (silisyum yapıda
bir çukur açılarak) oluşturulabilmektedir. Şekil 3.7b’de,
günümüzde kullanılan bir DRAM prosesinde kırmık
kesitinde dikey kondansatör ve MOS transistor
gösterilmiştir. Ayrıca bit hattı (kondansatör üzerinden
geçen polisilisyum katman) ve kelime hattı
(MOSFET’in WL olarak gösterilen geçidi) de
görülebilmektedir. Şekil 3.7c’de ise 4Gbit bellek
kapasiteli bir DRAM kırmığı mikrofotoğrafı verilmiştir.
Ferroelektrik RAM (FeRAM)
Besleme gerilimi kesildikten sonra SRAM ve DRAM
bellek hücrelerindeki veri çok kısa süre içinde yitirilir
(“uçar”). Bu yüzden bunlar uçucu (volatile)
belleklerdir. EEPROM’a göre çok daha hızlı veri
yazmanın mümkün olduğu uçucu olmayan bir alternatif,
ferroelektrik RAM’dir (FeRAM). Bu yapının
yararlandığı devre yapısı 1 transistorlu DRAM devre
yapısına çok benzer. Ancak kondansatörün dielektrik
malzemesi SiO2 yerine ferroelektik bir malzeme ve
plakaları metal olduğundan özel bir tümdevre üretim
prosesi gerektirmektedir. Daha önemli bir fark ise,
kullanılan ferroelektrik kondansatörün histerezis
özelliğinden yararlanılması, böylece diğer manyetik
veri depolama araçlarındaki gibi verinin saklanmasının
(besleme kesilse de) hep sürmesidir. Bu yüzden
FeRAM uçucu olmayan bir RAM türüdür. Şekil 3.8’de
tipik bir FeRAM yapısı görülmektedir. Devre 1
transistorlu DRAM’e benzer çalışmakta, ancak PL gibi
ek bir kontrol girişi (plate line : plaka hattı) ile verinin
yazılması ve okunması sırasında ferroelektrik
kondansatörün çalışma noktası histerezis eğrisi üzerinde
ileri geri çekilmektedir. Böylece verinin kalıcı bir
manyetik kayıtla saklanması sağlanmaktadır [1].
Şekil 3.8 1 transistorlu FeRAM yapısı
4 BELLEKLERİN KULLANIM ALANLARI
(a)
(b)
(c)
Şekil 3.7 a) 1 transistorlu DRAM hücresi , b) DRAM
hücresi kesiti, c) DRAM kırmığı.
1 transistorlu DRAM’da transistor okuma sırasında da
yazma sırasında da anahtar işlevi görerek kondansatörü
bit hattına bağlar. Yazma sırasında kondansatör
doldurulur veya boşaltılır. Okuma sırasında ise, aynı
kondansatör yükünü C hattının kapasitesiyle paylaşır. C
hattının kapasitesi çok büyük olduğundan, okuma (yük
paylaşımı) sırasında içerideki kondansatör yükünün
Bellekler, türlerine ve başarım özelliklerine göre çeşitli
uygulamalarda ve farklı biçimlerde kullanım alanı
bulur. Tablo 4.1’de, buraya kadar anlatılan temel bellek
türlerinin önemli özellikleri ve kullanım alanları
verilmiştir.
SRAM bellekler örneğin bilgisayarın cep (cache)
belleği olarak kullanıldığından, bilgisayar anakartı
üzerinde birkaç tanesi lehimlenmiş olarak bulunur.
Genelde mikroişlemcinin performansını artırma
gereksinimi cep belleği genişletme gereksiniminden çok
daha önce duyulduğundan, SRAM’ların artırılması
ancak yeni bir anakart üstünde olur. Bilgisayar ana
Bellekler
belleği ise genelde diğer konfigürasyonlar değişmeden
de artırılmak (bazen de azaltılmak) istenebilir. Bunun
için, ana bellek olarak kullanılan DRAM’lar anakarta
takılıp çıkarılabilen yapıda olmalıdırlar. Günümüzde,
gelişmiş programların kişisel bilgisayarlarda yaygın
kullanımı nedeniyle, geniş bir ana bellek gereksinimi
oldukça fazla olduğundan, tümdevrelerin takılacağı
yuvalar bile yetersiz kalmakta, anakartlar, birçok
DRAM tümdevresinin bulunduğu modüllerin (Şekil
4.1a)
takılabileceği
2-10
modül
yuvasıyla
üretilmektedir.
Tablo 4.1 Temel bellek türlerinin önemli özellikleri
ve kullanım alanlarına ilişkin veriler[1,6].
RAM
ROM
SRAM
DRAM
okuma hızı
çok hızlı
hızlı
hızlı
hızlı
hızlı
hızlı
yazma hızı
çok hızlı
hızlı
Hızlı
yavaş
çok yavaş
yavaş
bellek
yoğunluğu
düşük
yüksek
yüksek
yüksek
düşük
yüksek
bit başına
fiyat
yüksek
düşük
düşük
düşük
yüksek
düşük
veri
uçuculuğu
uçucu
uçucu
uçucu
değil
uçucu
değil
uçucu
değil
uçucu
değil
Sistemde
yazma
yazılabilir
yazılabilir
yazılabilir
yazılamaz
yazılabilir
yazılabilir
Güç
tüketimi
orta
yüksek
yüksek
düşük
düşük
düşük
Veri
tazeleme
gerekmez
gerekir
gerekmez
gerekmez
gerekmez
gerekmez
Kullanım
alanı
örneği
cep
(cache)
bellek
akıllı
kartlar,
dijital
kameralar
oyun
makinaları
elektronik
kimlik
kartı
bellek
bellek
ana
FeRAM
EPROM
EEPROM
FLASH
kartı
Diğer sayısal uygulamalar (oyun makineleri, avuçiçi
bilgisayarlar, vb.) gibi benzer biçimde ek bellek
desteğine gereksinim duyulabilecek uygulamalar için,
yine birkaç tümdevrenin sıkıştırılmış biçimde yer aldığı
SRAM bellek kartları kullanılır (Şekil 4.1b).
Birçok uygulamada yaygın olarak kullanılanan
EEPROM tümdevrelerinin üzerinde, morötesi ışıkla
silinebilmesi için küçük bir cam pencere olur (Şekil
4.1c). Silmenin ardından programlama sonrasında bu
pencere ışık geçirmeyen bir etiketle kapatılır.
Şekil-4.1 a) DRAM modülü, b) SRAM kart bellek,
c) EPROM , d) Flash kart bellek (SD card).
Büyük kapasiteli uçucu olmayan bellek gerektiren ama
yazma hızının daha az kritik olduğu ama uygulamalarda
(dijital fotoğraf makineleri), takılıp çıkarılabilen SD
flash bellek kartı (Şekil 4.1d) yaygın olarak kullanılır.
KAYNAKÇA
1. B. Prince, “Emerging Memories - Technologies and
Trends”, Kluwer Academic Publishers, Massachusetts,
2002.
2. B. Prince, “Semiconductor Memories - A Handbook
of Design, Manufacture, and Application”, John Wiley
& Sons, Second Edition, Chichester, 1996.
3. A. S. Sedra & K. C. Smith, “Microelectronic
Circuits”, Oxford University Press, Fourth Edition,
New York, 1998.
4. R. L. Geiger, P. E. Allen & N. R. Strader, “VLSI
Design Techniques for Analog and Digital Circuits”,
McGraw-Hill, New York, 1990.
5. P. Cappeletti, C. Golla, P. Olivo & E. Zanoni, “Flash
Memories”, Kluwer Academic Publishers, Third
Printing, Massachusetts, 2001.
6. S.-M. Kang & Y. Leblebici , “CMOS Digital
Intregrated Circuits - Analysis and Design”, McGrawHill, Third Edition, NewYork, 2003.
Yazarlar
Ali Toker
Ali Zeki
İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Fakültesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
Download

Rifat Çölkesen - ResearchGate