DRAM

זיכרון דינמי בעל גישה אקראית (DRAM) הוא סוג של זיכרון גישה אקראית נדיף, המאחסן כל סיבית של מידע בקבל נפרד בתוך מעגל משולב. בגלל תופעת זרם הזליגה, המטען השמור בקבלים זולג, ולכן יש לרענן את מטעני הקבלים. פעולת הרענון חייבת להתבצע באופן מחזורי, ובפרט חייבת להתבצע לפני שהמתח יורד עד רמת הרעש. השם "זיכרון דינמי" מרמז על הצורך במעגל חשמלי חיצוני המבצע את הריענון, וזאת בניגוד ל-SRAM ("זיכרון סטטי") שאינו דורש רענון ממעגל חיצוני. זיכרון דינמי משמש כזיכרון הראשי (RAM) ברוב המחשבים האישיים של ימינו, כמו גם בקונסולות המשחקים הביתיים, מחשבים ניידים, מחשבי כף יד ותחנות עבודה. יתרונו של ה-DRAM הוא במבנהו הפשוט: כל סיבית דורשת טרנזיסטור אחד וקבל אחד, בהשוואה לשישה טרנזיסטורים הנדרשים ב-SRAM. מבנה זה מאפשר לייצר DRAM בצפיפות גבוהה ומחיר נמוך. בניגוד לזיכרון הבזק, זהו זיכרון נדיף, כלומר תוכן הזיכרון לא נשמר כאשר אספקת המתח נפסקת. המבנה הפשוט יחסית מאפשר צפיפות (כלומר מספר סיביות מידע לשטח מעגל משולב) גדולה יותר מכל סוג זיכרון אחר. מכונת הפיענוח "אקווריוס" שפעלה בבלצ'לי פארק במלחמת העולם השנייה השתמשה בסוג של זיכרון דינמי. מידע שקודד על סרט נייר נקרא, ותוכנו הוזן למערך קבלים. כל קבל יכול היה להיות טעון או פרוק: קבל טעון ייצג '1', וקבל פרוק ייצג '0'. כיוון שהמטען על הקבלים זולג, נבנתה מערכת שחידשה את המטען על הקבלים הטעונים בצורה מחזורית. ב-1964 יצר זוג עובדים מחברת IBM תא זיכרון בעזרת שימוש בטרנזיסטור ובדיודה, שהוחלפו לאחר מכן בשני טרנזיסטורים ושני נגדים, עיצוב שזכה לשם משל עצמו. בשנת 1965, קבוצה נוספת בחברת IBM יצרה שבב זיכרון של 16 ביט מסיליקון המבוסס על המודל הקודם, ושהורכב מ-8 טרנזיסטורים, 64 נגדים וארבע דיודות. ב-1966 הומצא DRAM במעבדות IBM ונרשם כפטנט על ידי הממציא. חברות המחשבים והמוליכים למחצה השונות המשיכו לפתח זיכרון דינמי בתיכונים שונים, וב-1970 חברת אינטל הוציאה לשוק את הזיכרון הדינמי המסחרי הראשון, בשם 1103. שבב זה הכיל 1024 סיביות. הפיתוח המשמעותי הבא היה של חברת Mostek, שב-1973 יצאה עם רכיב של 4K סיביות בשם MK4096. החידוש היה בצורת המיעון המרובבת, מה שאיפשר להקטין את מספר הפינים של הרכיב, יתרון שהפך משמעותי יותר ככל שצפיפות הזיכרון גדלה. ה-MK4096 התברר כתיכון יציב ומוצלח, ועם הדגם הבא, MK4116 בקיבולת 16K סיביות, השיגה Mostek‏ 75% מהשוק. אופן מיעון זה הוא הבסיס לצורת המיעון של DRAM עד היום. דיאגרמות פעולות קריאה וכתיבה בתא DRAM‏ 4x4 DRAM בדרך כלל מאורגן במערך מרובע של קבל אחד וטרנזיסטור אחד לכל תא. תמונות ההדגמה משמאל מראות דוגמה פשוטה של מערך של 4 על 4 תאים (זיכרון DRAM מודרני מורכב מאלפי תאים לאורך ולרוחב). הקווים הארוכים המחברים כל שורה נקראים בשם קווי מילה (word line). כל עמודה מורכבת בעצם משני קווי ביטים (bit lines), כל אחד מחובר לכל תא אחסון אחר בעמודה (התמונה אינה מכילה פרט חשוב זה). קווים אלו ידועים בדרך כלל כקו ביט + וקו ביט -, כאשר ביניהם מחובר מהפכים. זוהי דוגמה למשוב חיובי, ולכן סידור זה יהיה יציב רק כאשר אחד מקוי הביט ברמת מתח גבוה, והשני ברמת מתח נמוך. על מנת לקרוא ביט מעמודה, צריך לבצע את הפעולות הבאות: המגבר מכובה, וקוי הביטים נטענים טעינה מקדמית (precharge) למתחים זהים אשר הם באמצע בין רמת המתח הגבוה לנמוך. קווי הביט בנויים באופן סימטרי על מנת לשמור עליהם מאוזנים כמה שאפשר. מעגל הטעינה המקדמית מכובה. מכיוון שקוי הביט מאוד ארוכים, הקיבול שלהם יחזיק את המתח המקדמי לזמן קצר מאוד. זוהי דוגמה ללוגיקה דינמית. הקו מילה הנבחר מועלה לרמת מתח גבוהה. פעולה זו מחברת קבל אחסון אחד לשני קווי הביט. המטען משותף בין תא האחסון לבין קו הביט המתאים, ולכן משנה במקצת את מתח הקו. על אף שנעשים מאמצים רבים לשמור על הקיבול של תאי האחסון גבוה והקיבול של קווי הביט נמוך, ידוע שהקיבול פרופורציונלי לגודל הפיסי, ואורכם של קווי הביט הוא מקור לדאגה עבור מתח קו הביט. המגבר מודלק. המשוב החיובי לוקח פיקוד ומגביר את הפרש המתח הקטן עד אשר ביט אחד ברמה הנמוכה, והביט השני ברמה הגבוהה. בנקודה זו, השורה במצב פתוח והעמודה יכולה להיבחר. קריאת מידע מזיכרון ה DRAM נלקחת מהמגבר, נבחרת על ידי כתובת העמודה. קריאות רבות יכולות להתבצע כאשר השורה פתוחה בצורה זו. בעוד הקריאה מתבצעת, זרם ממשיך לזרום בקוי הביט מהמגברים לתאי האחסון. זרם זה מחדש את המטען בתא האחסון. בהתאם לאורכם של קווי הביט, פעולה זו לוקחת זמן רב מעבר לפעולת ההגברה וחופפת לפעולה אחת או יותר של קריאת עמודה. כאשר נגמרת הפעולה של חידוש הזרם בשורה, קו המילה מכובה על מנת לנתק את קבלי האחסון, המגבר מכובה, וקוי הביט נטענים טעינה מקדמית שוב. על מנת לכתוב לזיכרון, השורה כתובה ומגבר של העמודה המבוקשת מוכרח באופן זמני למצב הרצוי, כך שיכריח את קו הביט למצב זה, אשר טוען את קבל האחסון לערך הרצוי. בשל המשוב החיובי, המגבר יישאר יציב במצב הרצוי אף לאחר הסרת הגורם המאלץ. RDRAM SDRAM מדיה וקבצים בנושא DRAM בוויקישיתוף Copeland B. Jack, and others (2006) Colossus: The Secrets of Bletchley Park's Codebreaking Computers Oxford: Oxford University Press, p301.