ELEKTRONİKTE DEVRİM: YARIİLETKEN BELLEKLER

elektronikte devrim:

yarıiletken bellekler

1. GÎRÎŞ: Bilgi saklanması için artık çekirdek bel leklerin yerine yarıiletken bellekler kul lanılmaktadır. Yarıiletken belleklerin u cuzluğu ve basitliği, başka kullanım alan larını da olanaklı kılmaktadır. Yarıiletken bellekler çoğunlukla silisyum dilimleri üzerine yüzlercesi yerleştiril miş sayısal tümleşik devrelerdir (TD) . Bundan ötürü; maliyet, montaj teknikleri, güç kaynağı isterleri, gürültü bağışıklığı, yanlış oranları, uyarlık (compatibility) ve güvenilirlik bakımlarından tümleşik devrelerin özelliklerine sahiptir. Bu ba kımdan çeşitli üstünlükler gösterirler, maliyetleri de teknoloji geliştikçe düş mektedir.

Şekil 1. 1024 bit'lik MNOY çoğukez oku bellek yongası (Plessey). Yonga nın boyutları: 4,06 x 2,85 mm.

Bir yarıiletken bellek yongası (chip) bel lek hücresi adı verilen öğelerin düzgün bi çimde sıralanmasıyla oluşur (Şekil 1 ) . Her hücre bir bit'lik bilgi saklayabilir. Bir bellek hücresinin alanı 1000 ile 15 000 um2 arasındadır. Belleğin maliyeti çeşitli et kenlere bağlıdır. Şimdilerde 1000 bit'lik bir yaz oku bellek yongası, ki birkaç bin

tranzistor içerir, 4 sterlin'e (140 TL) a 1ınab ilmektedir.

2. HÜCRE BAĞLANTILARI:

Düzgün hücre dizisinin dış dünyayla bağ lantılanmasında çeşitli yollar olabilir. En çok kullanılan yöntem rasgele eriş imi i bellek (REB) yöntemidir. Bu yöntemde bel lekteki her hücreye hemen hemen aynı süre lerde erişilir. Şekil 2'de 1024 bit'lik bir rasgele erişimli bellek için bir dü zenleme yöntemi görülmektedir. Hücreler 32'ye 32'lik bir dizi biçimindedir. Bir hücrenin yeri, yani adresi, 10 bitlik bir kodla belirlenir (210 = 1024). Adres hat larından beşinin oluşturduğu kod çözülür, böylece, girişteki kod için 32 tane satır bağlantısı arasından biri etkenleştirilir. Bir satırın bağlantısının etkenleştirilme siyle bu satırdaki 32 hücrenin herbiri, o kuma ya da yazma için, 32 sütun (dikeç) bağlantısına bağlanır. Geri kalan beş ev ciklik adres kısmına göre çoklayıcı tara fından bir sütun seçilir ve bu sütun oku yaz girişi tarafından seçilen geçitler yo luyla veri giriş ya da veri çıkış uçların dan birine bağlanır. Birden çok bellek yongasından birini seçmek için ayrıca bir yonga seçme girişi vardır. Başka bir düzenleme biçimi, seri bellek (ya da shift register), Şekil 3'de görül mektedir. Veri, her saat vuruşuyla bir hücreden yandakine geçmektedir, böylece, bu düzende verilere belli bir sıra ile rişilebileceği anlaşılır. Seri bellek'in dışarıyla bağlantı sayısı rasgele erişimli belleğe göre daha azdır, fakat bir bilgiye erişmek için gereken süre, bu bilginin belleğin neresinde bulunduğuna bağlıdır.

3. ÎÇERÎĞÎ ADRESLENEBÎLEN BELLEK:

Başka bir önemli bellek düzenleme biçimi de içeriği adreslenebilir (ya da bazen kulla nılan terimle ç a ğ r ı ş ı m s a l ) bellek düzen

beş adres girişi beş adres girişi

32 t e l

\

kod çözücü

32 x 32 hücre dizisi

—32 tel çoklayıcı

yonga seçimi yaz oku

geçitler

veri giriş

Şekil 2. 1024 bit 'lik bir yarıiletken bel lek yongasının düzenlenmesine örnek

rumun hizmetliler kayıtları için bu tür bir düzenleme uygun bir yaklaşımdır. Kayıt ların, bu düzenlemeyle, örneğin 30 yaşın dan küçük, ücreti 3000 TL'dan yüksek ve lise bitirmiş hizmetlileri bulmak için (se risel, yani teker teker değil de) aynı anda hepsi birden aranabilir.

tanımlama sözcüğü

X0 1XX1 11100 1 0 0 10 10 1 0 0 110 11 1

10 10 11 1

10 10 10 0 dizideki veri uv

Şekil 4. Herbiri 6 bit'lik 5 veri sözcüğü nün içeriği adreslenebilen bir bellekteki gösterilimi.

veri gınş

—

1I

i

saat

Şekil 3. Seri bellek düzenlemesine örnek lemesidir ( 3 ) . Bu düzenlemede bir sözcük rasgele eriş imli bellekte olduğu gibi fi ziksel yeriyle değil, fakat içeriğiyle ad reslenir (aranır). Bu yüzden de her bellek hücresinde bir saklama birimi, bir de kar şılaştırma birimi vardır. Şekil 4'de çağ rışımsal bellekte herbiri 6 bit uzunlukta 5 veri sözcüğü görülüyor.

Sadece, ikinci bit'i 0, üçüncü bit'i 1 ve sonuncu bit'i de 1 olan sözcükleri veri o larak okumak istediğimizi düşünelim. Bu iş lem için tanımlama sözcüğü Şekil 4'de gö rülüyor. Bir veri sözcüğüyle tanımlama söz cüğü arasında eşdeğerlik (uygunluk) sağla nınca o veri sözcüğü alınır. Büyük bir ku

4. BELLEK TÜRLERİ:

Yarıiletken bellekleri okuma yaztna sıklık larına göre sınıflandırabiliriz. Bu sınıf lamada, bir uçta salt oku bellekler (SOB), öte uçta yaz oku bellekler yer alır. Ara yerde, son zamanlarda gittikçe daha çok kullanılmaya başlanan çoğukez oku bellek ler vardır.

Maske programlamalı salt oku belleklerde veri belleğe yapımda yerleştirilir, sonra dan değiştirilemez. Elektriksel programla malı salt oku belleklerde ise veri belleğe ara bağlantıların eritilmesi yoluyla yer leştirilir. Yani bellek, kullanıcı.tara fından programlanabilir ancak sonradan belleğin içeriği değiştirilemez.

FAMOY (*•) türü bellekte veri belleğe elek

triksel olarak yazılır, ancak çok iyi ya

lıtılmış elektrotlarda elektrik yükü ola

rak saklanır. Kullanıcı, belleği, isterse

yeniden programlayabilir. Belleğin silin

mesi elektrik&el olarak yapılamaz, morüstü

ışınıma

tutularak gerçekleştirilir.

Alışılagelmiş MOYRE (metal oksit yarıiletken

rasgele eriş imi i) belleklerde hem okuma,

hem yazma işlemi elektriksel olarak ger

çekleştirilir, ne var ki bellek, besleme

gücü olmaksızın veriyi ancak birkaç milisa

niye tutabilir. Çeşitli türden MNOY bel lekler ise MOYRE belleklerle FAMOY bellek ler arasındaki boşluğu doldururlar. Bun larda hem okuma hem de yazma kullanıcı ta rafından elektriksel olarak yapılır, ne var ki belleğin veriyi tutabilme süresi günler aşamasından binyıllar aşamasına ka dar olabilir, bu süre yazmada uygulanan vuruşların genlik ve süresinin de bir iş levidir. MNOY bellekler satışa ilk kez 1972 güzünde sunuldu, tek bit'lik aygıt o labildiği gibi 64 ya da 1026 bit'lik dizi halinde de bulunabilmektedir. Şekil 1, 1024 bit'lik bir MNOY belleği göstermekte dir.

Çizelge l'de çeşitli türden belleklerin saklama süreleri ve yazma süreleri karşı laştırmalı olarak görülmektedir. MNOY bel leklerde saklama süresi sınırsız olarak u zatılabilir, çünkü bu belleklerde silme elektriksel olarak yapıldığından, bellek teki bilgi tazelenebilir. Tazelenmeler a rasındaki süre devinik (dynamic) MOY bel leklerde olduğu gibi bir milisaniye değil de, örneğin bir yıldır. (Bu tipin yeni ge liştirilen bir örneğini bu sayfada veri yoruz. ) 5. MOY BELLEKLER NASIL ÇALIŞIYOR:

Şekil 5'de MOY, MNOY ve FAMOY tranzistorla rın kesitleri görülmektedir. Örnek olarak

sözcük başına yazma süresi

bellek türü

p kanallı türler ele alınmıştır. Her üç türde de yüksek özdirençli (örneğin 10 Qcnj bir n tipi bir alttaş (substrate) ve fazla katkılanmış p+ tipi kaynak ve akaç yayı nımları vardır. MOY türü tranzistorda ge çit elektrodu metaldir (alüminyum ya da polikristal silisyum), kaynak ve akaç ya yınımlarının üzerine binmiştir ve yarıi letkenden yaklaşık 100 nm kalınlıkta bir silisyum dioksit katmanıyla ayrılmıştır. Geçitteki bir eksi yük delikleri oksit ya rıiletken yüzeyine çeker , böylece kaynak la akaç arasında ileten bir kanal oluşur. Geçit sığası ya da yayınım sığası MOY bel leğin saklama sığası olarak kullanılır.

MNOY tranzistorda metal oksit yarıiletken sandviçin yerini metal silisyum nitrit si lisyum oksit yarıiletken sandviç alır. Ok sit katmanı MOY'a göre çok daha incedir (1 2 nm, yani 3 6 atomluk bir kalınlık). Bu durumda, elektrik yükü oksit katmanın dan geçebilir. Oksit nitrit ara yüzeyinde yükün varlığı ya da yokluğu aygıtın iki durumunu oluşturur. MOY tranzistorda olduğu gibi, burada da yükün varlığı ya da yoklu ğu, yükün kaynak akaç direnci üzerindeki etkisi ile anlaşılır. Yük, geçit elektro duna alttaşa göre artı ya da eksi gerilim vererek doldurulur ya da boşaltılır.

FAMOY tranzistorda genellikle polikristal

silme yöntemi

besleme gücü yokken .. saklama suresi

28 gün

1 sn

6 sn

10 msn 100 usn

1 ysn 350 nsn

salt oku bellek (maske programlı) salt oku bellek (eritme bağlantılı)

FAMOY

MNOY (A türü) MNOY (C türü) MNOY (E türü)

MOY

silinemez s i l inemez morötesi ışınımla elektriksel elektriksel elektriksel elektriksel

1000 y ı l

100 y ı l 1 yıl 1 gün 2 msn

Çizelge 1. Yarıiletken rasgele erişimli belleklerin bilgi saklama özellikleri.

silisyumdan yapılan "metal" elektrot oksit le çepçevre sarılmıştır ve elektriksel ola rak yalıtılmıştır. Bu elektrotta yükün varlığı ya da yokluğu MOY ve MNOY aygıt lardaki gibi anlaşılır. Yük, akaç elektro dunu çığ kırılımına uğratarak doldurulur, aygıtı morötesi ışınıma tutarak boşaltılır. Morötesi ışınım yüklere elektrotu terketme ye yeterli erke sağlar.

satır oku satır yaz

.100 ran \

TT

50 nm m o V] 5 "m 100 nm o m

MOY n tipi

lOncm n t i p i ( J l O a c n ı r ı t i p i

Şekil 5. p kanallı MOY,MNOY ve FAMOY tran zistorların kesitleri. Saklanan yükün yeri gösterilmiştir, m: me tal geçit, o: yalıtkan silisyum dioksit, s: yüksek özdirençli ya rıiletken, n: yalıtkan silisyum nitrit, k: kaynak, a: akaç.

6. BELLEK HÜCRELERİ.:

Şekil 6'da 1024 bit'lik p kanallı silisyum geçitli rasgele erişimli bellek yongasını (tip 1103) oluşturan üç tranzistorlu hücre görülmektedir. 1103 tipi piyasaya çıkan ilk tam kod çözmeli 1024 bit'lik bellek yongasıydı. (1970 güzü). Veri, C sığacında yükün varlığı ya da yokluğu olarak saklan maktadır. Yük Ti tranzistoruyla yüklenmek te, T2 ve T3 tranzistorlarıyla da okunmak tadır. Yük, Ti in kaynak ekleminden sızar,

sütun yaz

Şekil 6. 1103 bellek yongasında kullanılan 3 tranzistorlu bellek hücresi bundan ötürü de her 2 msn'de bir tazelen melidir. Yongada her hücre sütunu (dikeçi) için bir tane olmak üzere 32 tane tazeleme yükselteci vardır. Her satırdaki (dizekte ki) 32 hücre aynı anda tazelenir, demek ki bütün yongayı tazelemek için 32 tazeleme işlemi gereklidir. 1103 tipinin bazı ak saklıklarını gidermek amacıyla, daha sonra piyasaya çeşitli 1024 bit'lik rasgele eri şimli bellek yongaları çıkartıldı ( 6 ) . Ye ni belleklerin bazı üstünlükleri şöyle sı ralanabilir: Tazeleme gerektirmemesi, stan dart besleme gerilimleri kullanması, daha kısa erişim süreleri, daha küçük güç har caması (1103'de 180 nsn olan erişim süresi sonraları bunun üçte birine kadar dUştü). Ayrıca her hücrede üç yerine bir tranzistor kullanan yongalar da yapıldı ( 7 ) . Ayrıca tümler MOY (çok düşük güç harcamalı, fakat düşük veri sığası: 256 bit) ve çift taşı yıcılı bellekler (hızlı, kullanımı kolay, fakat yüksek güç harcamalı) de vardır. Ye

yıl yonga sığa (bit)

1970 1973 1973

1101 5502 4030

1024 4096

erişim süresi (ns)

1000 35

tam hızda besleme

güç/bit gerilimleri

(mW)

(V)

2,0

+5; 7; 10

0,4

+5; 0

0,1

+12;+ 5;—3

TTM çıkış yelpazesi

çizelge 2. Son dört yılda yaz oku yarıi letken belleklerdeki gelişmeyi göstermek için üç örnek. 5502

çifttaşıyıcılı, 4030 ise n ka nallı MOY bellektir.

YENİ BİR (MNOY) BELLEK

Siemens araştırma laboratuvarında geliştirilen yeni bir metal nitrit oksit yarıiletken (MNOY) bellek hüc resi Şekilde görülmektedir (boyut karşılaştırması için hücre, bir saç kılının içinde gösterilmiştir).Bel leğe konan bilgi,besleme gerilimle ri ortadan kalksa bile kaybolmamak tadır (bilgi en az 12 ay bellekte saklanabilmektedir).Geçit alümin yumdandır. Geçit dielektriği 50 nm kalınlıkta bir silisyum nitrit(Si N ) katmanından oluşmaktadır. Oksit kat manınınkalınlığı maninin kalınlığı ise 2 nm'dir (Şe kil 5'e bakınız). Bu bellek türünün özellikle telefon santrallarında ve süreç denetim bilgisayarlarında kul lanılması öngörülmektedir.

ni araştırmaların ürünü olarak yakında dü şük güçlü, çift taşıyıcılı rasgele eri şimli belleklerin kullanıma sunulacağı tahmin edilmektedir ( 8 » 9 ) .

Bit başına fiyatı 1,75 kuruş olacağı tah min edilen 4096 bit'lik yarıiletken bel leklerin yakında bilgisayarlarda ana bel lek olarak çekirdek belleklerin yerini a lacağı kesindir ( 7 ) .

Çizelge 2'de üç tip belleğin karşılaştı rılması görülmektedir.

7. YAZ OKU BELLEKLERİN UYGULAMA ALANLARI:

Yarıiletken yaz oku belleklerin en önemli kullanım alanı bilgisayarların ana belleği ni oluşturmaktır; başka veri saklama işle rinde de kullanılabilirler. Bir örnek yavaş taramalı televizyonda kırpışmaya engel o lunmasıdır. Resmin her çerçevesi yavaş ta rama hızında bir yarıiletken bellekte sak lanır, sonra bunlar gösterimde kırpışma yapmayacak yüksek bir hızda bellekten oku nur. Tıp elektroniğinden bir örnek, elek trokardiyogram dalgalarının saklanması ve çözümlemesidir. Bellek kullanılarak, ara sıra gelen anormal bir kalp vuruşu ilerde incelenmek üzere saklanır.

Sayısal saklamalı osiloskopta incelenen im

(işaret) örneklenir, sayısala çevrilir ve yarıiletken bellekte saklanır. Bir kez olup giden olaylar böylelikle kalıcı olarak saklanabilmiş olur, osiloskopta tekrar tekrar göstergelenebilir ya da kalemli ya zıcıyla çizdirilebilir. Eğer bellek gelen imle sürekli olarak yenileniyorsa ve bel leğin yenilenmesi tetikleme ile durduru lursa; imin geçici olaydan önceki, geçici olay sırasındaki ve ondan sonraki durumunu birlikte osiloskopta görmek olanağı sağ lanmış olur. Bu, özellikle yalıtkan delin mesi incelemelerinde çok yararlıdır.

8. SALT OKU VE ÇOĞUKEZ OKU BELLEK LERİN UYGULAMA ALANLARI:

En önemli kullanım alanı başvuru çizelge lerinin oluşturulmasıdır. Örneğin bir elek tronik masa hesaplayıcısında sinüs ya da başka bir trigonometrik işlevin değerinin bulunmasını düşünün. 5 1 2 x 8 bit'lik bir salt oku belldk sinüs değerlerini 0,004' den daha küçük bir salt yanlışla verir. Böyle bir salt oku bellek, sayısal bir sa yıcıdan adreslerin sağlanması ve çıkışın da sayısal örneksele çevrilmesiyle örnek sel sinüs biçimli dalga üretebilir. Sinüs dalgasının frekansı istendiği kadar küçük tutulabilir. Faz Çevre) farkları çok kesin olarak bilinen ve ayarlanabilen sinüs

dalgaları bu yoldan elde edilebilir. Faz farkları sayıcılardaki sayılar arasındaki farkları ayarlayarak ayarlanır.

Uygun programlama ile başka dalga biçimle ri de elde edilebilir. Örneğin, belirli bir çevre biçimine sahip olması gereken bir kamın yerine referans öteleme bir salt oku bellekten elde edilen bir servo dizgesi kullanılabilir. Böylelikle istenen eğri biçimi kolaylıkla değiştirilebilir ve optimize edilebilir.

Mekanik belleklerin yerine kullanılabilen bir yarıiletken bellek örneği de verelim. Evlerdeki elektrik sayaçlarında müşterinin harcaması mekanik bellekte (sayaç kısmı) saklanır ve gözle okunur. Oysa, mekanik bellek yerine yarıiletken bellek konursa evlerdeki elektrik sayaçlarının merkezden okunması kolaylıkla olanak kazanır. Dokuma endüstrisinde örüntü seçimi, kimyasal sü reçlerde sıcaklık ve akış hızı seçimi gibi yerlerde de mekanik bellekler yerine artık yarıiletkenler kullanılıyor.

9. SONUÇ:

Yarıiletken bellekler, bilgisayarlarda mıknatıslı çekirdek belleklerin yerini kı lacaktır. Ucuzlukları ve kullanma kolay lıkları yarıiletken belleklerin bilgisa yarlar dışında da çeşitli alanlarda kulla nılmasına olanak sağlıyor.

10. KAYNAKLAR

C1) Riley, W.B., "Special report: semicon ductor memories are taking över data

storage applications", Electronics, 2 Ağustos 1973, s.75 (') Altman, L., "Special report: semıcon ductor r.a.m.s. land computer main frame job", Electronics, 28 Ağustos 1972, s. 63 ( ) Parhami, B.,"Associative memories and processors: an overview and selected bibliography", Proc. Inst. Elect. E lectron. Eng., 1973, 61, s. 722 (**) Frohman Bentchkowsky, D., "R.O.M. can be electrically programmed and reprog rammed and reprogrammed", Electronics, 10 Mayıs 1971, s. 91 (5) Güder, J.H., "M.N.O.S. memory upstag ing m.o.s. and fixed heads in some areas", Electron. Des., 1973, 18, s. 28 ( ) tiilcock, J.D., "Semiconductor r.a.m.s. an expanding activity", New Electron., 20 Şubat 1973, s. 39 (7) Kuo, C, et al.,"Sense amplifier de sign is key to 1 transistor celi in 4096 bit r.a.m.", Electronics, 13 Ey lül 1973, s. 116 (8) Hart, CM. ve Slob, A., "Integrated injection logic (I*L)", Philips Tech nical Rev., 1973, 33, s. 76 (9) »iedman, S.K. ve Berger, H.H. , "A new static shift register vith dynamic transfer", Solid State Electron.,1973, 16, s. 1007 i1 °)BRÎTTON, J., "Metal nitride oxide i.e. memory retains data for meter reader", Electronics, 23 Ekim 1972, s. 119