Запоминающие устройства: ПЗУ, ОЗУ (статические и динамические), Flash‑память

1. Введение: роль и классификация запоминающих устройств

Запоминающие устройства (ЗУ) — ключевые компоненты цифровых систем, обеспечивающие хранение данных и программ. От их характеристик зависят:

• производительность системы (скорость чтения/записи);
• объём доступной памяти;
• энергонезависимость (сохранение данных при отключении питания);
• стоимость и энергопотребление.

Основные параметры ЗУ:

• ёмкость (бит, байт, КБ, МБ, ГБ, ТБ);
• время доступа (задержка от запроса до выдачи данных);
• цикл записи/чтения (минимальное время между операциями);
• энергозависимость/энергонезависимость;
• стоимость за бит.

Классификация по назначению:

• оперативная память (ОЗУ, RAM);
• постоянная память (ПЗУ, ROM);
• энергонезависимая перезаписываемая память (Flash, EEPROM).

2. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM)

2.1. Назначение и особенности

ПЗУ хранит данные, которые не должны изменяться в процессе эксплуатации:

• загрузочные программы (BIOS/UEFI);
• микрокод процессоров;
• константы и таблицы (например, шрифты, коэффициенты);
• прошивки встраиваемых систем.

Ключевые свойства:

• энергонезависимость;
• чтение — быстро, запись/изменение — сложно или невозможно;
• высокая надёжность хранения.

2.2. Типы ПЗУ

а) Масочное ПЗУ (Mask ROM)

• Данные «зашиваются» на этапе производства кристалла.
• Дешево при больших тиражах.
• Невозможно перепрограммировать.

б) Программируемое ПЗУ (PROM)

• Изначально — все биты 1 (или 0).
• Пользователь «прожигает» перемычки для записи 0 (однократно).
• Неперезаписываемое.

в) Стираемое ПЗУ (EPROM)

• Стирание — ультрафиолетовым излучением через окошко в корпусе.
• Перезапись — электрическим способом.
• Ограниченное число циклов (тысячи).
• Пример: серия 27xx (2716, 27C256).

г) Электрически стираемое ПЗУ (EEPROM)

• Стирание и запись — электрическими сигналами.
• Побайтовая адресация и перезапись.
• Большее число циклов (десятки/сотни тысяч).
• Используется в микроконтроллерах для хранения настроек.

2.3. Структура и принцип работы

• Матрица запоминающих элементов (ЗЭ) — ячейки на основе диодов, транзисторов, плавких перемычек.
• Дешифраторы строк и столбцов — выбор адреса.
• Усилители считывания — формирование выходного сигнала.

Пример ЗЭ для EEPROM:

• транзистор с плавающим затвором;
• запись — инжекция электронов в затвор;
• стирание — удаление заряда (туннелирование).

2.4. Применение

• встроенные системы (бытовая техника, автоэлектроника);
• хранение микропрограмм;
• защита от несанкционированного копирования.

3. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM)

3.1. Общие свойства

ОЗУ — память для временного хранения данных и программ в процессе их выполнения.

Особенности:

• быстрый доступ (десятки–сотни нс);
• произвольная адресация (любой адрес доступен за одно и то же время);
• энергозависимость (данные теряются при отключении питания).

Типы ОЗУ:

• статическое (SRAM);
• динамическое (DRAM).

3.2. Статическое ОЗУ (SRAM)

Принцип хранения: триггер (2 инвертора с обратной связью) на каждом бите.

Преимущества:

• высокое быстродействие (время доступа ~1–10 нс);
• не требует регенерации;
• простое управление.

Недостатки:

• большая площадь на кристалле (6–8 транзисторов на бит);
• высокая стоимость за бит;
• большее энергопотребление.

Структура ячейки SRAM (6‑транзисторная):

• два перекрестно соединённых инвертора (хранение бита);
• два транзистора доступа (управление чтением/записью по линии слова WL).

Применение:

• кэш‑память процессоров (L1, L2, L3);
• буферная память;
• встраиваемые системы с жёсткими требованиями к задержкам.

3.3. Динамическое ОЗУ (DRAM)

Принцип хранения: заряд на конденсаторе (1 транзистор + 1 конденсатор на бит).

Особенности:

• малая площадь (1 транзистор + конденсатор);
• низкая стоимость за бит;
• низкое энергопотребление в режиме хранения.

Недостатки:

• необходимость регенерации (каждые ~64 мс);
• большее время доступа (~20–100 нс);
• сложное управление (стробы RAS, CAS, мультиплексирование адресов).

Цикл работы:

1. Активация строки (RAS# — Row Address Strobe).
2. Чтение/запись столбца (CAS# — Column Address Strobe).
3. Восстановление заряда (регенерация).

Поколения DRAM:

• SDRAM;
• DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5 (удвоенная/учетверённая скорость передачи);
• LPDDR (низковольтная для мобильных устройств);
• HBM (высокопроизводительная для GPU).

Применение:

• основная оперативная память ПК, серверов;
• видеопамять (VRAM);
• встраиваемые системы с большим объёмом данных.

4. Flash‑память

4.1. Назначение и особенности

Flash‑память — энергонезависимая перезаписываемая память, сочетающая:

• возможность многократной перезаписи (тысячи–миллионы циклов);
• отсутствие движущихся частей;
• низкое энергопотребление.

Отличие от EEPROM:

• Flash стирает данные блоками (а не побайтно);
• выше плотность размещения;
• ниже стоимость за бит.

4.2. Принцип работы

Запоминающий элемент — транзистор с плавающим затвором:

• Запись (программирование): инжекция электронов в плавающий затвор (канальное туннелирование, горячий инжект).
• Стирание: удаление заряда из плавающего затвора (туннелирование Фаулера‑Нордхейма).
• Чтение: измерение проводимости канала (есть заряд → 0, нет → 1).

Технологии ячеек:

• SLC (Single‑Level Cell) — 1 бит/ячейка (высокая скорость, надёжность, цена);
• MLC (Multi‑Level Cell) — 2 бита/ячейка;
• TLC (Triple‑Level Cell) — 3 бита/ячейка;
• QLC (Quad‑Level Cell) — 4 бита/ячейка (низкая цена, меньшая выносливость).

4.3. Архитектура и организация

• Блоки стирания (обычно 128–256 КБ) — минимальный стираемый фрагмент.
• Страницы записи (2–4 КБ) — минимальный записываемый фрагмент.
• Контроллер Flash — управляет:
  • выравниванием износа (Wear Leveling);
  • коррекцией ошибок (ECC);
  • заменой сбойных блоков (Bad Block Management).

Интерфейсы:

• NAND (высокая плотность, блочный доступ);
• NOR (быстрый произвольный доступ, исполнение кода «на месте»).

4.4. Типы и применения

а) NAND Flash

• высокие объёмы (ГБ–ТБ);
• SSD, USB‑накопители, карты памяти (SD, microSD);
• требует контроллера.

б) NOR Flash

• быстрое чтение, исполнение кода;
• хранение прошивок (BIOS, загрузчики);
• меньшие объёмы (МБ–ГБ).

в) 3D NAND

• вертикальное размещение ячеек (много слоёв);
• повышение плотности и надёжности;
• снижение стоимости.

4.5. Характеристики и ограничения

• Число циклов перезаписи: SLC ~100 тыс., TLC ~3 тыс.
• Время стирания блока: десятки–сотни мс.
• Скорость записи: ниже чтения (из‑за стирания).
• Надёжность: зависит от технологии и условий эксплуатации.

5. Сравнительный анализ типов памяти

| Параметр | SRAM | DRAM | Flash (NAND) | EEPROM