半導体メモリ

半導体メモリは、コンピュータメモリなどのデジタルデータストレージに使用されるデジタル電子 半導体デバイスです。通常、シリコン集積回路メモリチップ上の金属酸化物半導体(MOS)メモリセル内にデータが保存されるデバイスを指します。^{[1] [2] [3]}異なる半導体技術を使用したさまざまなタイプがあります。ランダムアクセスメモリ(RAM)には、メモリセルごとに複数のトランジスタを使用するスタティック RAM (SRAM)と、セルごとにトランジスタとMOS コンデンサを使用するダイナミック RAM (DRAM) の 2 つの主要なタイプがあります。不揮発性メモリ( EPROM、EEPROM、フラッシュメモリなど) は、セルごとに 1 つのフローティングゲートトランジスタで構成されるフローティングゲートメモリセルを使用します。

ほとんどの種類の半導体メモリはランダムアクセスの特性を持っています。^[4]つまり、どのメモリ位置にアクセスするのにも同じ時間がかかるので、データは任意の順序で効率的にアクセスできます。^[5]これは、データを連続的に読み書きするCDなどのデータ記憶媒体とは対照的であり、したがってデータは書き込まれたのと同じ順序でしかアクセスできません。半導体メモリは他の種類のデータ記憶媒体よりもアクセス時間がはるかに速く、半導体メモリへのデータの書き込みや読み取りは数ナノ秒以内で行えますが、ハードディスクなどの回転式記憶媒体のアクセス時間は数ミリ秒の範囲です。これらの理由から、半導体メモリは、コンピュータが現在処理しているプログラムやデータを保持する ための一次記憶装置として使用されます。

2017年現在^[update]、半導体メモリチップの売上高は年間1240億ドルで、半導体産業の30％を占めています。^[6] シフトレジスタ、プロセッサレジスタ、データバッファ、およびメモリアドレスのデコードメカニズムを持たないその他の小さなデジタルレジスタは、デジタルデータも保存しますが、 通常はメモリとは呼ばれません。

半導体メモリ チップでは、バイナリ データの各ビットは、1 個から数個のトランジスタで構成されるメモリ セルと呼ばれる小さな回路に保存されます。メモリ セルは、チップの表面に長方形の配列で配置されます。1 ビットのメモリ セルは、ワードと呼ばれる小さな単位にグループ化され、単一のメモリ アドレスとしてまとめてアクセスされます。メモリは、通常 2 の累乗であるワード長(通常はN =1、2、4、または 8 ビット) で製造されます。

データには、チップのアドレスピンに適用されるメモリアドレスと呼ばれる2進数でアクセスします。メモリアドレスは、チップ内のどのワードにアクセスするかを指定します。メモリアドレスがMビットで構成されている場合、チップ上のアドレスの数は2 ^Mで、各アドレスにはNビットのワードが含まれます。したがって、各チップに保存されるデータの量はN 2 ^Mビットです。^[5] M個のアドレスライン のメモリストレージ容量は2 ^Mで表され、これは通常、2の累乗で、2、4、8、16、32、64、128、256、512であり、キロビット、メガビット、ギガビット、テラビットなどで測定されます。2014年現在、^[update]最大の半導体メモリチップは数ギガビットのデータを保持できますが、より大容量のメモリが常に開発されています。複数の集積回路を組み合わせることで、メモリは各チップが提供するものよりも大きなワード長やアドレス空間に配置できますが、必ずしも2の累乗であるとは限りません。^[5]

メモリ チップによって実行される 2 つの基本的な操作は、メモリ ワードのデータ内容が読み出される (非破壊的) 「読み取り」と、データがメモリ ワードに格納され、そこに以前格納されていたデータが置き換えられる 「書き込み」です。データ レートを上げるために、 DDR SDRAMなどの最新のメモリ チップでは、読み取りまたは書き込み操作ごとに複数のワードがアクセスされます。

スタンドアロンのメモリ チップに加えて、半導体メモリのブロックは、多くのコンピュータやデータ処理集積回路の不可欠な部分です。たとえば、コンピュータを実行するマイクロプロセッサチップには、実行を待機している命令を格納するキャッシュ メモリが含まれています。

揮発性メモリは、メモリチップの電源がオフになると保存されたデータを失います。しかし、不揮発性メモリよりも高速で安価です。このタイプは、コンピュータの電源がオフのときにデータがハードディスクに保存されるため、ほとんどのコンピュータのメインメモリに使用されます。主なタイプは次のとおりです。^{[7] [8]}

RAM (ランダム アクセス メモリ) – これは、読み取り専用の ROM (下記)とは対照的に、読み取りだけでなく書き込みも可能な半導体メモリの総称です。 RAM だけでなく、すべての半導体メモリはランダム アクセスの特性を備えています。

• DRAM (ダイナミック ランダム アクセス メモリ) – これは、 1 つのMOSFET (MOS 電界効果トランジスタ) と 1 つのMOS コンデンサで構成されるメモリ セルを使用して各ビットを保存します。このタイプの RAM は最も安価で密度が高いため、コンピューターのメイン メモリとして使用されます。ただし、メモリ セルにデータを保存する電荷は徐々に漏れ出すため、メモリ セルを定期的に更新(書き換え) する必要があり、追加の回路が必要になります。更新プロセスはコンピューター内部で処理され、ユーザーには見えません。
  • FPM DRAM (高速ページ モード DRAM ) – メモリの単一「ページ」への繰り返しアクセスをより高速に実行できるようにすることで、以前のタイプを改良した、古いタイプの非同期 DRAM。1990 年代半ばに使用されました。
  • EDO DRAM (拡張データ出力 DRAM ) – 以前のアクセスのデータが転送されている間に新しいメモリ アクセスを開始できるため、以前のタイプよりもアクセス時間が高速な、古いタイプの非同期 DRAM。1990 年代後半に使用されました。
  • VRAM (ビデオ ランダム アクセス メモリ) – かつてビデオ アダプタ(ビデオ カード)のフレーム バッファに使用されていた古いタイプのデュアル ポートメモリ。
  • SDRAM (同期ダイナミックランダムアクセスメモリ) - これは、コンピュータのメモリバスに追加されたクロック信号とすべての操作を同期させる回路を DRAM チップに追加したものです。これにより、チップはパイプラインを使用して複数のメモリ要求を同時に処理し、速度を上げることができます。チップ上のデータは、それぞれが同時にメモリ操作を行えるバンクに分割されています。これは、2000 年頃までにコンピュータメモリの主流となりました。
    • DDR SDRAM (ダブルデータレートSDRAM ) – これは、ダブルポンピング(クロックパルスの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方でデータを転送する)により、各クロックサイクルで2倍のデータ(連続する2ワード)を転送できます。このアイデアの拡張は、メモリアクセス速度とスループットを向上させるために現在(2012年)使用されている技術です。メモリチップの内部クロック速度をさらに上げることは困難であることが判明しているため、これらのチップは各クロックサイクルでより多くのデータワードを転送することで転送速度を上げます。
      • DDR2 SDRAM – 内部クロックサイクルごとに4つの連続ワードを転送します
      • DDR3 SDRAM – 内部クロック サイクルごとに 8 つの連続ワードを転送します。
      • DDR4 SDRAM – 内部クロック サイクルごとに 16 個の連続ワードを転送します。
    • RDRAM ( Rambus DRAM ) – 一部の Intel システムで使用されていたが、最終的には DDR SDRAM に取って代わられた代替のダブル データ レート メモリ規格。
      • XDR DRAM (エクストリーム データ レート DRAM )
    • SGRAM (同期グラフィックス RAM ) –グラフィックス アダプタ(ビデオ カード)用に作られた特殊なタイプの SDRAM 。ビット マスキングやブロック書き込みなどのグラフィックス関連の操作を実行でき、一度に 2 ページのメモリを開くことができます。
      • GDDR SDRAM (グラフィックス DDR SDRAM )
        • DDR2 とは
        • GDDR3 SDRAM
        • GDDR4 SDRAM
        • GDDR5 SDRAM
        • GDDR6SDRAM について
    • HBM (高帯域幅メモリ) – グラフィック カードで使用される SDRAM の開発で、より高速にデータを転送できます。これは、より広いデータ バスを持つ、互いに積み重ねられた複数のメモリ チップで構成されています。
  • PSRAM (擬似静的 RAM ) – これはチップ上でメモリのリフレッシュを実行する回路を持つ DRAM であり、SRAM のように動作し、外部メモリ コントローラをシャットダウンして電力を節約できます。Wiiなどのいくつかのゲーム コンソールで使用されています。
• SRAM (静的ランダムアクセスメモリ) – これは、 4 ～ 6 個のトランジスタで構成されるフリップフロップと呼ばれる回路に各データビットを保存します。SRAM は DRAM よりも密度が低く、ビットあたりのコストは高くなりますが、高速でメモリのリフレッシュを必要としません。コンピュータの小型キャッシュ メモリに使用されます。
• CAM (コンテンツ アドレス可能メモリ) – アドレスを使用してデータにアクセスする代わりに、データ ワードが適用され、そのワードがメモリに格納されている場合はメモリがその場所を返す特殊なタイプです。ほとんどの場合、 マイクロプロセッサなどの他のチップに組み込まれ、キャッシュ メモリとして使用されます。

不揮発性メモリ（NVM）は、チップの電源がオフになっている間も保存されたデータを保持します。そのため、ディスクを持たないポータブルデバイスのメモリや、リムーバブルメモリカードなどに使用されます。主なタイプは次のとおりです。^{[7] [8]}

• ROM (読み取り専用メモリ) – 永久データを保持するように設計されており、通常の操作では読み取りのみが行われ、書き込みは行われません。多くの種類は書き込み可能ですが、書き込みプロセスは遅く、通常、チップ内のすべてのデータを一度に書き換える必要があります。通常、コンピューターを起動するBIOSプログラムや、ポータブル デバイスやマイクロコントローラーなどの組み込みコンピューターのソフトウェア (マイクロコード)など、コンピューターがすぐにアクセスする必要があるシステム ソフトウェアを保存するために使用されます。
  • MROM (マスク プログラム ROMまたはマスク ROM ) - このタイプでは、チップの製造時にデータがチップにプログラムされるため、大量生産にのみ使用されます。新しいデータで書き換えることはできません。
  • PROM (プログラマブル読み取り専用メモリ) - このタイプでは、データは回路にインストールされる前に既存の PROM チップに書き込まれますが、書き込めるのは 1 回だけです。データは、PROM プログラマと呼ばれるデバイスにチップを差し込むことによって書き込まれます。
  • EPROM (消去可能プログラマブル読み取り専用メモリまたは UVEPROM) – このタイプでは、チップを回路基板から取り外し、紫外線にさらして既存のデータを消去し、PROM プログラマに差し込むことで、その中のデータを書き換えることができます。IC パッケージの上部には、紫外線を通すための小さな透明な「窓」があります。これは、工場でプログラムを変更する必要があるプロトタイプや少量生産デバイスによく使用されます。

    

  • EEPROM (電気的に消去可能なプログラム可能な読み取り専用メモリ) - このタイプでは、チップが回路基板上にある間にデータを電気的に書き換えることができますが、書き込みプロセスは低速です。このタイプは、ほとんどのコンピューターのBIOSプログラムなど、ハードウェア デバイスを実行する低レベルのマイクロコードであるファームウェアを保持して更新するために使用されます。
• NVRAM (不揮発性ランダムアクセスメモリ)
  • FRAM (強誘電体 RAM ) – 不揮発性 RAM の一種。
• フラッシュ メモリ- このタイプの書き込みプロセスは、EEPROM と RAM メモリの中間の速度です。書き込みは可能ですが、メイン メモリとして使用するには速度が足りません。ファイルの保存に、ハード ディスクの半導体バージョンとしてよく使用されます。PDA、 USB フラッシュ ドライブ、デジタル カメラや携帯電話で使用されるリムーバブルメモリ カードなどのポータブル デバイスで使用されます。

初期のコンピュータメモリは磁気コアメモリで構成されていました。これは、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)などのトランジスタを含む初期の固体電子 半導体が、デジタル記憶素子 (メモリセル) として使用するには実用的ではなかったためです。最も初期の半導体メモリは、バイポーラトランジスタを使用したバイポーラメモリの1960年代初頭にまで遡ります。^[9]ディスクリートデバイスで作られたバイポーラ半導体メモリは、 1961年にテキサスインスツルメンツによって米国空軍に初めて出荷されました。同じ年、フェアチャイルドセミコンダクターのアプリケーションエンジニアであるボブノーマンによって、集積回路(IC) チップ上の固体メモリの概念が提案されました。^[10]最初のシングルチップメモリ​​ICは、ポールカストルッチによって設計され、1965年12月に製造されたBJT 16ビットIBM SP95でした。^{[9] [10]}バイポーラメモリは磁気コアメモリよりも優れたパフォーマンスを提供しましたが、1960年代後半まで主流であった磁気コアメモリの低価格には太刀打ちできませんでした。^{[9]バイポーラメモリは、バイポーラ}フリップフロップ回路が大きすぎて高価だったため、磁気コアメモリを置き換えることができませんでした。 ^[11]

1957年、フロッシュとデリックはベル研究所で最初の二酸化シリコン電界効果トランジスタを製造することに成功しました。これはドレインとソースが表面で隣接した最初のトランジスタでした。^[12]これに続いて、ベル研究所で実用的なMOSFETが作られました。^{[13] [14]}

MOSメモリは、 1964年にフェアチャイルドセミコンダクターのジョン・シュミットによって開発されました。^{[15] [16]} MOSメモリは、より高い性能に加えて、磁気コアメモリよりも安価で消費電力も少なかった。^[15]これにより、MOSFETは最終的にコンピュータメモリの標準的な記憶素子として磁気コアに取って代わることになりました。^[17]

1965年、英国王立レーダー研究所のJ.ウッドとR.ボールは、電源、スイッチ付きクロスカップリング、スイッチ、遅延線ストレージ用のMOSFETパワーデバイスに加えて、CMOS （相補型MOS）メモリセルを使用するデジタルストレージシステムを提案しました。^[18] 1968年にフェアチャイルドのフェデリコ・ファギンがシリコンゲートMOS集積回路（MOS IC）技術を開発したことで、MOSメモリチップの製造が可能になりました。^[19] NMOSメモリは、1970年代初頭にIBMによって商品化されました。 ^[20] MOSメモリは、1970年代初頭に磁気コアメモリを追い抜いて主流のメモリ技術になりました。^[15]

コンピュータに関連して使用される「メモリ」という用語は、ほとんどの場合、揮発性ランダムアクセスメモリ(RAM) を指します。揮発性 RAMには、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM) とダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM) の 2 つの主な種類があります。バイポーラ SRAM は、1963 年にフェアチャイルドセミコンダクターのロバート ノーマンによって発明され、^[9]続いて 1964 年にフェアチャイルドのジョン シュミットによって MOS SRAM が開発されました。 ^[15] SRAM は磁気コアメモリの代替となりましたが、データ1ビットごとに 6 つの MOS トランジスタが必要でした。 ^{[21] SRAM の商用利用は、IBM が}System/360 モデル 95用に SP95 SRAM チップを発表した 1965 年に始まりました。^[9]

東芝は1965年にToscal BC-1411電子計算機用にバイポーラDRAMメモリセルを導入した。 ^{[22] [23]}バイポーラDRAMは磁気コアメモリよりも性能が優れていたが、当時主流だった磁気コアメモリの低価格には太刀打ちできなかった。^[24] MOS技術は現代のDRAMの基礎となっている。 1966年、IBMトーマス・J・ワトソン研究所のロバート・H・デナード博士はMOSメモリの研究をしていた。MOS技術の特性を調べているうちに、彼はMOS技術でコンデンサを構築できること、MOSコンデンサに電荷を蓄えるか蓄えないかでビットの1と0を表現でき、MOSトランジスタでコンデンサへの電荷の書き込みを制御できることを発見した。これが彼のシングルトランジスタDRAMメモリセルの開発につながった。^[21] 1967年、デナードはIBMのもとでMOS技術に基づいたシングルトランジスタDRAMメモリセルの特許を申請した。^[25]これにより、1970年10月に最初の商用DRAM ICチップであるIntel 1103が誕生しました。 ^{[26] [27] [28]}同期ダイナミックランダムアクセスメモリ（SDRAM）は、その後、1992年にSamsung KM48SL2000チップでデビューしました。 ^{[29] [30]}

「メモリ」という用語は、不揮発性メモリ、特にフラッシュ メモリを指す場合にもよく使用されます。これは、読み取り専用メモリ(ROM)に由来しています。プログラマブル読み取り専用メモリ(PROM) は、1956 年にアメリカの Bosch Arma Corporation の Arma 部門に勤務していたWen Tsing Chowによって発明されました。^{[31] [32]} 1967年、ベル研究所のダウォン・カーンとサイモン・ゼーは、 MOS半導体デバイスのフローティングゲートを再プログラム可能な読み取り専用メモリ（ROM）のセルに使用できることを提案し、これが1971年にインテルのドブ・フローマンがEPROM （消去可能PROM）を発明することにつながった。^[33] EEPROM （電気的に消去可能なPROM）は、1972年に日本の通商産業省（MITI）電気技術総合研究所の樽井康雄、林豊、永清子によって開発されました。 ^{[34]フラッシュメモリは1980年代初頭に}東芝の舛岡富士夫によって発明されました。^{[35] [36]舛岡らは1984年に}NORフラッシュの発明を発表し、^[37]続いて1987年にNANDフラッシュを発表した。 ^[38]東芝は1987年にNANDフラッシュメモリを商品化した。^{[39] [40]}

• エレクトロニクス産業
• 半導体産業