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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格納されるデバイスを指します。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]さまざまな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）の主な2つのタイプは、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キャパシタを使用するダイナミックRAM （DRAM）です。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。
ほとんどのタイプの半導体メモリはランダムアクセスという特性を持っています[ 4 ]。これは、どのメモリ位置にアクセスしても所要時間が同じであるため、データを任意の順序で効率的にアクセスできることを意味します[ 5 ] 。これは、CDなどのデータストレージメディアとは対照的です。CDはデータを連続して読み書きするため、データは書き込まれた順序でしかアクセスできません。半導体メモリは、他のタイプのデータストレージよりもアクセス時間がはるかに高速です。1バイトのデータは数ナノ秒以内に半導体メモリに書き込んだり読み取ったりできますが、ハードディスクなどの回転式ストレージのアクセス時間はミリ秒単位です。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などを保持するプライマリストレージとして使用されます。
2017年現在半導体メモリチップの年間売上高は1,240億ドルで、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デコード機構を持たないその他の小型デジタルレジスタは、デジタルデータを格納するものの、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微小な回路に格納されます。メモリセルはチップ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のべき乗であるワード長で製造され、一般的にはN =1、2、4、または8ビットです。
データは、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バイナリ数によってアクセスされます。このメモリ 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数は 2 Mであり、それぞれがNビットのワードを格納します。したがって、各チップに格納されるデータ量はN 2 Mビットです。[ 5 ] M本のアドレス ライン のメモリ記憶容量は 2 Mで与えられ、これは通常 2 のべき乗 (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しますが、より大容量のメモリが絶えず開発されています。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よりも大きなワード長やアドレス空間に構成することができ、多くの場合2のべき乗になりますが、必ずしもそうとは限りません。[ 5 ]
メモリチップが行う基本的な操作は、「読み出し」と「書き込み」の2つです。「読み出し」では、メモリワード内のデータ内容が（破壊されることなく）読み出されます。「書き込み」では、メモリワードにデータが書き込まれ、以前にそこに格納されていたデータが置き換えられます。データ転送速度を向上させるため、 DDR SDRAMなどの最新のメモリチップでは、読み出しまたは書き込み操作ごとに複数のワードにアクセスします。
単体のメモリチップに加え、半導体メモリブロックは、多くのコンピュータやデータ処理用集積回路の不可欠な構成要素となっている。例えば、コンピュータを動かすマイクロプロセッサチップには、実行待ちの命令を格納するためのキャッシュメモリが搭載されている。
揮発性メモリは、メモリチップへの電源が切れると保存されたデータが失われます。しかし、不揮発性メモリよりも高速で安価になる場合があります。このタイプは、コンピュータの電源が切れている間は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、書き込みと読み出しの両方が可能な半導体メモリ全般を指す一般的な用語となっています。一方、ROM （下記参照）は読み出しのみが可能です。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持っています。
不揮発性メモリ（NVM）は、チップへの電源がオフになっている間も、そこに保存されている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。主な種類は次のとおりです。[ 7 ] [ 8 ]
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、デジタルストレージ素子（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で、1960年代初頭に遡ります。[ 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・インスツルメンツから米国空軍に初めて出荷されました。同年、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・ノーマンが、集積回路（IC）チップ上の固体メモリの概念を提案しました。[ 10 ]最初のシングルチップメモリICは、ポール・カストルッチが設計し、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性能を提供したが、1960年代後半まで支配的であ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。[ 9 ]バイポーラメモリが磁気コアメモリに取って代わらなかったのは、バイポーラフリップフロップ回路が大きすぎて高価すぎたためである。[ 11 ]
1959年にベル研究所のモハメド・M・アタラとダウォン・カンによって発明された金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）[ 12 ]の登場により、コンピュータメモリで磁気コアが担っていた機能であるメモリセル記憶素子として、金属酸化物半導体（MOS）トランジスタを実用的に使用することが可能になった。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た[ 13 ] [ 14 ]。MOSメモリは、性能が高いだけでなく、磁気コアメモリよりも安価で消費電力も少なかった[ 13 ] 。このため、MOSFETは最終的にコンピュータメモリの標準記憶素子として磁気コアに取って代わることになった。
1965年、王立レーダー研究所のJ.ウッドとR.ボールは、電源用のMOSFETパワーデバイス、スイッチングクロスカップリング、スイッチ、遅延線ストレージに加えて、 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た。[ 15 ] 1968年にフェアチャイルドのフェデリコ・ファギンによるシリコンゲートMOS集積回路（MOS IC）技術の開発により、MOSメモリチップの製造が可能になった。[ 16 ] NMOSメモリは1970年代初頭にIBMによって商用化された。 [ 17 ] MOSメモリは1970年代初頭に磁気コアメモリを凌駕し、主要なメモリ技術となった。[ 13 ]
コンピュータに関して「メモリ」という用語を使用する場合、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の主な種類は、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つです。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[ 13 ]。SRAMは磁気コアメモリの代替となりましたが、データ1ビットあたり6個のMOSトランジスタが必要でした[ 18 ] 。SRAMの商用利用は、IBMがSystem/360 Model 95向けにSP95 SRAMチップを発表した1965年に始まりました[ 9 ]。
東芝は1965年に電子計算機Toscal BC-1411にバイポーラDRAMメモリセルを導入した。 [ 19 ] [ 20 ]バイポーラDRAMは磁気コアメモリよりも性能が向上したが、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。[ 21 ] 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メモリの研究に取り組んでいた。MOS技術の特性を調べているうちに、コンデンサを構築できること、そしてMOSコンデンサに電荷を蓄積するかしないかでビットの1と0を表現できること、また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、単一トランジスタDRAMメモリセルの開発につながった。[ 18 ] 1967年、デナードはIBMの下でMOS技術に基づく単一トランジスタDRAMメモリセルの特許を出願した。[ 22 ]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。 [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]その後、同期ダイナミックランダムアクセスメモリ(SDRAM) が 1992 年にSamsung KM48SL2000 チップで登場しました。[ 26 ] [ 27 ]
「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われます。その起源は読み出し専用メモリ（ROM）にあります。プログラマブル読み出し専用メモリ（PROM）は、1956年にアメリカのボッシュ・アルマ社のアルマ部門に勤務していたウェン・ツィン・チョウによって発明されました。[ 28 ] [ 29 ] 1967年、ベル研究所のダウォン・カンとサイモン・シーは、 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出し専用メモリ（ROM）のセルに使用できることを提案し、これがインテルのドブ・フローマンによる1971年のEPROM （消去可能なPROM）の発明につながった。[ 30 ] EEPROM （電気的に消去可能なPROM）は、 1972年に日本の通商産業省（MITI）電気技術研究所の樽井康夫、林豊、永清子によって開発された。 [ 31 ]フラッシュメモリは、1980年代初頭に東芝の増岡富士夫によって発明された。 [ 32 ] [ 33 ]増岡らは1984年にNORフラッシュの発明を発表し、[ 34 ]続いて1987年にNANDフラッシュを発表した。 [ 35 ]東芝は1987年にNANDフラッシュメモリを商品化した。[ 36 ] [ 37 ]
最小パターンサイズ8μmの6マスクシリコンゲートP-MOSプロセスで製造されました。その結果、2,400μmのメモリセルサイズ、 10mm²弱 のダイサイズを持つ製品が、約21ドルで販売されました。
最初の商用同期DRAMであるSamsung 16-Mbit KM48SL2000は、システム設計者が非同期システムから同期システムへ容易に移行できるシングルバンクアーキテクチャを採用している。