Hoe zit een geheugenchip in elkaar?

De geheugenchip stuwt de performance van de hedendaagse elektronica tot steeds grotere hoogten. De data-opslag of geheugenchip blijft zich verbeteren qua grootte en snelheid, terwijl de kosten van het fabricageproces relatief laag blijven. Geheugen kan zowel volatile (vluchtig) als non-volatile zijn. Non-volatile geheugen heeft geen continue voedingsspanning nodig om de data vast te houden. De architectuur van een geheugenchip is vrij standaard, en ziet er in grote lijnen meestal hetzelfde uit.

Digitale data-opslag

In de digitale wereld rekent men met binaire getallen en getal-reeksen. Dit komt omdat het veel gemakkelijker is voor hardware om met het binaire talstelsel te werken dan met het tientallig talstelsel. Een getal wordt opgevat als een reeks enen en nullen.
Een binair getal heeft een soortgelijke representatie als een tientallig getal, maar nu met 2 als grondtal. Zo wordt het getal 9 binair voorgesteld als:
9 = 1 x 8 + 0 x 4 + 0 x 2 + 1 x 1 = 1 x 2³ + 0 x 2² + 1 x 2¹ + 0 x 2° = 1001
De plaats die een '0' of '1' weergeeft, noemt men ook wel bit (binary digit). Een binair getal van 4 bits breed noemt men een nibble, 8 bits breed een byte, 16 bits breed een word, en 32 bits breed een longword. Digitale hardware verwerkt dergelijke getallen. Een computer (letterlijk 'rekenaar') doet niets anders dan rekenen met binaire getallen, ze verplaatsen, opslaan, weergeven, en omzetten naar analoge grootheden. Voor al deze bewerkingen is het nodig om getallen tijdelijk, of voor langere termijn, te kunnen bewaren. Voor deze digitale data-opslag was vroeger aangewezen op het magnetische ringkerngeheugen en de geheugentrommel. Beiden maakten gebruik van magnetisme. Een gemagnetiseerd element werd opgevat als digitale '1' of '0', en kon worden uitgelezen doordat zo'n element een inductiespanning in een draad of spoel opwekt.
Men maakt onderscheid tussen vast-en werk-geheugen. Voor vast geheugen, zoals een harde schijf, gebruikt men nog steeds de principes van het magnetisme. Werkgeheugen is nodig voor microprocessoren om tussenreslutaten snel op te kunnen slaan en uit te kunnen lezen.
Vanaf de jaren '70 in de vorige eeuw was men in staat piepkleine schakelaartjes -transistoren- te integreren in een enkele chip, het integrated circuit of het IC. Op verschillende manieren kon men nu binaire getallen opslaan. Men kon de transistoren gebruiken om lading op te slaan (dynamisch RAM). Een dergelijk geheugen moet om de zoveel 'opgefrist' worden door een zogenaamde 'refresh cycle'. Daarnaast kon men schakelingen bouwen die slechts in twee stabiele (de '0' en de '1') toestanden konden verkeren. Dit type geheugen noemt men statisch RAM. Een ander type geheugen is het ROM geheugen; een vooraf vastgelegd patroon van binaire getallen kan in een dergelijke chip worden gebrand, en blijft permanent aanwezig. De steeds verdergaande integratie en miniaturisering van de gebruikte technologie heeft ertoe geleid dat de geheugencapaciteit van cmputers, mp3-spelers, en mobiele telefoons explosief gegroeid is, terwijl het gebruikte oppervlak relatief niet meestijgt (zie ook De Wet van Moore).
De laatste ontwikkelingen op dit gebied vinden plaats in het zogenaamde non-volatile (niet-vluchtig) geheugen. Dit zijn geheugenchips die geen continue voedingsspanning nodig hebben (zoals dat wel bij RAM het geval is) om data blijvend te kunnen vasthouden. Zie ook Wat is flashgeheugen?.

Bit cel

De fysieke plaats waar men een bit onthouden kan noemt men een bitcel. Het kenmerk van een bitcel is dat het in twee stabiele toestanden kan verkeren. Stabiel betekent blijvend; men kan alleen van de ene naar de andere toestand overgaan door de cel te stimuleren met elektrische signalen. Zoals aangegeven kan men een dergelijk systeem bouwen door gebruik te maken van elektromechanische onderdelen, elektromagnetisme, of met behulp van digitale bouwstenen. De meest elementaire digitale bouwsteen is de transistor.

De gangbare digitale techniek gebruikt de CMOS-technologie. CMOS schakelingen zijn opgebouwd uit zowel NMOS als PMOS transistoren. Deze transistoren zijn uitermate geschikt voor digitale operatie's. Een dergelijke transistor heeft drie pootjes. Tussen de source en de drain aansluiting bevindt zich het zogenaamde kanaal dat in geleiding kan worden gebracht. De gate is de aansluiting die ervoor zorgt dat een transistor in geleiding komt of niet. Een PMOS transistor komt in geleiding wanneer de gate-source spanning negatief is; een NMOS transistor geleidt wanneer de gate-source spanning positief is. In de afbeelding hiernaast is het meest eenvoudige model van een bitcel afgebeeld. De verticale lijn heet 'Bitline' en is verbonden aan de source van een transistor. De gate van de transitor is verbonden met de 'Wordline'. De drain is verbonden met een capaciteit waar lading opgeslagen kan worden. De toestand van de wordline en de bitline fungeren als selectie-criterium voor de bitcel. Zo zal de cel geactiveerd worden wanneer de gate-source spanning positief is (de afgebeelde transistor is een NMOS). Is een cel geactiveerd, dan kan men lading toevoegen of laten wegstromen via de bitline. Wanneer de wordline wordt gedeactiveerd blijft de hoeveelheid lading op de capaciteit constant. Men kan de hoeveelheid lading op de capaciteit beschouwen als een digitale '0' of een '1'. De bitline wordt tevens gebruikt om de cel uit te lezen. Hiervoor wordt een bitcell geactiveerd; afhankelijk van de hoeveelheid lading op de capaciteit zal de spanning van de bitline gaan dalen of juist stijgen. Gedurende een korte tijdseenheid zal het spanningsniveau van de bitline vergeleken worden met een referentie-spanning. Er zijn slecht twee mogelijke uitkomsten. De spanning is hoger of lager dan de referentie. Deze uitkomst vertaalt men in een digitale '0' of '1'.

Geheugenchip

Wanneer men 8 van dergelijke cellen naast elkaar legt, kan men een byte opslaan. Een dergelijk systeem zou 8 bitlines en één wordline vergen. De gebruikelijke vorm waarin een geheugen wordt gemaakt is een matrix. Wanneer men meerdere bitcellen rooster-gewijs gaat stapelen, maakt men het meest effectief gebruik van de beschikbare ruinmte op een chip. Men noemt dit ook wel een memory-array. Het hart van een geheugen heeft meerdere wordlines, die horizontaal gelegen zijn, en meerdere bitlines, allen verticaal gelegen. Op de kruispunten van de word- en bit-lines liggen de bitcellen. Het aantal bits is het aantal wordlines vermenigvuldigd met het aantal bitlines.
Meestal wil men een byte of word in één keer schrijven of lezen. Dit betekent dat bijvoorbeeld 8 bitcellen tegelijkertijd geactiveerd moeten kunnen worden. Een dergelijke byte is altijd gelegen op één enkele wordline. Er dienen dan 8 bitlines geselecteerd te worden die overeenkomen met de byte in kwestie. De plaats waar een byte gepositioneerd is noemt men een adres. Een adres bevat de coordinaten van de wordline en de bitlines. Wanneer een adres aangeboden wordt aan een geheugen, vindt er een conversie plaats waarbij de juiste wordline en bitlines geselecteerd worden. Deze conversie wordt verzorgd door een Row Decoder en een Collumn Decoder. Daarnaast is er 'slimme' logica nodig om het lees- en schrijf-proces te kunnen uitvoeren. De hardware die de spanning van de bitlines vergelijkt met een referentie heet Sense Amplifier.

Lees verder

• Chips en transistoren
• Binair en hexadecimaal rekenen
• De werking van de Flip-Flop