خلية ذاكرة (حوسبة)

قاد اختراع ترنزستورات موسفت (ترانزستورات الأثر الحقلي شبه الناقلة الأكسيدية المعدنية)، وهو من اختراع المهندس المصري محمد محمد عطا الله وداون كانغ في مختبرات بل في عام 1959، قاد هذا الاختراع إلى تطوير خلايا الذاكرة الحديثة القائمة على شبه ناقل أكسيد المعدن. قُدمت أول خلايا ذاكرية حديثة في عام 1964 عندما صمم جون سكمدت أول ذاكرة وصول عشوائي قائمة على ترانزستور موسفت من نوع القناة p بطول 64 بتا.[10][11][12]

عادة يكون في ذاكرة الوصول العشوائي الساكنة خلايا ذاكرة من ستة ترانزستورات، أما خلايا ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية فتتكون من ترانزستور واحد.[13] في عام 1965 استعملت الآلة الحاسبة الرقمية المملوكة لتوشيبا Toscal BC-1411 نوعًا من ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية السعوية ثنائية القطب، لتخزن 180 بتًا في خلايا ذاكرية منفصلة تتكون من ترانزستورات جرمانيوم ثنائية القطب ومكثفات.تقنية الموسفت هي أساس ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية الحديثة. في عام 1966، كان الدكتور روبرت دينرد في المركز البحثي في آي بي إم لتوماس جون واتسون يعمل على ذاكرة موسفت. بينما كان يجرب خصائص تقنية الموسفت وجد أنها قادرة على بناء مكثفات، فيكون تخزين الشحنة أو عدمه في المكثفة ممثلًا للواحد والصفر على الترتيب في البت، هذا ويتحكم ترانزستور الموسفت في كتابة الشحنة على المكثفة. قاد هذا إلى تطويره خلايا ذاكرة عشوائية الوصول من ترانزستور واحد. في عام 1967، سجل دينرد شهادة اختراع للخلية الذاكرية الديناميكية من ترانزستور واحد، وهي قائمة على تقنية الموسفت.[14][15][16][17]

أول ذاكرة وصول عشوائي ساكنة ثنائية القطب تجارية بطول 64 بتًا أطلقتها شركة إنتل في عام 1969 بمنطق الترانزستور-ترانزستور لسكوتكي. بعد عام، أطلقت إنتل أول رقاقة دارة متكاملة لرام ديناميكي، إنتل 1103، وهي قائمة على تقنية الموسفت. بحلول عام 1972، تجاوزت مبيعاتها الأرقام السابقة في مبيعات الذاكرة شبه الناقلة. كانت تحوي خلايا رقاقات الرام الديناميكي في أوائل سبعينيات القرن العشرين ثلاثة ترانزستورات، قبل أن تصبح خلايا الترانزستور الواحد هي الأصل المعتمد منذ أواسط السبعينيات.[18]

جعلت شركة راديو أمريكا آر سي إيه ذواكر السيموس تجارية حين أطلقت رقاقة ذاكرة سيموس عشوائية الوصول ساكنة بطول 288 بتًا في 1968. كانت ذواكر سيموس في البداية أبطأ من ذواكر إنموس التي شاع استخدامها في الحواسيب في السبعينيات. في عام 1978، قدمت هيتاشي عملية سيموس توءم البئر مع رقاقتها الذاكرية (الساكنة ذات سعة 4 كيلوبايت) المسماة HM6147، مصنوعة بحجم 3 ميكرومتر. كانت رقاقة HM6147 قادرة على العمل بكفاءة أسرع رقاقة إنموس ذاكرية في ذلك الوقت، ولكن رقاقة HM6147 كانت تستهلك طاقة أقل بكثير. بأدائها المكافئ واستهلاكها الأقل، حلت رقاقة سيموس توأم البئر محل رقائق إنموس بوصفها أشيع عملية نصف ناقل للذاكرة الحاسوبية في الثمانينيات.[19]

كان أشيع نوعين من خلايا الرام الديناميكي منذ الثمانينيات خلايا المكثفة الخندقية وخلايا المكثفة المكدسة. تُصنع في خلايا المكثفة الخندقية حُفر (خنادق) في ركيزة السيليكون التي تستعمل جدرانها الجانبية خلية ذاكرية، أما خلايا المكثفة المكدسة فهي أقدم شكل للذاكرة ثلاثية الأبعاد، وتكدس فيها الخلايا الذاكرية عموديًا في بنية خلوية ثلاثية الأبعاد. ظهر كلاهما أول مرة في 1984 عندما قدمت هيتاشي ذاكرة المكثفة الخندقية وقدمت فوجيتسو ذاكرة المكثفة المكدسة.[20][21]

اخترع موسفت البوابة العائمة (إفجيموس) داون كانغ وسيمون سز في مختبرات بل في 1967.واقترحا مفهوم خلايا البوابة العائمة الذاكرية، باستعمال موسفت البوابة العائمة، الذي يمكن أن يستعمل لإنتاج ذاكرة روم (للقراءة فقط) قابلة لإعادة البرمجة. أصبحت ذواكر البوابة العائمة بعد ذلك أساس تقنيات الذواكر المستدامة ومنها ذاكرة القراءة القابلة للبرمجة والمسح، ذاكرة القراءة القابلة للبرمجة والمسح الكهربائي، والذاكرة الوميضية (الفلاش).[22][23]

اخترع الذاكرة الوميضية فوجي ماسوكا في توشيبا عام 1980.[24][25] قدم ماسوكا وزملاؤه اختراع الذاكرة الوميضية القائمة على بوابات NOR في 1984،[26] ثم على بوابات NAND في 1987.[27] قدمت خلية الذاكرة الوميضية متعددة المستوى شركة إن إي سي، ظهرت فيها خلايا من أربعة مستويات في رقاقة وميضية سعتها 64 ميغابايت وتخزن بتين في كل خلية، هذا في عام 1996. أعلنت توشيبا في عام 2007 عن ذواكر NAND العمودية ثلاثية الأبعاد، التي تكدس فيها الخلايا الذاكرية عموديًا باستعمال تقنية وميض دفع الشحنة، وصنعتها شركة إلكترونيات سامسونغ في عام 2013 تجاريًا لأول مرة.[28][29][30]

تفصل المخططات التالية أشيع ثلاثة تطبيقات استخداما للخلايا الذاكرية:

• خلية ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (دي رام)
• خلية ذاكرة الوصول العشوائي الساكنة (إس رام)
• القلابات كقلابات جي كي المعروضة أدناه.

عنصر التخزين في ذاكرة دي رام هو المكثفة المرقمة برقم (4) في المخطط أعلاه. تتناقص الشحنة المخزنة في المكثفة مع الوقت، لذا يجب تحديثها (قراءتها وكتابتها من جديد) بين كل فترة وأخرى. يعمل ترانزستور إنموس كبوابة ليسمح بالقراءة والكتابة عندما يكون مفتوحًا، أو التخزين عندما يكون مغلقًا.

يوصل خط القراءة 1 لبوابة الترنزستور عندما يريد القراءة، يجعل الترانزستور (3) الخلية متاحة للتوصيل وتنتقل الشحنة المخزنة في المكثفة (4) إلى خط البت. يكون لخط البت سعوية عارضة (5) تصرف جزءًا من الشحنة وتبطئ عملية القراءة. تحدد سعوية خط البت الحجم الطلوب لمكثفة التخزين (4). إنها مقايضة. إذا كانت مكثفة التخزين صغيرة جدًا، فإن توتر البت سيأخذ وقتًا طويلًا ليعلو العتبة أو ألا يعلوها أصلًا، وهي العتبة التي تطلبها المضخمات في نهاية خط البت. لما كانت عملية القراءة تنقص شحنة مكثفة التخزين (4)، فإن قيمتها تكتب من جديد بعد كل قراءة.

الكتابة أسهل العمليات، يعطى التوتر العالي (الواحد المنطقي)، أو المنخفض (الصفر المنطقي) إلى خط البت. يُفعل خط الكلمة ترانزستور الإنموس (3) ويصله بمكثفة التخزين (4). المشكلة الوحيدة هي إبقاء الترانزستور (3) مفتوحًا لوقت كاف لتأكيد أن المكثفة قد شُحنت أو تفريغها قبل إغلاقه.

للقلاب تطبيقات عديدة، وعنصر التخزين فيه عادة هو ممسك لاتش Latch يتكون من حلقة بوابة NAND أو حلقة بوابة NOR مع بوابات أخرى لتحقيق دقة الساعة. تتوفر قيمة القلاب للقراءة دائمًا في مخرجه. تبقى القيمة مخزنة حتى تتغير بعملية الوضع أو المسح. تطبق القلابات عادة باستخدام ترانزستورات موسفت.[31]

تستعمل خلايا البوابة العائمة الذاكرية، المبنية على البوابات العائمة من ترانزستورات موسفت، في معظم تقنيات الذواكر المستدامة، منها ذاكرة القراءة القابلة للبرمجة والمسح، ذاكرة القراءة القابلة للبرمجة والمسح الكهربائي، والذاكرة الوميضية. ذكر ر. بيز وأغوستينو بيروفانو:

ذاكرة البوابة العائمة هي أساسًا ترانزستور موسفت مع بوابة محاطة بشكل كامل بالعوازل، تحكم البوابة العائمة كهربائيًا بوابة تحكم مزدوجة السعوية. لما كانت البوابة العائمة معزولة كهربائيًا، فإنها تعمل كقطب كهربائي لجهاز الخلية. الشحنة المحقونة في البوابة العائمة تبقى فيها، فتسمح بتعديل عتبة التوتر الظاهرية في خلية الترانزستور.