DRAM

DRAM memoria (RAM dinamikoa, DRAM, Dynamic Random Access Memory edo Ausazko sarbidedun memoria dinamikoa) kondentsadoreez osatutako RAM memoria mota bat da.^[1]

Kondentsadoreek karga elektrikoa gordetzen dute eta kargatuta edo deskargatuta egon daitezke, bit-aren bi balio posibleak adierazteko: 0 edo 1. Denborarekin karga galdu egiten dutenez, memoria freskatzea beharrezkoa gertatzen da, 1 balio bitarra gordeta duten kondentsadoreak birkargatzeko. Ordenagailuen memoria nagusia (RAM) eta txartel grafikoa DRAM memoriez osatua egoten da.

DRAM memoria ausazko sarbidea onartzen duen konputagailu-memoria erdieroale mota bat da. Bit bakoitza memoria-gelaxka batean gordetzen da. Gelaxkak, normalean, metal oxido erdieroaleen (MOS) teknologian oinarritzen diren kondentsadore oso txiki batez eta transistore batez osatzen dira. Hala ere, badira bi transistoreko eta kondentsadorerik gabeko diseinua duten DRAM memoria-gelaxkak. Kondentsadorea baduten diseinueetan, kondentsadorea kargatuta edo deskargatuta egon daiteke. Bi egoera horien bidez bit-aren bi balio posibleak adierazten: 0 eta 1.

Kondentsadorean gordeta dagoen karga elektrikoa pixkanaka galdu egiten denez, beharrezkoa gertatzen da memoria freskatzea. Hori egin ezean, kondentsadorean gordetako datuak galduko lirateke. Horretarako, DRAM memoriek kanpoko zirkuitu bat behar dute, aldian-aldian kondentsadoreetako datuak berridazteko eta jatorrizko kargara itzultzeko. Freskatze-prozesu hori DRAM memorien ezaugarri bat da, RAM memoria estatikoetatik (SRAM, Static RAM) bereizten duena, azken horrek ez baitu datuak freskatzeko beharrik. Flash memoria ez bezala, DRAM memoria hegazkorra da, datuak azkar galtzen ditu elikatze-iturria deskonektatzen denean. DRAM memorietan datu-hondarren arazoa neurri batean ematen da.

DRAM memoriak zirkuitu integratuko txip baten forma izaten du. Bertan, milaka milioi memoria-gelaxka egon daitezke. Elektronika digitalean asko erabiltzen dira, kostu txikiko eta ahalmen handiko memoriak behar direnean. Ordenagailuen memoria nagusia (RAM) eta txartel grafikoa DRAM memoriez osatua egoten da. Gailu mugikorretan eta bideokontsoletan ere asko erabiltzen dira. SRAM memoria, aldiz, DRAM baino azkarragoa baina garestiagoa denez, lortu nahi den abiadura memoriaren kostua eta tamaina baino garrantzitsuagoa denean erabiltzen da, prozesadoreen cache memorian, adibidez.

DRAM memoria etengabe freskatu behar denez, SRAM memoriak baino zirkuitu eta prozesu konplexuagoak behar ditu. Hala ere, konplexutasun hori DRAM memorien gelaxken egituraren sinpletasunarekin konpentsatu egiten da: DRAMean bit bakoitzeko transistore bat eta kondentsadore bat besterik ez dira behar, SRAMean, aldiz, lau edo sei transistore behar dira bit bakoitzeko. Horri esker, DRAM memoriek bit kantitate altuak biltegiratzeko ahalmena lor dezakete, bit bakoitzeko kostua murriztuz. Datuak freskatu (eguneratu) beharrak energia kontsumitzen duenez, kontsumo hori kudeatzeko hainbat teknika erabiltzen dira.

2017an DRAMen bit bakoitzeko prezioa %47 igo zen, azken 30 urteetan izandako igoerarik handiena, 1988an %45a igo ondoren. Azken urteotan prezioa behera egin ari da.^[2]

Bigarren Mundu Gerran Bletchley Park-en mezuak deszifratzeko lanean ari zirenean garatu zuten "Aquarius" makina kriptanalitikoak memoria dinamiko kableatua erabiltzen zuen.^[3][4]

Gerora, Toshiba korporazioak RAM memoria dinamiko bat asmatu zuen "Toscal" BC-1411 kalkulagailu elektronikorako. 1967an, Toshiba enpresako Tomohisa Yoshimaru-k eta Hiroshi Komikawa-k asmakizuna patentatu zuten.^[5][6] Lehen DRAM horrek transistore bipolarrak erabiltzen zituen eta nukleo magnetikozko memoriak baino errendimendu hobea eskaintzen zuen. Hala ere, garai hartan oso erabiliak zen nukleo magnetikozko memoria baino garestiagoa zenez, ezin zuen harekin lehiatu.^[7] Ordurako, kondentsadoreak beste memoria batzuren diseinuan erabili ziren, hala nola Atanasoff-ek eta Berry-k asmatutako "Atanasoff-Berry computer" ordenagailuaren danborrean,^[8][9] "Williams tube" hodian^[10][11] eta "Selectron tube" hodian.^[12]

1966an, IBMko "Thomas J. Watson Research Center" ikerketa zentroko Robert Dennard ikerlaria SRAM (Static RAM) memoriaren alternatiba baten bila lanean ari zen. MOS teknologia ikertzen ari zela, SRAMak behar zituen 6 MOS transistoreen ordez, bit-aren 0 eta 1 balioak adierazteko kondentsadore bakarra eta transistore bakarra erabiltzea posiblea zela aurkitu zuen. Horri esker, DRAM memorietarako transistore bakarreko gelaxkak garatu ahal izan zituzten. 1968an, asmakizuna patentatu egin zuen.^[13][14] MOS DRAM memoriak nukleo magnetikozko memoriak baino errendimendu hobea eskaintzen zuen, merkeagoa zen eta energia gutxiago kontsumitzen zuen.^[15]

1969an, "Advanced Memory Systems" enpresak (Sunnyvaleko, Kalifornia) MOS DRAM txipak merkaturatu zituen. 1024 biteko txipa zen eta hainbat enpresa teknologia berri hori erabiltzen hasi ziren: Honeywell, Raytheon, Wang Laboratories, etab. Urte berean, Honeywell enpresak haiek garatutako hiru transistoreko memoria-gelaxkako DRAM memoria bat diseinatzeko eskatu zion Intel enpresari. Horrela sortu zen 1970. urte hasieran "Intel 1102" DRAM txipa. Hala ere, i1102-ak arazoak ematen zituenez, diseinua hobetzeko lanean hasi zen Intel enpresa ezkutuan, Honeywell-ekin gatazka saihesteko. 1970eko urrian, merkatuan eskuragarri egon zen lehen DRAM memoria agertu zen: "Intel 1103", Joel Karp-ek diseinatua eta Pat Earhart-ek aurkeztua.^[16] Diseinu berri horrek ere hasieran arazoak eman zituen eta errendimendu txikikoa zen. Denborarekin, txipak ekoizteko erabiltzen ziren maskarak hobetu zituzten eta arazoak konpondu ziren. Barbara Maness eta Judy García aritu ziren maskaren arazoa konpontzen.^[17]

1970eko hamarkadaren hasieran, MOS teknologian oinarritutako memoriek nukleo magnetikozko memoriei aurrea hartu zieten; teknologia berria memorien fabrikazioan nagusi bilakatu zen.^[18]

1973an Robert Proebsting-ek diseinatutako Mostek "MK4096" DRAM memoria aurkeztu zuten. 4 Kilobit-eko memoria zen eta gelaxkak helbideratzeko sisteman errenkadak eta zutabeak multiplexatuak zituen lehena izan zen. Helbideratze-sistema horrek pin (orratz) berbera erabiltzen zuen memoria-gelaxkaren helbidearen beheko erdia eta goiko erdia jasotzeko, bi zatien artean bus-zikloak txandakatzen zituelarik. Hori aurrerapen handia izan zen, helbideratze-lerroen kopurua erdira jaistea lortu zelako eta beraz, memoria txip-ean orratz kopuru txikiagoa behar zelako. Ondorioz, txipa merketu egin zen eta abantaila ekonomikoa memorien biltegiratze-ahalmena handituz joan zen neurrian gero eta nabarmenagoa egin zen. "MK4096" DRAM memoriaren diseinua sendoa zen. 1976an, 16 Kilobit-eko dentsitateko "Mostek MK4116 DRAM" memoria aurkeztu zuten eta munduko merkatuaren %75a gainditu zuen.^[19]

1980ko hamarkadaren hasieran, memorien dentsitatea 64 Kbitera igotzea lortu zenean, fabrikatzaile japoniarrek ordura arte memorien merkatuan lider izan zirenei aurrea hartu eta merkatua mundu-mailan menderatu zuten 80ko eta 90eko hamarkadetan zehar. 1985ean, Intel-eko Gordon Moore-k DRAM-en produkzioa etetea erabaki zuen. 1986rako, Ameriketako Estatu Batuetako txip-fabrikatzaile guztiek DRAM memorien fabrikazioa eten zuten. Memoria-txipen negoziotik kanporatzeko helburuarekin, esportazioetan dumpinga egiten zietela leporatu zieten Japoniako enpresei Estatu Batuetako erdieroaleen fabrikatzaileek .^[20]

Prezioak asko jaitsi ziren: 18 hilabetetan, 64Kbit-eko txipak 3,50 dolarreko preziotik 35 zentimora jaitsi ziren, eta AEBko enpresa askok arazo ekonomiko larriak izan zituzten. 1985eko abenduaren 4an, AEBetako Nazioarteko Merkataritzaren Administrazioak haien aldeko epaia eman zuen.^[21]

1992an, Samsung enpresa korearrak garatutako atzipen sinkronoko memoria hegazkorra (SDRAM) (ingelesez, Synchronous Dynamic Random-Access Memory) aurkeztu zen. Merkaturatu zen lehen SDRAM txipa "KM48SL2000" izan zen eta 16 Mb-eko ahalmena zuen.^[22] 1998an Samsung-ek lehen DDR SDRAM memoria-txipa merkaturatu zuen, 64 Mb-ekoa.^[23]

2001ean, DRAM memorien ekoizle japoniarrek dumpinga leporatu zieten korearrei.^[24]

2002an, AEBetako ordenagailu-fabrikatzaileek DRAMen prezioen ezarpena salatu zuten.

DRAM memoriek bilakaera handia izan dute azken urteetan, txipen integrazioa asko hobetzen ari delako. Denbora gutxian memorien ahalmena izugarri handitu da 16 Gb-etara (Gigabits) iritsi arte.^[25] Boltaiari dagokionez, txipak 5 Volt-etik 1,8 Volt-era murrizteak energiaren kontsumoa eta sortutako beroa gutxitzea eragin du.

Agertu ziren lehen DRAM memoriak asinkronoak ziren, hau da, haien busek ez zuten prozesatzeko unitate zentralaren (PUZ) erloju-frekuentziaren maiztasun bera edo haren multiplo bat erabiltzen. Horren ondorioz, itxarote-denborak (latentziak) altuagoak ziren, sinkronizatu egin behar baitziren. Itxaronaldi horiek hobetzeko, datuak transferitzeko modu jarraitua (ingelesez, burst mode) izeneko prozedura garatu zen. Prozedura horrekin, datuak busean jartzean prefetching izenez ezagutzen den teknika aplikatzen zen, memoriarako atzipena egitean erloju-zikloak murriztuz.

Metodo horrekin, helbideen sinkronizaziorako RAS (Row Address Strobe) eta CAS (Column Address Strobe) seinaleen sekuentzia bakoitzean lau aldiz datu gehiago bidaltzea lortzen zen, itxarote-denborak murriztuz. Hasierako sistemetan 64 biteko bloke bakoitzeko CAS eta RAS sinkronizazio-seinale bana behar izaten ziren.

Hobekuntza horiekin, sinkronizazio ezak eragindako itxarote-denborak arintzea lortzen zen. Hala ere, prozesatzeko unitate zentralaren erlojuarekin modu sinkronoan lan egiteko gai ziren DRAM memoriak laster agertu ziren: SDRAM memoriak (Synchronous Dynamic Random Access Memory).

Memoria-gelaxka edozein memoriaren oinarrizko unitatea da, sistema digitaletan bit bat gordetzeko gai dena. Gelaxkaren eraikuntzak gelaxkaren funtzionamendua definitzen du, DRAM modernoaren kasuan, eremu-efektuko transistore bat (FET, Field-Effect Transistor) eta kondentsadore bat dira. Oinarrizko funtzionamenduaren printzipioa sinplea da: karga bat kondentsadorean biltegiratzen bada 1 balioa adierazten du, eta kargarik gabe dagoenean 0. Transistoreak kondentsadorea konektatu eta deskonektatzen duen etengailu gisa funtzionatzen du. Mekanismo hori gailu diskretuekin inplementa daiteke. Izan ere, erdieroaleen garaia baino lehenagoko memoria asko transistore-kondentsadore gelaxken tauletan oinarritzen ziren.

Edozein memoria-sistemako gelaxkak bi dimentsioko matrizeen forman antolatzen dira, eta gelaxkak errenkaden eta zutabeen bidez atzitzen dira. DRAM memorian egitura horiek milioika gelaxka dituzte, siliziozko txip-en gainazalean fabrikatzen dira eta osatzen dituzten eremuak begi hutsez ikusi egiten dira. Irudietako adibidean, 4x4 gelaxkako taula ikus daiteke; bertan, FET transistoreen ateetara konektatutako lerro horizontalak errenkadak deitzen dira, eta kanaletara konektatutako lerro bertikalak zutabeak.

Memoria-posizio bat atzitzeko, 4 biteko helbidea behar da, baina DRAM memorietan helbideak denboran multiplexatuta daude, hau da, erdika bidaltzen dira (erdia eta erdia). Sarreran a0 eta a1 moduan markatutakoak helbide-busak dira, eta bertatik sartzen dira lehenengo errenkadaren helbidea eta ondoren zutabearena. Helbideak sinkronizazio-seinaleen bidez bereizten dira: RAS (ingelesez, Row Address Strobe) eta CAS (Column Address Strobe).^[26]

Hauek dira irakurketa egiteko urrats nagusiak:

• Zutabeak 1-eko logikoari dagokion tentsioaren (boltaiaren) erdiarekin kargatzen dira. Hori egin daiteke, lerroek kondentsadore handien gisa jokatzen dutelako, eta haien luzeragatik gelaxketako kondentsadoreek duten balioa baino altuagoagoa dutelako.

• Errenkaden deskodegailuak RAS helbidea eta seinalea jasotzen dituenean, errenkadak energia jasotzen du. Horri esker, errenkada batera konektatutako transistoreek energia eroan egiten dute, errenkada horretako eta zutabeetako lerroen arteko konexio elektrikoa ahalbidetuz. Horrela, bi kondentsadore (bata kargatua eta bestea karga ezezagunekoa) elkarri konektatzen zaizkionean lortzen den efektu bera lortzen da: karga partekatuz orekatu egiten dira eta biak oso antzeko tentsioarekin geratzen dira. Azken emaitza zutabe bakoitzera konektatutako gelaxkako kondentsadoreko karga-balioaren araberakoa izango da. Aldaketa txikia da, zutabe-lerroa gelaxkakoa baino kondentsadore handiagoa baita.

• Atzeraeragin positiboko zirkuituak dituen atal batek aurreko urratsean aipatutako tentsio elektrikoaren aldaketa neurtu eta anplifikatu egiten ditu: neurtutako balioa 1 logikoari dagokion tentsioaren erdia baino txikiagoa bada, irteerako balioa 0 izango da, aldiz, handiagoa bada, irteerako balioa 1 izango da. Biribiltzea egitearen pareko funtzioa betetzen dute.

• Irakurketa errenkadako posizio guztietan egiten da, eta, horrela, helbidearen bigarren zatira iristean, atzitu nahi den gelaxka zein den erabakitzen da. Hori CAS seinalearekin gertatzen da. Datua datu-busari ematen zaio DO (Data Out) linearen bidez (ikus irudia), eta prozesuan inplikatutako gelaxkak berridatzi egiten dira, hau da, posizio horietan datu berriak gordetzen dira, DRAMaren irakurketa suntsitzailea baita.

Memoria-posizio batean idazteko, goian azaldutako prozesuaren antzekoa gertatzen da, baina balioa irakurri beharrean, zutabeko lerroa balio jakin batera eramaten da DI (Data In) lerroaren bidez eta kondentsadorea kargatu edo deskargatu egiten da. Irudian, datuaren fluxua marra lodi baten bidez erakusten da.

DRAM memorian bit-a adierazteko karga elektriko positibo edo negatiboa gordetzen da kondentsadoreez osatutako egitura batean (egitura kapazitiboa). Karga gordetzeko kapazitantzia ematen duen egiturak eta haren atzipena kontrolatzen duten transistoreek "DRAM gelaxka" osatzen dute. Gelaxka horiek dira DRAM memorien oinarrizko blokeak; haiekin osatzen dira "matrize" edo "taula" terminoez adierazten diren memoria-egiturak.

DRAM-gelaxkaren definizio horren aldaerak dauden arren, DRAM moderno gehienetan erabiltzen dena transistore batez eta kondentsadore batez osatutakoa da (1T1C, 1-transistor 1-capacitor). Memorian idazteko eragiketa egin nahi denean transistoreak kondentsadorean korronte elektrikoa sartzen uzten du; irakurketa egiteko, aldiz, kondentsadorea deskargatzen uzten du. Transistoreak potentzia maximizatzeko eta korronte elektrikoaren galera minimizatzeko diseinatuta daude.

Kondentsadoreak bi terminal ditu: bata atzipena ahalbidetzen duen transistorera konektatuta dago eta bestea lurrera edo V_CC/2 (elikatze-tentsioaren erdira). 1eko logikoa adierazteko, kondentsadorean +V_CC/2-ko tentsioa gorde behar da eta 0 (zero) logikoa adierazteko -V_CC/2-koa. Metatutako karga elektrikoa coulomb-etan neurtzen da.^[27]Horrela, 1eko logikoa (boolearra) ${\displaystyle Q={V_{CC} \over 2}\cdot C}$ da, eta zero logikoa ${\displaystyle Q={-V_{CC} \over 2}\cdot C}$, non ${\displaystyle Q}$ karga den (coulomb-etan neurtua) eta ${\displaystyle C}$ kapazitantzia (Farad-etan neurtua).

1eko logiko bat irakurtzeko edo idazteko, tentsioa V_CC-en eta atzipena ematen duen transistorearen V_TH atalase-tentsioaren batura baino altuagoa den balio batera eraman behar da. Tentsio horri "ponpatutako V_CC" deritzo (V_CCP, V_CC pumped).

Kondentsadorea deskargatzeko behar den denbora kondentsadorean gordetako balio logikoaren araberakoa da. Horrela, 1eko logikoa gordeta duen kondentsadorea deskargatzen hasten da atzipen-transistorearen ateko terminaleko tentsioa V_CCP balioaren gainetik dagoenean. Zero logikorako, aldiz, kondentsadorea deskargatzen hasten da atearen terminaleko tentsioa V_TH balioaren gainetik dagoenean.^[28]

DRAM zirkuitu integratuak (txipak) erretina moldeatuko kaxetan paketatzen dira, siliziozko txiparen eta paketeko kableen arteko konexioetarako barne-marko bat erabiliz.

Erabilgarritasuna errazteko, hainbat DRAM zirkuitu integratu munta daitezke memoria-modulu bakar batean. Horri esker, 16, 32 edo 64 biteko memoriak koka daitezke unitate bakar batean, instalatzaileri lana erraztuz. Gainera, paritatea egiaztatzeko eta akatsak zuzentzeko gailu gehigarriak izan ditzakete.

Mahai gaineko ordenagailuen bilakaeran zehar, memoria-modulu estandar desberdinak garatu izan dira. Hala ere, ordenagailu eramangarriek, bideokontsolek eta gailu espezializatuek formato bereziko memoria-moduluak izan ditzakete, paketatze- edo jabetza-arrazoiengatik mahai gaineko ordenagailuen pieza estandarrekin trukatu ezin direnak.

Prozesu optimizatu baten bidez diseinatutako txip batean txertatutako DRAM memoriari DRAM txertatua (EDRAM, Embedded DRAM) esaten zaio. EDRAM memorietan beharrezkoa da DRAM memorien gelaxken diseinuan, errendimendu handiko logikan erabiltzen diren kommutazio azkarreko transistoreak fabrikatu ahal izatea. Horrez gain, oinarrizko prozesu optimizatuaren teknologia aldatzea beharrezkoa da, DRAM gelaxken egiturak eraiki ahal izateko eman behar diren urrats guztiak eman ahal izateko.

Memoria dinamiko mota honetan gordeta dagoen informazioa mantentzeko, berez beharrezkoa da elikadura-iturria konektatuta izatea eta sarri freskatzea (64 ms-ko sarritasunez, kasu askotan). Hala ere, gelaxketako kondentsadoreek gordeta duten balioa denbora gehiagoz mantentzeko ahalmena dute, batez ere tenperatura baxuetan. Batzuetan, baldintza batzuk betetzen badira, DRAM memorian gordetako datu gehienak berreskura daitezke, freskatzea zenbait minututan egin gabe egon arren.

Hori dela eta, nahiz eta teorian ordenagailua itzaltzean memoria nagusiko informazioa suntsitu egiten den, itzali ondoren berehala piztuz gero memoriako informazioa berreskuratzea posiblea izan daiteke. Beste aukera bat, DRAM memoria ordenagailutik ateratzea eta hoztea da, datuen iraupena luzatzeko eta beste ordenagailu batean informazioa irakurri ahal izateko.

Horrek guztiak segurtasun arazoak sor ditzake. Ordenagailuaren aurkako eraso mota horri hotzeko abio-eraso esaten zaio. Halako erasoek diskoa zifratzeko sistemak engainatu izan dituzte, hala nola, kode irekiko "TrueCrypt" sistema, Microsoft-en "BitLocker Drive Encryption" eta Apple-en "FileVault".^[29]

Memoria dinamikoa, definizioz, aldizka freskatu egin behar da. Gainera, memoria dinamikoan irakurtzea eragiketa suntsitzailea da, irakurtzeko eragiketa burutu den ilarako gelaxkak kargatu behar direlako.

Prozesu horiek ez badira ondo burutzen, freskatze-prozesuak edo irakurketa-eragiketak akatsak eragin ditzake. Izan ere, gelaxka bateko karga ihesi eta inguruko gelaxketara hedatzeko arriskua existitzen da. Hori gertatuko balitz, irakurketa edo freskatzea egin den errenkadaren ondoan edo gertu dagoen beste batean perturbazio-errorea sor daiteke.

1970eko hamarkadaren hasieran lehen DRAM memoriak merkaturatu zirenean ("Intel 1103"), lehen perturbazio-erroreak sumatu ziren. DRAM txipen ekoizleek errore horiek ekiditeko teknikak erabili izan dituzten arren, 2014an egindako ikerketa batek erakutsi zuen 2012an eta 2013an ekoitzitako txip batzuek perturbazio-erroreak izan zitzaketela.^[30]

• Zirkuitu inprimatu
• Txip
• RAM
• Memoria
• ROM

• RAM motak: memoria nagusiari buruz jakin behar duzun guztia Hardwarepounds euskaraz, https://www.hwlibre.com/eu
• Sistema digitalen diseinu-hastapenak: Oinarrizko kontzeptuak eta adibideak UEU (2005)
• Ordenadoreen memoria Romo Uriarte, Jesus Maria, Elhuyar, Zientzia.net (1993)
• Ordenadoreen memoria hedatua Romo Uriarte, Jesus Maria, Elhuyar, Zientzia.net (1993)
• Ordenadoreen Memoria Zabaldua Romo Uriarte, Jesus Maria, Elhuyar, Zientzia.net (1993)