Halbleiterspeicher

Ein Halbleiterspeicher ist ein Datenspeicher, der aus einem Halbleiter besteht.

In und auf einem Halbleiterkristall werden mikroelektronische Speicherstrukturen realisiert, sodass ein Speicherchip (siehe auch Die) entsteht. Die Chips werden zu integrierten Schaltkreisen komplettiert oder auch unverkappt weiterverarbeitet.

Die Daten werden in Form von binären elektronischen Schaltzuständen in den integrierten Schaltungen gespeichert. Vorgänger waren die magnetisch arbeitenden Kernspeicher, die erst in den frühen 1970er Jahren von den Halbleiterspeichern abgelöst wurden. Neuere Entwicklungen^[1] streben an, das magnetische Speicherprinzip mikroelektronisch zu hochdichten, nicht flüchtigen Speichern zu kombinieren (MRAM).

Speicherzelle

Datei:RAM n.jpg

Verschiedene Halbleiterspeicher

Beschreibung

Eine Speicherzelle ist die physikalische Realisierung der kleinsten Einheit eines Speichers von logischen Zuständen. Der Begriff bezeichnet je nach Kontext entweder die Realisierung der kleinstmöglichen Einheit, dem 1-Bit-Speicherelement, oder die Realisierung der kleinsten adressierbaren, das heißt bei einem Zugriff les- bzw. schreibbaren, Einheit, einem sogenannten Wort oder Datenwort, das aus n Bit besteht (n > 1).

Personal Computer arbeiten heutzutage mit einer Wortlänge (auch „Wortbreite“ genannt) von 32 oder 64 Bit. Früher, zum Beispiel bei den ersten Taschenrechnern, waren Speicherzellen 4 Bit (ein Halbbyte bzw. Nibble) groß. Die ersten PCs dagegen hatten 8 Bit breite Speicherzellen. Für einfache Steuerungen (siehe: Mikrocontroller) werden auch heute noch 8 Bit verwendet.

Bei früheren Computern waren auch Wortbreiten von 6 oder 7 Bit gebräuchlich, da man mit 64 bzw. 128 speicherbaren Zeichen eine alphanumerische Bearbeitung durchführen konnte. Diese Speicher waren jedoch noch nicht als Halbleiterspeicher ausgeführt. Die Hollerith-Lochkarte hatte eine Wortbreite von 12 Bit.

Eingeteilt werden die Speicherzellen in flüchtige und nichtflüchtige Speicherzellen. In nichtflüchtigen Speicherzellen bleibt die Information auf Dauer erhalten, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Bei flüchtigen Speicherzellen geht die Information in solch einem Fall verloren.

Realisierung

Das 1-Bit-Speicherelement ist mittels weniger Transistoren und Kondensatoren realisierbar. Bei analogen Speicherzellen ist das elementare Speicherbauteil der Kondensator, und bei digitalen Speicherzellen werden ein (1-T-DRAM) oder mehrere Transistoren benötigt, wie z. B. bei statischem RAM oder bei rückgekoppelten Transistoren, den sogenannten Flipflops.

Wahlfreier Zugriff

Speicherzellen werden in einer 2^R×2^C-Matrix angeordnet. Über Wortleitungen und Bitleitungen werden die Speicherzellen adressiert und beschrieben bzw. ausgelesen. Hierzu sind ein Reihen- und ein Spaltendekodierer notwendig. Dadurch ist ein direkter Zugriff auf beliebige Speicherzellen (wahlfreier Zugriff) möglich. Daher wird diese Anordnung als Random-Access Memory (RAM) bezeichnet.

Sequentieller Zugriff

Hier erfolgt die Adressierung über Befehle, ähnlich wie bei Festplatten. Die Bauformen CompactFlash (CF) und PCMCIA verwenden z. B. den bei Festplatten bewährten ATA/ATAPI-Befehlssatz.

Diese Adressierungsart benötigt weniger Kontaktierungsflächen auf dem Chip, dadurch ist ihre Herstellung preisgünstiger.