SRAM vs. DRAM: Was ist besser?

Was ist SRAM?

Direktzugriffsspeicher gibt es in Form von statischem Direktzugriffsspeicher (SRAM). Das Wort „statisch“ beschreibt, dass sich die in dieser Art von Speicher gespeicherten Informationen nicht ändern, solange er eingeschaltet ist. Im Gegensatz dazu müssen Daten aus dynamischem Direktzugriffsspeicher (DRAM) regelmäßig aktualisiert werden. Im Gegensatz zu ROM- oder Flash-Speicher, die auch nach einem Stromausfall weiterhin Daten speichern können, werden in SRAM gespeicherte Daten als flüchtiger Speicher bezeichnet, da sie bei einem Stromausfall verschwinden.

Abbildung 1: Statischer Direktzugriffsspeicher Mit der rasanten Weiterentwicklung der Mikroelektroniktechnologie übernimmt SRAM allmählich den Entwicklungstrend hoher Integration, Geschwindigkeit und geringer Stromverbrauch. Statischer Speicher (SRAM) mit seinen vielfältigen Einsatzmöglichkeiten hat sich als bedeutende und wichtige Komponente bei der Entwicklung von Halbleiterspeichern herausgestellt. SRAM hat in den letzten Jahren positiv zur Verbesserung der Systemleistung, der Chipzuverlässigkeit und der Kostensenkung beigetragen.  

Die Grundstruktur von SRAM

Statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM) weist zwei wesentliche Merkmale auf. Daten werden in einem statischen Format gespeichert: Dies bedeutet, dass die Daten im Halbleiterspeicher gespeichert sind und nicht aktualisiert werden müssen, solange der Speicher eingeschaltet ist. Direktzugriffsspeicher gibt es in Form von SRAM-Speicher: Unabhängig von der Reihenfolge, in der auf die vorherige Speicherstelle zugegriffen wurde, kann der Direktzugriffsspeicher Stellen im Halbleiterspeicher schreiben oder lesen. Die Schaltung einer einzelnen SRAM-Speicherzelle besteht normalerweise aus vier Transistoren, die als zwei kreuzgekoppelte Inverter eingerichtet wurden. Die Schaltung hat in dieser Konfiguration zwei stabile Zustände, nämlich die logischen Zustände „0“ und „1“. Da die Bipolartransistortechnologie – eine weitere praktikable Option – wesentlich mehr Strom verbraucht als MOS-Schaltungen, sind die Transistoren MOSFETs.

Abbildung 2: Sechs Transistoren für SRAM-Zellen Um den Zugriff auf die Speicherzelle beim Lesen und Schreiben zu regeln, sind zusätzlich zu den vier Transistoren der Basisspeicherzelle zwei weitere Transistoren nötig. Dadurch entsteht eine so genannte 6T-Speicherzelle, die zwar mehr Bauteile und eine höhere Komplexität aufweist, dafür aber eine Reihe von Vorteilen bietet. Der Hauptvorteil der Sechs-Transistor-SRAM-Schaltung ist die geringere statische Leistung. Die Pulldown-Widerstände der Vier-Transistor-Variante sind ständig mit Strom beaufschlagt, was den Gesamtstromverbrauch des Chips erhöht. Dies könnte den Integrationsgrad einschränken und Probleme beim Schaltungsdesign aufgrund der höheren Verlustleistung verschlimmern. Die Vier-Transistor-SRAM-Computerspeicherzelle bietet gewisse Vorteile in Bezug auf die Dichte, dies geht jedoch auf Kosten der Fertigungskomplexität, da Widerstände hergestellt werden müssen, was zusätzliche Verarbeitungsschritte erfordert. Um den Anforderungen der Zelle gerecht zu werden, müssen die Widerstände außerdem kompakte Abmessungen und hohe Werte aufweisen.

Abbildung 3: Quad-Transistoren für SRAM-Zellen  

Was ist DRAM?

Dynamischer Direktzugriffsspeicher oder DRAM hat sich zum Standardspeichertyp entwickelt. Ein Transistor und ein Kondensator mit einer Ladung, die „1“ darstellt, und keiner Ladung, die „0“ darstellt, bilden die Grundkomponente. Direktzugriff bedeutet, dass die Zeit, die zum Lesen oder Neuschreiben eines dieser Bits benötigt wird, gleich ist, da die Ladung im Kondensator mit der Zeit langsam austritt und in regelmäßigen Abständen „nachgeladen“ werden muss, wodurch der Begriff „dynamisch“ entstand. Das Lesen oder Neuschreiben eines dieser Bits erfordert aufgrund des Direktzugriffs die gleiche Zeit. Aufgrund seiner geringen Kosten, der schnellen Zugriffsgeschwindigkeit und des unkomplizierten Designs, das eine Integration im großen Maßstab ermöglicht, wird DRAM heute häufig verwendet. Die DRAM-Hierarchie ist grob in Kanal, Rang, DRAM-Chip, Bank, Speicherarray und Speicherzelle unterteilt, wobei die Speicherzelle als grundlegendste Speichereinheit dient und Speicherobjekte von 1 oder 0 hat. Die Bank ist die kleinste steuerbare Einheit. Der Rang entspricht in etwa einem „Speicherstick“. „Speicherstick“ (ein Speicherstick kann viele Ränge enthalten), und die Anzahl der Kanäle entspricht in etwa der Anzahl der Speichersticks.

Abbildung 4: Dynamic Random Access Memory  

Die Grundstruktur von DRAM

Der geringere statische Stromverbrauch ist der entscheidende Vorteil der Sechs-Transistor-SRAM-Schaltung. Die Pulldown-Widerstände der Vier-Transistor-Variante sind ständig mit Strom versorgt, was den Gesamtstromverbrauch des Chips erhöht. Dies kann den Integrationsgrad einschränken und Probleme beim Schaltungsdesign aufgrund der höheren Verlustleistung verschlimmern. Die SRAM-Computerspeicherzelle mit vier Transistoren bietet gewisse Vorteile in Bezug auf die Dichte, dies geht jedoch auf Kosten der Herstellungskomplexität, da Widerstände hergestellt werden müssen, was zusätzliche Verarbeitung erfordert. Die Widerstände müssen außerdem klein sein und hohe Widerstandswerte aufweisen, um den Anforderungen der Zelle gerecht zu werden. Beispielsweise führt eine standardmäßige DRAM-Zelle mit drei Transistoren (siehe oben) einen Schreibbefehl aus, indem sie eine Spannung an das Gate des M1-Zugriffstransistors anlegt, die dann den Gate-Kondensator des M3-Transistors auflädt. Die im M3-Gate-Kondensator gehaltene Ladung löst sich stetig auf, wenn die Schreibleitung dann heruntergefahren wird; dieser Prozess wird als Dynamik bezeichnet.

Abbildung 5: 3 Transistor DRAM-Zelle

Abbildung 6: 1 Transistor DRAM-Zelle Um einen dichteren Speicherchip zu erstellen, verwendet die moderne Technologie oft eine 1 Transistor/1 Kondensator (1T1C)-Speicherzelle (siehe oben). Die Bitleitung ist mit der Quelle verbunden, während die Wortleitung mit dem CMOS-Gate verbunden ist. Um bei Schreibbefehlen Strom an den diskreten Speicherkondensator zu liefern, muss das Gate des Transistors eingeschaltet sein. Durch die Verteilung der im Kondensator gespeicherten Ladung entlang der Bitleitungen werden Lesevorgänge ermöglicht. Da die Ladungsverteilung die in der DRAM-Zelle gespeicherten Daten verfälscht, erfordert das Design nach jedem Lesevorgang ein erneutes Schreiben (Aktualisieren). Dieses Aufladen erfolgt oft alle paar Millisekunden des Trinkens, um den Ladungsverlust aus dem Kondensator auszugleichen.  

Wie funktioniert ein SRAM?

Eine SRAM-Zelle hat normalerweise 4-6 Transistoren, und wenn ihr der Zustand 0 oder 1 zugewiesen wird, behält sie diesen Zustand bei, bis sie einen neuen Zustand erhält oder bis es zu einem Stromausfall kommt, woraufhin sie sich ändert oder verschwindet. SRAM ist relativ schnell und energieeffizient, erfordert jedoch 4-6 Transistoren, um 1 Bit an Informationen zu speichern, was die Produktionskosten erhöht. Im Gegensatz dazu kann DRAM mit nur einem Transistor hergestellt werden. Zwei CMOS-Inverter bilden die grundlegende SRAM-Zelle, und ihre Ein- und Ausgänge sind über Kreuz verbunden, was bedeutet, dass der Ausgang eines Inverters mit dem Eingang eines anderen verbunden ist, während der Ausgang eines anderen Inverters mit dem Eingang des ersten verbunden ist. Dadurch ist es möglich, die Ausgangszustände der beiden Inverter zu sperren und zu speichern oder den Zustand eines Bits zu speichern. Im Allgemeinen ist der Platzbedarf einer Basiszelle kleiner, je weniger Transistoren sie enthält. Da die Kosten für die Herstellung von Siliziumscheiben vergleichsweise fest sind, sinken die Kosten für jedes Speicherbit, wenn die Größe der SRAM-Basiszelle abnimmt, sodass auf dem Chip mehr Bitspeicher bereitgestellt werden kann. Die Schreibvorgänge 0 und 1 dienen als Einführung in die vergleichsweise einfache Funktionsweise von SRAM.

Abbildung 7: 6 Field SRAM Effect Tube  

Schreibvorgang 0:

Geben Sie zuerst Level 0 in BL und Level 1 in (BL) ein, um 0 zu schreiben. M5 und M6 werden dann eingeschaltet, nachdem die entsprechende Wortleitung (WL) ausgewählt wurde. Die G-Pol-Steueranschlüsse von M1 und M2 empfangen Eingaben auf Pegel 0, während M3 und M4 Eingaben auf Pegel 1 erhalten. M2 hat eine Hochpegelabschaltung und eine Niedrigpegeleinschaltung, weil es eine P-Typ-Röhre ist. M1 ist das Gegenteil, mit einer Niedrigpegelabschaltung und einer Hochpegelleitung. Ein Pegel von 0 führt dazu, dass M1 stoppt und M2 startet. Bei einem hohen Pegel ist der (Q)-Punkt stabil. Ähnlich werden hohe Pegel an die Steueranschlüsse von M3 und M4 gesendet, und wegen ihrer unterschiedlichen NP-Röhren leitet M3 und M4 schaltet aus. Der Q-Punkt stabilisiert sich bei einem Wert von 0. Die internen M1, M2, M3 und M4 sind dann in einem stabilen Zustand, und ein Datenbit 0 wird verriegelt. An diesem Punkt werden M5 und M6 ausgeschaltet. Dieser Inhalt wird fortgesetzt, ohne dass zu diesem Zeitpunkt das externe VDD eingeschaltet wird.

Schreibvorgang 1:

Der Lesevorgang ist ziemlich unkompliziert; alles, was erforderlich ist, ist, BL und (BL) auf einen bestimmten hohen Pegel vorzuladen, M5 und M6 einzuschalten und dann den Differenzverstärker zu verwenden, um den zwischengespeicherten Inhalt auszulesen.  

Wie funktioniert ein DRAM?

Transistoren und winzige Speicherzellen mit kapazitivem Kondensator bilden DRAM. In jede Speicherzelle ist ein winziger geätzter Transistor eingebaut, der durch die Ladung eines winzigen Kondensators im Speicher gehalten oder ein- und ausgeschaltet wird. Der Kondensator hat Merkmale gemeinsam mit einer winzigen wiederaufladbaren Batterie. Er kann elektrisch aufgeladen werden, um eine 1 darzustellen, bzw. entladen werden, um eine 0 darzustellen. Aufgeladene Kondensatoren müssen ständig mit einer neuen Ladung „aufgefrischt“ werden, da sie beim Entladen ihre Ladung verlieren.

Abbildung 8: DRAM-Struktur Der grundlegende Aufbau einer typischen DRAM-Struktur ist in der beigefügten Abbildung dargestellt. Im Gegensatz zu SRAM sind die Adressleitungen eines herkömmlichen DRAM in zwei Gruppen aufgeteilt, um die Anzahl der Eingangsadresspins zu verringern und die Paketeffizienz zu verbessern. Durch die Verwendung mehrerer Adresstechniken kann die normale DRAM-Struktur weniger Eingangsadresspins haben, aber die Taktsteuerung der Standard-DRAM-Speicherzelle wird schwieriger, was den Betrieb verlangsamt. Separate Adress-Eingangspins werden typischerweise verwendet, um die Komplexität der Taktsteuerung zu verringern und die Betriebsgeschwindigkeit zu erhöhen, um so die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-DRAM-Anwendungen zu erfüllen.  

Vergleich der Vor- und Nachteile von SRAM/DRAM

Vorteile von SRAM:

Es ist nicht erforderlich, separate Schaltkreise für routinemäßige Aktualisierungen einzurichten, da Latches Daten speichern.

Schnelle Zugriffszeiten (SRAM wird mit der gleichen Halbleitertechnologie wie CPUs hergestellt).

Nachteile von SRAM:

Im Vergleich zu DRAMs sind alle Komponenten zahlreicher und weniger integriert.

Erhöhter Stromverbrauch.

Größer, teurer in der Herstellung als DRAM.

Vorteile von DRAM:

Die Peripherieschaltung muss häufiger aufgefrischt werden und ist komplizierter.

Auffrischungsgeräte können weder lesen noch schreiben, was ihre Fähigkeit, die Zeit effizient zu nutzen, einschränkt.

Nachteile von DRAM:

Zentrale Auffrischung: Während eines vorgegebenen Auffrischungszyklus werden alle Speichereinheiten für eine gewisse Zeit zusammengeführt, um eine schrittweise Auffrischung durchzuführen; während dieser Zeit müssen Lese- und Schreibvorgänge eingestellt werden.

Dezentrale Aktualisierung: Jede Reihe von Speichereinheiten wird einer verteilten Aktualisierung unterzogen, die während jedes Speicherzyklus abgeschlossen wird.

Kombination aus zentraler und dezentraler Aktualisierung, asynchrone Aktualisierung.

 

SRAM vs. DRAM

SRAM	DRAM
Hochleistungsanwendungen verwenden SRAM.	DRAM wird in allen möglichen Anwendungen eingesetzt.
Hochgeschwindigkeits-Cache-Speicher mit SRAM.	DRAM ist eine Komponente des langsameren Hauptspeichers.
Informationen werden im SRAM gespeichert, solange Strom verfügbar ist.	DRAM behält Informationen für einen kurzen Zeitraum nach dem Abschalten der Stromversorgung oder so lange, wie Strom zugeführt wird.
In SRAM werden Informationen mithilfe von Transistoren gespeichert.	In DRAM werden Kondensatoren zum Speichern von Daten verwendet.
Im Vergleich zu DRAM sind SRAMs strahlungsresistenter.	Im Vergleich zu SRAMs sind DRAMs weniger strahlungsresistent.
Da keine Kondensatoren verwendet werden, ist kein Auffrischen erforderlich.	Der Inhalt des Kondensators muss regelmäßig aktualisiert werden, um Informationen für einen längeren Zeitraum zu erhalten.
Es wird weniger Wärme erzeugt und weniger Strom verbraucht.	Es wird mehr Wärme erzeugt und es wird mehr Strom verbraucht.
Hier werden Bits als Spannung gespeichert.	Zum Speichern der Bits wird elektrische Energie verwendet.
Geräte mit geringer Dichte sind SRAMs.	Geräte mit hoher Dichte sind DRAMs.
SRAM ist schneller als DRAM.	DRAM bietet langsame Zugriffsraten.

 

Unterschiede zwischen SRAM und DRAM

SRAM oder statisches RAM bietet eine höhere Leistung als DRAM, da SRAM keine regelmäßige Auffrischung erfordert, während DRAM dies während des Betriebs tut. Obwohl SRAM um Größenordnungen kleiner als DRAM ist, ist es weniger dicht und teurer. SRAM und DRAM unterscheiden sich hauptsächlich dadurch, dass SRAM ein On-Chip-Speichertyp mit schneller Zugriffszeit ist, während DRAM ein Off-Chip-Speicher mit langsamer Zugriffszeit ist. Daher funktioniert SRAM besser als DRAM. Die Daten werden in SRAM mithilfe von Transistoren gespeichert. In DRAM werden Kondensatoren zum Speichern der Daten verwendet, während die Daten in SRAM mithilfe von Transistoren gespeichert werden. In DRAM werden Kondensatoren zum Speichern der Daten verwendet. In Bezug auf Geschwindigkeit und Preis ist die Leistung von SRAM besser als die von DRAM. Im Vergleich zu SRAM bietet DRAM mehr Speicherplatz. Der Cache-Speicher verwendet SRAMs, während der Hauptspeicher DRAMs verwendet.  

Häufig gestellte Fragen zu SRAM und DRAM

Was sind die Hauptunterschiede zwischen SRAM und DRAM?

SRAM und DRAM sind die beiden RAM-Arten. Der grundlegende Unterschied zwischen SRAM und DRAM besteht darin, dass SRAM ein energieeffizienter Speicherchiptyp ist, der schneller als DRAM ist. DRAM hingegen ist ein Speicherchip, der mehr Strom verbraucht, aber mehr Daten speichern kann als SRAM.  

SRAM vs. DRAM: Welcher ist besser?

Da SRAM, auch als statisches RAM bezeichnet, nicht regelmäßig aktualisiert werden muss, DRAM hingegen während der Verwendung, bietet SRAM eine bessere Leistung als DRAM. SRAM ist teurer und weniger dicht als DRAM, hat aber um Größenordnungen geringere Größen.  

Was ist der Hauptnachteil der Verwendung von DRAM anstelle von SRAM?

Alle Speichereinheiten von DRAM werden für eine gewisse Zeit zusammengeführt, um während eines vorgegebenen Aktualisierungszyklus einer stufenweisen Aktualisierung unterzogen zu werden; Lese- und Schreibvorgänge müssen während dieser Zeit unterbrochen werden. Während jedes Speicherzyklus werden für jede Reihe von Speichereinheiten verteilte Aktualisierungen durchgeführt.  

Nachteile oder Nachteile von SRAM

SRAM ist größer und teurer in der Herstellung als DRAM. Seine Komponenten sind außerdem zahlreicher und schlechter integriert.  

Was ist DRAM?

Dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM), eine Form von Halbleiterspeicher, wird häufig verwendet, um die Daten oder den Programmcode zu speichern, die für den Betrieb eines Computerprozessors erforderlich sind. DRAM ist eine beliebte Variante von Direktzugriffsspeicher (RAM), die in Servern, Workstations und Personalcomputern (PCs) verwendet wird.  

Wie groß sind SRAM und DRAM?

SRAM hat eine Speicherkapazität von 1 MB bis 16 MB, aber die üblichen DRAM-Größen in Laptops und Smartphones betragen 4 bis 16 GB bzw. 1 GB bis 2 GB.