Rys. 1 Bramka NAND (Not AND)

Komputery operują na sygnałach w postaci napięcia elektrycznego pomiędzy punktem a wyróżnionym potencjałem, tzw. masą. Odpowiednio wysokie napięcie jest uznawane za stan logiczny „1”, a odpowiednio niskie za stan „0”. Dzięki temu, zamiast myśleć o napięciach, można wznieść się na wyższy poziom abstrakcji i rozumować w kategoriach wartości logicznych. Układy, które pracują na takich stanach, nazywamy układami cyfrowymi. Ich podstawowymi elementami składowymi są bramki logiczne – urządzenia, które realizują pewną prostą funkcję logiczną (np. NOT, AND, OR, NAND – Rys. 1). Pamięci w układach cyfrowych da się zbudować, korzystając wyłącznie z bramek logicznych.

Rys. 2 Zatrzask SR

Pamięć statyczna – podejście pierwsze

Aby układ zbudowany z bramek logicznych mógł zapamiętać bit informacji, musi wystąpić sprzężenie zwrotne, czyli część wyjść musi zostać poprowadzonych z powrotem do wejść. Taka sytuacja ma miejsce w układzie nazywanym zatrzaskiem SR, który można zbudować z wzajemnie połączonych dwóch bramek NAND (Rys. 2).

Stany wysokie na obu wejściach  nazywamy stanem nieaktywnym. Proszę sprawdzić, że dla takich wejść wyjścia układu mają dwa możliwe stany stabilne:  oraz  Te poziomy logiczne utrzymywane są przez bramki tak długo, jak długo podłączone jest zasilanie. Uznajemy, że oznaczają one zapisany w układzie bit informacji, odpowiednio 1 i 0.

Odczyt bitu możliwy jest w każdej chwili z linii wyjściowych. Natomiast aby zaktualizować dane, należy odpowiednio manipulować wejściami. W celu zapisania jedynki ustawiamy na pewien czas  Wymusza to przejście wyjść układu do umownej jedynki logicznej. Gdy następnie, ustawiając  wrócimy do stanu nieaktywnego, ta wartość pozostanie zapamiętana w układzie. Analogicznie poprzez  zapisujemy zero. Na wejściach może również wystąpić  ale wtedy  Nie wiąże się z tym żadna wartość bitu danych, więc stan ten jest traktowany jako logicznie zabroniony.

Rys. 3 Bramka NOT

Rys. 4 Tranzystor NMOS w zastosowaniach cyfrowych przypomina sterowany napięciem przełącznik: gdy  to  jest zwarte z   a dla  – rozwarte, tranzystor nazywamy wtedy odpowiednio otwartym i zamkniętym.

Pamięć statyczna – podejście drugie

W praktyce komórki pamięci statycznej realizuje się nieco inaczej. Poprzez połączenie linii wejściowych i wyjściowych oraz użycie bramek NOT (Rys. 3) zamiast NAND można uprościć strukturę komórki i zmniejszyć liczbę linii sterujących. Schemat komórki pamięci przedstawia rysunek 5. Dwie bramki NOT wzajemnie oddziałują na swoje wejścia. Mogą być w dwóch stabilnych stanach, które rozróżniają wartości bitu. W układzie znajdują się dodatkowo dwa tranzystory dostępowe (Rys. 4) sterowane linią  Przez większość czasu zachodzi  wtedy bramki są odcięte od stanów na liniach danych  i   Dzięki temu do linii danych można podłączyć wiele komórek pamięci.

Odczyt danych odbywa się przez otwarcie tranzystorów linią  Wtedy linie danych przyjmują wartości  gdy zapisany był bit 1, lub  gdy zapisane było 0. Aby zapisać dane, należy ustawić odpowiednie stany na liniach danych, a następnie otworzyć tranzystory. Rezystancja zastępcza tranzystorów dostępowych i tranzystorów wchodzących w skład bramek NOT jest tak dobrana, aby wartości na liniach danych wymusiły stan bramek, a układ zapamiętał nowy bit informacji.

Rys. 6 Komórka DRAM

Pamięć dynamiczna

Innym pomysłem na zapis bitu informacji jest reprezentowanie go jako stanu naładowania kondensatora. Naładowany kondensator oznacza logiczne 1, a rozładowany – 0. Komórka takiej pamięci zawiera tylko dwa elementy: tranzystor dostępowy i kondensator połączony z masą (Rys. 7).

Aby wpisać bit informacji do pamięci, ustawia się odpowiedni stan linii  a następnie otwiera tranzystor, ustawiając  Gdy po pewnym czasie kondensator już się naładuje bądź rozładuje, zgodnie z napięciem na  można z powrotem zamknąć tranzystor dostępowy.

Odczyt danych jest równie prosty. Wystarczy otworzyć tranzystor i odczytać stan pamięci z linii  Linia danych  w praktyce łączy wiele wyjść komórek pamięci i jest dość długa. Niestety, okazuje się, że jej pojemność pasożytnicza jest większa niż pojemność kondensatora komórki pamięci. Przez to przy każdym odczycie kondensator rozładowuje się, a właśnie otrzymany bit danych trzeba zapisać od nowa.

Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że nawet gdy tranzystor jest zamknięty, to przepływa przez niego niewielki prąd. Rezystancja tranzystora, choć bardzo duża, jest skończona. Kondensator powoli się rozładowuje, a dane należy odświeżyć, żeby nie zostały utracone. Polega to na przeprowadzeniu odczytu, po którym nastąpi powtórny zapis bitu. Pamięć musi być wyposażona w dodatkowy układ, który co pewien czas odświeża całą zawartość pamięci. Właśnie ze względu na konieczność odświeżania ten typ pamięci został nazwany pamięcią dynamiczną.

Parametry i zastosowanie

Pamięci można porównać pod względem kosztu przechowywania bitu informacji, szybkości działania i zużycia mocy.

Standardowa komórka SRAM składa się z sześciu tranzystorów, natomiast komórka DRAM – z jednego tranzystora i kondensatora. Prostsza budowa powoduje, że komórki DRAM można gęściej upakować na płytce krzemowej, a ponadto pamięć ta jest wyraźnie tańsza.

Jednak pamięć dynamiczna jest wolniejsza niż statyczna. Wynika to z kilku czynników. Po pierwsze, w trakcie cyklu odświeżania zawartości pamięci nie jest możliwy dostęp do pamięci. Po drugie, zapis i odczyt danych wymagają ładowania lub rozładowywania kondensatora w komórce pamięci, co zajmuje niezerowy czas. Operacje na pamięci statycznej również wymagają przeładowania pewnych pojemności pasożytniczych, ale znacznie mniejszych. Dane są dostępne niemal natychmiast po aktywowaniu tranzystorów dostępowych. Dokładne czasy dostępu do pamięci zależą od realizacji układu. W przybliżeniu wynoszą 10 ns i 60 ns odpowiednio dla pamięci statycznej i dynamicznej. Dla porównania: w czasie 10 ns nowoczesne procesory mogą wykonać około 20 instrukcji, a światło przebywa trzy metry.

Pod względem zużycia mocy znowu wygrywa pamięć statyczna. Utrzymywanie stanu pamięci statycznej wymaga zasilania bramek NOT. Najwięcej mocy zużywane jest jednak na dostępy do pamięci, co powoduje, że tracona moc jest proporcjonalna do częstotliwości dostępów. Pamięć dynamiczna wymaga większej mocy, ponieważ aktywnie utrzymuje dane w kondensatorach, odświeżając ich zawartość. Kondensatory cyklicznie ładują się i rozładowują, co zużywa prąd.

Komórki pamięci statycznej i dynamicznej różnią się strukturą wewnętrzną i parametrami. Przekłada się to na ich zastosowania. Pamięć dynamiczną stosuje się tam, gdzie potrzebna jest pojemna, w miarę szybka pamięć – np. w kościach pamięci operacyjnej. Większe zużycie mocy ogranicza zastosowania tego typu pamięci w układach zasilanych bateryjnie. Natomiast pamięć statyczna jest używana tam, gdzie ważny jest szybki dostęp do danych, czyli m.in. jako pamięć podręczna procesora i bufory routerów, a także w małych urządzeniach elektronicznych, w których liczy się prostota układu obsługującego pamięć.