SRAM und Flip-Flops

Sie müssen Transistoren und Gates auseinander halten.

Vier Transistoren sind nicht schlecht, um ein bisschen Daten zu speichern. Wenn Sie ein paar Gatter verwenden würden, bräuchten Sie mindestens 8. (Ein NAND-Gatter mit 2 Eingängen besteht aus 4 Transistoren.) Eine SRAM-Zelle besteht im Grunde aus zwei Invertern, die Rücken an Rücken geschaltet sind, sodass einer den Pegel von hält andere am Leben. Ein Inverter besteht aus 2 Transistoren, also insgesamt 4.

Tatsächlich ist es möglich, noch weniger Hardware zu verwenden, um ein Bit zu speichern, und genau das macht DRAM: Es speichert ein Bit als Spannungspegel in einem Kondensator. Dies bedeutet, dass Sie in einem Quadratmillimeter DRAM viel mehr Daten erhalten können als in einem SRAM. Leider entweicht die Kondensatorspannung, sodass der DRAM kontinuierlich aufgefrischt werden muss.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine 1-Bit-Speicherzelle herzustellen. Diejenigen, die mit aktiver Logik implementiert sind, sind jedoch alle auf die eine oder andere Weise Verstärker mit positiver Rückkopplung. Wie Sie bereits erwähnt haben, kann dies mit zwei Transistoren und einigen Widerständen erfolgen:

Schauen Sie sich das genau an und Sie werden sehen, dass es zwei stabile Zustände hat, entweder Q1 an oder Q2 an. Es hat jedoch auch einen erheblichen Nachteil, nämlich dass es ständig Strom zieht. Die Widerstände können ziemlich hoch gemacht werden, aber es gibt immer noch viele viele Bits auf einem modernen statischen RAM-Chip und die Ströme für jedes Bit würden sich summieren.

Der grundlegende CMOS-Inverter zieht keinen Strom (mit Ausnahme eines kleinen Lecks), wenn er sich in einem der beiden Zustände befindet. Dies ist eine einfache Zwei-FET-Schaltung. Ein PFET kann hoch und ein NFET niedrig ziehen. Die Gates sind miteinander verbunden und die Schwellenwerte so eingestellt, dass nur einer der beiden FETs eingeschaltet ist, wenn die Gates vollständig hoch oder vollständig niedrig sind. Ein Inverter liefert jedoch keine positive Verstärkung. Dies kann durch die Verwendung von zwei Wechselrichtern Rücken an Rücken gelöst werden. Zwei Inverter hintereinander machen positive Verstärkung. Wenn die beiden Inverter in einer Schleife verbunden sind, haben sie zwei stabile Zustände. Einer wird hoch und der andere niedrig sein, aber die Schaltung ist sowohl im Hoch-Niedrig- als auch im Niedrig-Hoch-Zustand stabil. Da ein CMOS-Inverter wie oben beschrieben nur aus zwei FETs besteht, besteht diese Speicherzelle aus 4 FETs mit dem großen Vorteil, dass sie keinen Strom aufnimmt, wenn sie nicht schaltet. Wie Steven sagte, vier CMOS-FETs pro Bit sind gar nicht so schlecht. Alles ist ein Kompromiss.

CMOS-UND-Gatter erfordern 4 Transistoren (das Minimum) für das 2-Eingangs-Gatter.

Sie können in der Widerstands-Transistor-Logik auf 2 gehen:

Für Register gibt es viele Topologien, aber die einfachste erfordert mindestens einen Ring mit zwei Invertern, also 4 Transistoren plus die Schreibpuffer, also etwa 8 Transistoren.

SRAM benötigt in der kleinsten einfachsten Bauform (Widerstand-Transistor, aber Widerstände sind weitaus größer als Transistoren in MOS-Technik) 4 Transistoren, 6 für eine volle MOS-Zelle. Sie können jedoch einen 1-Transistor-DRAM haben, der einen Kondensator zum Speichern des Werts verwendet. aber das ist wieder dynamische Logik, und es ist die höchstmögliche Integration.

Schaltungen, die Transistoren, Widerstände und Kondensatoren verwenden, kommen mit viel weniger Transistoren aus als Schaltungen, die nur Transistoren verwenden. In den Tagen der diskreten Bauelemente würde das Ersetzen eines Transistors durch einen Widerstand Kosten sparen. Widerstände sind jedoch fürchterlich ineffizient und kosten in integrierten Schaltungen tatsächlich wesentlich mehr als Transistoren. Viele Anwendungen, die sie verwenden würden, könnten Stromquellen ersetzen, die nicht ganz so schlecht in Bezug auf die Kosten, aber in Bezug auf die Energie schrecklich ineffizient sind.

Wenn man ein paar Informationen ohne nennenswerten laufenden Stromverbrauch speichern möchte, ist die kompakteste Methode die Verwendung von zwei Invertern, die ein absolutes Minimum von vier Transistoren benötigen, um die Daten zu halten. Da das Halten von Informationen im Allgemeinen nur nützlich ist, wenn man überhaupt ein Mittel hat, sie zu liefern, fügt eine SRAM-Zelle der Vier-Transistor-Zelle zusätzliche Logik hinzu, um den Zugriff darauf zu ermöglichen. Um Dinge "sauber" ohne Buskonflikte zu schalten, wären vier zusätzliche Transistoren erforderlich; In der Praxis ist es im Allgemeinen möglich, mit zwei eine akzeptable Leistung zu erzielen.