Static random access memory

Static random accesss memory (deutsch: statisches RAM, Abkürzung: SRAM) bezeichnet einen elektronischen Speichertyp. Sein Inhalt ist flüchtig (volatil; engl. volatile), das heißt, die gespeicherte Information geht bei Abschaltung der Betriebsspannung verloren. Im Gegensatz zu dynamischem Speicher, welcher zur Vermeidung von Datenverlust ein periodisches Auffrischen (engl. refresh) benötigt, kann der Dateninhalt im statischen RAM bei Anliegen der Betriebspannung beliebig lange gespeichert werden, wovon sich auch die Bezeichnung dieses Speichertyps ableitet.

Der Abkürzung SRAM ist nicht gleichbedeutend mit SDRAM-Speicherzellen, welche für taktsychrone dynamische Speicherzellen stehen.

Eigenschaften und Aufbau

6-Transistor-Zelle in CMOS-Technologie

Die Informationen wird durch Zustandsänderung von einer bistabilen Kippstufe in Form eines Flipflops pro Bit gespeichert. Das erlaubt es zwar die Speicherzelle schnell auszulesen, aber im vergleich zu dynamischen Speicherzellen ist die Speicherzelle verhältnismäßig groß. Im statischen Betrieb, nur bei halten der Information, ist der Leistungsbedarf einer Zelle sehr klein.

SRAMs werden heutzutage als 6-Transistor-Zelle in CMOS-Technologie hergestellt. Der Aufbau einer Kippstufe mit Widerständen als Lastelementen wird nicht mehr eingesetzt; statt der Lastwiderstände werden heute CMOS-Transistorpaare verwendet (siehe Bild). Mit weiteren zwei Transistoren zur Ankopplung an die Spalten- bzw. Zeilen-Auswahlleitungen ergibt sich die besagte 6-Transistor-Zelle wie im Bild anbei. Wegen dieses komplizierteren Aufbaus verbraucht eine SRAM-Zelle im Vergleich zu einer DRAM-Zelle deutlich mehr Chip-Fläche (über 140 F²).^[1][2]

Schnittstellen

SRAMs werden mit unterschiedlichen Schnittstellen angeboten. Als diskretes Bauelement, primär für den direkten Anschluss an Mikrocontrollern, kommen parallele asynchrone Busschnittstellen zur Anwendung. Merkmal ist, dass der Zugriff auf den Speicher ohne Taktsignal erfolgt. Die Zugriffszeit pro Speicherzelle richtet sich nach der Laufzeit und liegt im Bereich von 5 ns bis zu knapp 100 ns. Darüber hinaus gibt es synchrone SRAMs bei welchen der Zugriff synchron zu einem Taktsignal erfolgt. Im Regelfall ist der Durchsatz von synchronen SRAMs höher als bei asynchronen SRAMs, da bei synchronen Schnittstellen die Möglichkeit besteht, mittels einer Pipeline die Adressen zu den Daten definiert zeitlich zu versetzen. Dies bringt vor allem bei sequentiellen Speicherzugriffen Geschwindigkeitsvorteile. Ein Beispiel von synchronen SRAMs sind die sogenannten „ZBT-SRAMs“ (engl. Zero-Bus-Turnaround-SRAM) welche bei schnellen Grafikspeichern Anwendung finden. ^[3]

Anwendungen

SRAMs finden als schneller Speicher mit vergleichsweise kleiner Datenkapazität überall dort Anwendung, wo der Dateninhalt schnell im Zugriff sein muss, wie beispielsweise in Prozessoren als Cache und auf digitalen oder mixed-signal ICs wie Field Programmable Gate Arrays als lokaler Speicher auf dem Chip.

Weitere Anwendung liegen bei Geräten wo der Dateninhalt im SRAM durch eine zusätzliche Pufferbatterie über längere Zeit, bis zu einigen Jahren, gehalten wird. Der Stromverbrauch liegt dabei im statischen Zustand ohne Speicherzugriffe für 256 KiBit im Bereich einiger nA. In diesem Anwendungsbereich stellt das SRAM in Kombination mit einer meist in Form einer Lithiumbatterie ausgeführten Pufferbatterie, welche auch in das Chipgehäuse des Speicherbausteins integriert sein kann, eine spezielle Form von NVRAM (engl. Non Volatile Random Access Memory, nicht flüchtiger RAM) dar. ^[4] Diese Möglichkeit fehlt den dynamischen Speicherzellen, da diese laufende Zugriffe auf die Speicherzellen zwecks Datenregeneration benötigen und die dafür notwendige Logik, welche im Speichercontroller zusammengefasst ist, einen deutlichen größeren Leistungsbedarf aufweist als ein SRAM ohne Zugriffszyklen.

Einzelnachweise

1. ↑ The International Technology Roadmap for Semiconductors 2007 - Emerging Research Devices, Seite 7 (engl., PDF)
2. ↑ The International Technology Roadmap for Semiconductors 2007 - System Drivers (engl., PDF)
3. ↑ Datenblatt eines synchronen ZBT-SRAMs (512 KB × 36) (englisch)
4. ↑ Datenblatt eines NV-SRAM. (DS2030 mit 32 KB × 8 mit integrierter Pufferbatterie) (englisch)

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12 Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6. 
• Jörg Schulze: Konzepte siliziumbasierter MOS-Bauelemente. Springer, Berlin 2005, ISBN 3540234373.