❯ Введение: что будет в статье и почему частей две

Изначально я не хотел разбивать статью на части, хотел уместить всё в одной: от атомов и транзисторов до сегментной модели памяти в x86_64 и страниц виртуальной памяти в Linux. Но сделав бы я это, индикатор времени чтения статьи перевалил бы за час и материал был бы слишком разбросанный. Поэтому я решил разделить исчерпывающее описание оперативной памяти на две части: физическое устройство RAM и логическое устройство RAM.

За две статьи, первую из которых вы читаете прямо сейчас, мы пройдём все ступени понимания, начиная с модели атома с уроков 8-9 класса до виртуальной памяти в современных операционных системах (а именно в Linux).

Вторая часть статьи: ссылка появится тут примерно через пару недель, как только вторая часть выйдет

Особое внимание в данной статье, так как мы рассматриваем физические аспекты, будет уделено транзистору (ну и конденсатору), важнейшему схемотехническому элементу, на котором без преувеличения держится вся современная микроэлектроника.

Просто сказать, что транзистор работает как электрический переключатель, пропуская или не пропуская заряд, было бы также, как сказать, что оперативная память может просто записывать и читать информацию по конкретному адресу. Поэтому мы постараемся во всех тонкостях понять его природу и принципы работы, постепенно повышая сложность: от атома до плашки RAM.

Также важно уточнить, что существует два основных вида RAM: DRAM и SRAM. В статье мы рассматриваем именно DRAM, которую я любезно называю просто RAM, дабы избежать лишней путаницы. SRAM же работает слегка иначе, на триггерах и используется как кэш-память процессора (но это уже совсем другая история...)

ВАЖНО!!! Данная статья не претендует на чёткие и формальные физические формулировки, так как была написана далеко не физиком. Целью такого разбора является обретение контекста в рассматриваемой теме и понимание идеи в целом, построение абстрактной модели того, что происходит под корпусом ПК. Что отлично подойдёт для тех, кто вообще с этим не знаком или понимает очень смутно, но понять желает!

❯ Ячейка RAM: транзистор и конденсатор

Ячейка оперативной памяти (RAM) намного проще и понятнее твердотельного накопителя (SSD). Если для чёткого понимания принципов работы SSD нужно иметь представление о квантовой физике (а именно о туннельном эффекте), то в случае с RAM нужно помнить пару слов из курса физики средней школы. Устройство SSD в общих чертах разбиралось в моей предыдущей статье.

Более того, доступ к ячейке памяти SSD (чтение/запись) занимает около 50 микросекунд, тогда как обращение к ячейке ОЗУ занимает 17 наносекунд, что быстрее более чем в 3000 раз.

Для сравнения, сверхзвуковой истребитель, летящий со скоростью 3 маха (скорость, в 3 раза превышающая скорость звука) как раз в 3000 раз быстрее ёжика. Вот такая колоссальная разница между скоростью обращения к памяти в SSD и в RAM:

Поэтому для долговременного хранения используется надёжный SSD, который не требует постоянного бесперебойного электрического питания в отличие от RAM (об энергозависимости позже), а для данных программ, запущенных в данный момент используется быстрая RAM. Загрузка любой «тяжёлой» игры, например ГТА 5, это ничто иное, как копирование всех текстур и данных игры с SSD в RAM для быстрого доступа к ним во время игры. Если бы данные, формирующие игровой процесс, напрямую брались и модифицировались c SSD, то игра превратилась бы не в фильм, а в набор долго сменяющих друг друга статичных кадров.

Ячейка RAM состоит из двух базовых схемотехнических элементов: транзистора и конденсатора. Даже если вы никогда не любили и не понимали физику, это не страшно, мы разберём два этих фундаментальных элемента всей современной электроники буквально на пальцах и постараемся сделать это не скучно, быстро, но в то же время с полным пониманием.

Итак, выдохнем и начнём, нашей задачей является осознать как работает транзистор и оперативная память в целом!

❯ Что такое проводник, полупроводник и диэлектрик?

Говоря о физике, стоит придерживаться конкретной модели, которая в достаточной мере отражает происходящие в объективном мире процессы. Ниже мы будет говорить об атомах и типах веществ: проводниках, диэлектриках и полупроводниках. Существует не мало моделей представлений атома. От самых примитивных и устаревших, предложенных пару веков назад, до самых революционных моделей квантовой физики, где электрон рассматривается не как «шарик» (или как конкретная точка в пространстве), а как некая вероятностная структура, но не будем об этом, я от слова совсем не специалист в квантовой физике :)

И это вовсе не значит, что разные модели полностью противоречат друг другу, просто они отражают или разные аспекты моделируемого объекта (в нашем случае атома), или в больше или меньшей степени приближают нас к тому, что происходит в окружающем нас мире на самом деле.

Мы же остановимся на модели атома, предложенной Резерфордом в 1911 году (Планетарной Модели Атома) с небольшими уточнениями от Нильса Бора 1913 года (Боровская модель атома). И да, этих моделей нам в полной мере хватит, как хватало и людям в начале 1910-ых, когда по небу уже в полной мере летали самолеты с дирижаблями, а также миру было известно немало электромеханических машин (например).

❯ Планетарная модель атома

Знакомьтесь, это атом Кремния:

Планетарная модель атома описывает атом так: «Атом состоит из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.»

Ядро состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (частиц, не имеющих заряда). Электроны же заряжены отрицательно.

Мы сказали, что ядро заряжено положительно, а электроны отрицательно. Но что это за «плюс» и «минус»? На самом деле, это просто условность, введённая ещё очень давно Бенджамином Франклином (тот самый, что изображён на 100 долларовых купюрах). Можно было назвать наоборот - физика бы от этого не изменилась.

Главное не знак (название), а то, как взаимодействуют заряды:

1. Заряды разного знака притягиваются;

2. Заряды одинакового знака отталкиваются.

То есть какие-то притягиваются, а какие-то отталкиваются, их и разбили на две условные группы, назвав «плюс» и «минус», всё! Мы, как и вся физика, не можем ответь на вопрос ПОЧЕМУ так (то есть почему заряды так себя ведут и почему атомы и молекулы такие какие они есть), мы разве что может в неком приближении ответить на вопрос КАК так (то есть как заряды себя ведут и как устроены атомы и молекулы).

Как? Очень просто (шучу). Вещества состоят из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательной заряженных электронов (картинка выше). Разные конфигурации атомов порождают разные молекулы. Например, всем известная формула молекулы воды H2O, что состоит из двух атомов водорода (H2) и одного атома кислорода (O):

Основываясь на принятой нами модели, электроны в атоме существуют на разных «орбитах». Почему на разных? Потому что какие-то электроны имеют больше энергии, а какие-то меньше. И чем больше у них энергии, тем сильнее отрицательно заряженные электроны способны противостоять силе притяжения положительно заряженного ядра (так как заряды разного знака притягиваются) и тем на «высших» орбитах они располагаются. Отсюда следует и обратное, чем меньше у электрона энергии, тем он ближе к ядру.

Отлично, а чем отличается атом Кремния на картинке выше от, скажем, атома Углерода или Гелия? Ну конечно же! Они отличаются друг от друга лишь количеством электронов на разных «орбитах»/уровнях и, разумеется, количеством этих самых уровней (ну и количеством нейронов и протонов в ядре, но для нас сейчас это не так уж и важно).

Вот атом Углерода:

У атома Углерода 2 электрона на первой орбите и 4 электрона на второй, орбит всего две.

А вот атом Гелия:

У атом Гелия 2 электрона на первой и единственной орбите

Да, эти конфигурации электронов (и протонов с нейтронами в ядре) — это всё, что отличает атомы друг от друга и лишь только благодаря этим отличиям рождается колоссальное множество молекул (ведь разные конфигурации атомов порождают разные молекулы, смотрели на H2O выше), осязаемые нами материальные вещи, да и весь мир вокруг!

❯ Внешние/Валентные электроны

Думаю, многим со школьной скамьи знакомо слово «Валентность». Да, меня оно тоже пугало, но на самом деле в нём нет ничего страшного.

Слово «валентность» происходит от латинского «valentia», что означает «сила», «мощь» или «способность».

Внешними/Валентными электронами называют те электроны, которые находятся в атоме на внешнем уровне (самой последней орбите, картинки выше). Валентные электроны, переводя дословно — это «способные электроны». Электроны, способные взаимодействовать с другим атомами.

Так как они дальше всего от ядра и меньше всего обрамлены силой его притяжения (так как электрон «-», а ядро «+». А «+» и «-» притягиваются), они время от времени могут «перепрыгивать» на другие атомы (скоро увидим как), то есть они дословно «способны» на это! Или же, как мы говорили ранее, чем большей энергией обладает электрон, тем дальше он от ядра, так как посредством этой энергии он может противостоять силе притяжения ядра. Поэтому его можно назвать «Сильным электроном», что тоже является дословным переводом выражения «Валентный электрон» :)

Сейчас мы подробно рассмотрим эту идею на проводниках, диэлектриках и полупроводниках.

❯ Проводники

В проводниках внешние/валентные электроны очень слабо связаны со своими атомами. Настолько, что сила их взаимодействия с атомными ядрами сравнима с силой взаимодействия с ядрами соседних атомов. В результате, электроны переходят в свободное состояние и могут перемещаться по проводнику. Это свойственно в особенности металлам.

Рассмотрим кусочек Лития (Li):

Как мы видим, электроны с внешней орбиты так слабо притягиваются к ядру собственных атомов, что то и время «перебираются» на другие атомы, путешествуя по проводнику. Такие валентные электроны путешественники называют свободными электронами или электронами проводимости.

А под действием внешнего электрического поля свободные электроны приходят в состояние направленного движения, что и называются электрическим током или течением электрического тока!

Что за внешнее электрическое поле? Это тема для отдельно статьи с не маленьким вступлением о том, как следует воспринимать слово «поле», вот хорошее видео на эту тему. В нашем же случае можно сказать так:

Вот простейшая цепь из батарейки и лампочки, соединенных проводом из какого-либо проводника. Батарейка за счёт химических реакций внутри (это можно и нужно опустить в данный момент) создаёт избыток электронов на конце с минусом и недостаток на конце с плюсом. Иными словами, работает как насос, выкачивая электроны из конца с плюсом в конец с минусом, что хорошо видно на картинке. Батарейка не создаёт новые электроны, она лишь перемещает уже существующие электроны от одного своего полюса к другому.

Те электроны, что показаны на картинке выше, это как раз таки те свободные электроны. Идут они по проводнику (по проводу). Батарейка создала электрическое поле (не стоит бояться этого термина), которое и заставило свободные электроны двигаться не хаотично, а упорядочено, от «-» к «+» батарейки. От области с их избытком в область с их недостатком. Иными словами, электрическое поле — это некая «вещь», возникающая когда гармония зарядов нарушена (в одном конце избыток электронов, а в другом недостаток) и желающая гармонию эту восстановить (поэтому то и течёт). Вот такой баланс, поддерживающийся законами вселенной :)

Подытожим. Проводники — это вещества, способные легко проводить электрический ток под действием электрического поля (в нашем примере поле порождала батарейка) за счёт свободных электронов.

❯ Диэлектрики

В диэлектриках всё совсем иначе. Электроны жёстко связаны со своими атомами. Свободных электронов в диэлектриках нет и ток они, следовательно, не проводят.

Рассмотрим кусочек Гелия (He):

То есть валентным электронам диэлектриков не хватает энергии на то, чтобы стать свободными. Да, при колоссально сильном поле может произойти пробой диэлектрика, но это уже отдельная тема. Ссылка нужна лишь для очень интересующихся :)

❯ Полупроводники

Как следует из названия, полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Полупроводники похожи на диэлектрики тем, что обычно все их валентные электроны находятся в связанных состояниях. Электроны соседних атомов попарно притягиваются друг к другу (электроны совместно удерживаются двумя ядрами соседних атомов). Такая связь называется ковалентная. Латинская приставка «ко» означает совместная, а «валентная» мы уже разбирали. Получается, ковалентная связь — это «совместно сильная» связь. Думаю, вы поняли :)

Далее мы будем рассматривать Кремний, ведь именно он на данный момент лежит в основе всех полупроводниковых технологий из-за некоторых своих свойств, таких как температура плавления или его доступность (то есть легко добывать). Для нас сейчас не очень важно почему именно Кремний, просто примем это как факт.

У кремния на внешнем/валентном уровне 4 электрона, он отдаёт по одному на связь с каждым из атомов соседей.

Рассмотрим кусочек Кремния (Si):

Рассмотрите электроны на внешних уровнях на картинке и постарайтесь мысленно расширить картинку. Например, средний верхний атом отдал один электрон на связь с левым соседом, другой на связь с правым, а третий на связь с нижним. Если бы мы нарисовали ещё один ряд атомов выше, то и последний электрон ушёл бы на связь с верхним соседом. И так для каждого атома. Думаю, идея ясна.

Но внешние электроны в полупроводниках связаны со своими атомами слабее, чем в диэлектриках и иногда могут отрываться от своих атомов (как это происходит в проводниках) и превращаться в свободные электроны. Особенно сильно электроны «отрываются» при нагреве полупроводника или при приложении внешнего напряжения к нему (второе нам и понадобится далее).

Нагреем кусочек Кремния (Si):

На том месте, откуда «оторвался» электрон образуется, так называемая, дырка. Дырка — это не частица, это отсутствие частицы. Обратите внимание на гифку сверху. На месте покинувших своё положение электронов появляются серые воображаемые частицы с кружочком в центре, так я нарисовал дырку. Просто физики решили обозначать отсутствие электрона там, где ему «положено быть» как «дырка».

Дырка является, внимание, очень страшное слово... квазичастицей! Слово «квазичастица» происходит от латинского слова «quasi», означающего «наподобие», «нечто вроде», и русского слова «частица».

То есть дырка «нечто вроде» частицы, отсутствие электрона можно рассматривать «наподобие» частицы, так как в это вакантное место может переместиться другой электрон, тем самым закрыв дырку, но образовав новую в другом месте, откуда он «перепрыгнул». Советую всмотреться в гифку выше и самостоятельно понять всё визуально. Дырка — не более чем удобная модель отсутствия электрона, в расчётах её принимают за квазичастицу с положительным зарядом

А вот почему области пространства (дырке), где электрон в полупроводнике отсутствует дали отдельно название:

Посмотрите и ответьте на вопрос: «Это электроны движутся влево или дырки вправо»? Что за бред! Конечно же электроны влево, ведь электрон — это частица (у которой даже есть масса) и именно он переносит заряд, а дырка — это просто отсутствие частицы! Но! Формально, можно сказать, что это дырки движутся вправо, математическим расчётам всё равно что частицей является, а что нет. Важна математическая модель!

Но чем же полупроводники так интересны и зачем нам всё это нужно?

1. Интересны они тем, что их проводимостью можно легко управлять, чего не скажешь об обычных проводниках или диэлектриках. Поэтому они так хорошо зарекомендовали себя в микроэлектронике (логических схемах), где требуется чётко отслеживать состояние всех компонентов и иметь возможность его изменять;

2. А нужно это для понимания самого важного элемента любой современной системы — от умных или не очень чайников до облачных кластеров и суперкомпьютеров. Этот элемент — транзистор!

❯ Типы полупроводников и p-n-переход

В разделе выше мы рассматривали чистые полупроводники, то есть полупроводники без примесей. Грубо говоря, если мы называем какой-то кусок материи куском кремния, то это значит, что на атомарном уровне в этом куске содержатся только атомы кремния, атомы никаких других веществ в этот кусок не подмешаны.

Разумеется, достичь абсолютной 100% чистоты полупроводника невозможно, но можно получить чрезвычайно чистые материалы в лабораторных условиях.

Но мы можем нарочно загрязнить полупроводник примесями (атомами, с другим количеством валентных электронов), дабы увеличить количество свободных электронов или дырок в полупроводнике!

Рассмотрим кусок идеально чистого (такое бывает только на картинках) кремния (ядро и не валентные электроны будем обозначать просто как круг с названием элемента):

❯ Полупроводник N типа

Например, мы можем добавить в кремний с 4-мя валентными электронами атомы соседнего с ним в таблице Менделеева Фосфора, у которого 5 валентных электронов:

4 электрона фосфора образуют связи с соседними атомами кремния, а 5-ый окажется «лишним». Такие лишние электроны легко покидают родительские атомы, увеличивая число свободных электронов (электронов проводимости) и проводимость полупроводника в целом.

Получается, в таком полупроводнике свободных электронов становится больше, чем дырок. Такие полупроводники являются полупроводниками N типа. «N» от слова negative, так как электрон имеет отрицательный заряд, а их количество в полупроводнике N типа преобладает!

❯ Полупроводник P типа

Можно поступить и наоборот, «загрязнить» полупроводник атомами с меньшим количеством валентных электронов. Например, для рассматриваемого нами кремния с 4-мя валентными электронами, атомами бора с 3-мя валентными электронами:

Такие полупроводники называются полупроводниками P типа. «P» от слова positive. Думаю, уже понятно почему :) Потому что в полупроводниках P типа преобладают дырки, а отсутствие минуса воспринимается как плюс. Дырка — квазичастица с положительным зарядом, об этом мы говорили выше.

Это также приводит к усилению проводимости полупроводника. То есть в любом случае причиной проводимости являются «блуждающие» по полупроводнику электроны, но в случае с N-типом электроны просто «путешествуют» по материалу подобно свободным электронам в обычных проводниках, а в случае P-типом электроны «путешествуют»/«перепрыгивают» с дырки на дырку. Но дабы не путаться и точно понимать тип полупроводника, говорят, что движутся дырки (опять же, для удобства и прозрачных расчётов на бумаге).

Поэтому у полупроводников выделяют два типа проводимости: электронная (N-тип) и дырочная (P-тип).

❯ p-n-переход

Ключевой идеей, стоящей за транзистором, является p-n-переход. Звучит немного страшно, но на самом деле, p-n-переход - это просто два соединённых вместе полупроводника P и N типов. Теперь мы будет показывать на картинках только свободные электроны и только дырки, дабы не захламлять иллюстрации отдельными атомами и ненужными нам подробностями:

Очевидно, что часть дырок из полупроводника P-типа перетечёт в полупроводник N-типа, а часть электронов из проводника N-типа перетечёт в полупроводник P-типа. Да, дырки на самом деле никуда не текут, это формальность, которую мы обсуждали выше. Просто представьте как электроны из полупроводника N-типа занимают вакантные места (дырки) на стыке с полупроводником P-типа. Когда электроны из N переходят на «краешек» P, то покидая своё место в N — на их месте образуются дырки. Таким образом, можно сказать, что текут дырки, а не электроны, просто визуально, эмпирически (гифка ниже).

И держите в голове, что на картинке показаны только свободные электроны и дырки, от иллюстрации самих атомов мы ушли на моменте рассмотрения типов полупроводников, иначе картинка была бы слишком громоздкая. Если вдруг вы не очень поняли эту идею, советую перечитать этот раздел сначала.

Таким образом, на границе полупроводников образуется область истощения:

Гифка выше не совсем верная и очень упрощённая, но зато наглядная. Электроны и дырки не просто меняются местами, а рекомбинируют. То есть электроны из N «прыгают» в эти дырки на стыке и посередине двух полупроводников разных типов образуется чистый полупроводник!

Понимаете? Левый кусок с недостатком электронов, а правый с избытком. При соединении на них границе образуется небольшая область, где вещество приходит в «гармонию». Как мы уже знаем, чистый полупроводник плохо проводит ток, поэтому эта область кроме области истощения называется ещё и запирающей областью. Пропускать ток запирающая область не будет.

Обозначим расширение запирающей области таким образом (та самая рекомбинация, о которой мы говорили выше):

Теперь попробуем подать на наш бутерброд электрическое напряжение, плюс будет слева, а минус справа. Очевидно, что минус справа будет заталкивать электроны из N области в P область (так как отрицательно заряженные электроны отталкиваются от минуса), а дырки из P области в N область, тем самым уменьшая запирающую область и позволяя нашему бутерброду проводить ток (чем большее мы приложим напряжение, тем сильнее схлопнется запирающая область и тем сильнее бутерброд будет проводить ток, то есть тем меньше у него будет сопротивление):

Подключив контакты наоборот, получим диаметрально противоположную картину (рассуждения аналогичны, только в обратную сторону):

Запирающая область расширяется => сопротивление повышается => бутерброд будет проводить ток тем хуже, чем сильнее мы подадим напряжение при таком подключении, как на гифке выше.

В итоге мы получаем устройство, умеющее пропускать ток только в одном направлении, такое устройство называется полупроводниковый диод.

А теперь рассмотрим полупроводниковый триод (тройной бутерброд):

Думаю, что и без анимации понятно, что как бы мы его не подключили, ток он в любом случае пропускать не будет.

У нас образуется p-n-p переход. Подключив, скажем, минус слева, а плюс справа, сузиться только левая запирающая область, правая расширится, не пропуская носители заряда. Подключив триод наоборот, расшириться только левая и теперь она станет причиной, по которой ток через этот элемент течь не будет.

Это можно легко осознать, сравнив наш триод с двумя гифками выше и поняв какие области и при каком подключении будут сужаться, а какие расширяться

Может показаться, что триод бесполезен, так как ни при каких обстоятельствах ток он проводить не будет (то есть по сути является диэлектриком, только излишне сложным), но на самом деле есть способы заставить его проводить ток (точнее этой его способностью можно управлять). Такой управляемый триод и называется транзистором!

Очень советую ознакомится с этим видео, которое я во многом брал за основу для написания этого раздела. Оно также есть и в списке литературы.

❯ Что такое транзистор?

Транзистор — это электронный компонент, использующийся для управления током в электрических схемах.

Просто переключатель, но не механический, а электронный, управляемый внешним напряжением. Такой переключатель не содержит движущихся частей, очень быстр и его можно сделать очень очень маленьким. Все эти плюсы отлично себя зарекомендовали в микроэлектронике и компьютерной технике.

Мы будем рассматривать полевой транзистор, именно он и используется в ячейках оперативной памяти. Полевым он называется, так как управляется за счёт поля, создаваемого приложенным к затвору транзистора напряжением (рассмотрим это совсем скоро).

А вот и сам полевой транзистор:

Полевой транзистор состоит из двух небольших фрагментов полупроводников одного типа (N-тип на картинке выше), вживлённых/внедрённых в полупроводник другого типа (P-тип на картинке выше)

Да, в полупроводнике P-типа есть свободные электроны, очевидно, просто количество дырок там преобладает, это следует из определения. Раньше мы рисовали полупроводники только с дырками или только с электронами лишь для наглядности. Это важно!

К полупроводникам N-типа подключим нашу основную цепь (исток/сток), по которой течёт ток (картинка выше). Однако, как мы видели ранее с триодом, ток по такой цепи течь не будет, поэтому нам и нужен затвор c подложкой, два контакта сверху и снизу (картинка выше). Причём между верхним контактом и полупроводником размещается диэлектрическая пластинка, которая не пропускает ток ни при каких условиях, так как транзистор управляется именно полем! Как мы уже говорили, той самой «вещью», что стремится восстановить гармонию зарядов (увидим это на гифке далее).

Подав напряжение на вертикальные контакты (затвор и подложку), возникнет электрическое поле, под действием которого немногочисленные электроны из полупроводника P-типа начнут стягиваться наверх, ближе к затвору:

Проще говоря, электроны будут притягиваться к плюсу на затворе (так как разноимённые заряды притягиваются), а дырки отталкиваться (повторю который раз, дырки по сути не отталкиваются, это не настоящие частицы. дырки образуются на месте электронов, которые «притянулись» к затвору. но визуально, можно сказать, что оттолкнулись дырки).

Что же мы видим на гифке выше? Хоть в полупроводнике P-типа в целом дырок гораздо больше, но в узкой области вблизи затвора (верхнего контакта) и между двумя полупроводниками N-типа, концентрация электронов станет больше концентрации дырок.

По сути, в этой локальной области полупроводник P-типа становится полупроводником N-типа (а точнее, образуется проводящий канал N-типа). Из-за этого образуется «мостик» проводимости, так как N полупроводник отлично проводит ток (наглядно на гифке выше)

Поэтому подав на вход и выход (исток/сток) нашего транзистора (триода) напряжение, ток через него потечёт!

Ура! Мы разобрались, по сути создав определение транзистора. Транзистор — это устройство, протекания тока между концами/контактами (исток и сток) которого зависит от того, есть ли напряжение на третьем контакте (затворе). Таким образом можно очень легко, применяя малое напряжение к затвору, регулировать ток в цепи.

Зачем? Например для того, чтобы создать базовые схемотехнические элементы И, ИЛИ, НЕ. А уже через них, по критерию Поста, можно выразить любую булеву функцию, а следовательно, создать компьютер :) Но это тема уже для отдельной статьи...

Но ячейка RAM состоит не только из транзистора, она состоит из транзистора и конденсатора. Давайте быстро разберёмся с конденсатором и наконец-то перейдём к самой интересной части с устройством плашки RAM!

❯ Что такое конденсатор?

Конденсатор — это электронный компонент, умеющий накапливать электрический заряд и на какое-то время сохранять его. Всё :)

Конденсатор состоит из двух размещённых близко друг к другу металлических пластин, между которыми вставлен диэлектрик.

Разберём процесс его заряда на пальцах:

Батарейка, как мы уже поняли в примере выше с обычной цепью с лампой, «высасывает» электроны из одной части цепи (делает в ней недостаток электронов) и «выплёвывает» в другой (делает избыток). Так как пластины сделаны из металла (что является проводником), правая пластина заряжается отрицательно (избыток электронов), а левая положительно (недостаток электронов, то есть суммарный заряд ядер атомов металла в левой пластине превышает суммарный заряд электронов в ней же).

Теперь смотри на стрелки на картинке:

1. Зелёные стрелки — разноимённо заряженный пластины, по мере обретения заряда, начинают влиять друг на друга. Положительно заряженная пластина станет притягивать электроны с отрицательно заряженной, тогда как отрицательно заряженная пластина будет создавать выталкивающую силу, действующую на оставшиеся электроны в положительно заряженной платине, то есть «выталкивать их из пластины в провод» (тем самым делая пластину ещё более положительной);

2. Фиолетовые стрелки — разумеется, рано или поздно мы упрёмся в предел конкретного конденсатора, когда он больше не может принимать новый заряд (просто физически больше не вмещается). Тогда мы скажем, что конденсатор заряжен. Заряд перестанет циркулировать по цепи и такая система придёт в «равновесие». Правая фиолетовая стрелка показывает, что накопленный на правой пластине отрицательный заряд отталкивает электроны, которые «выплёвывает» батарейка (так как одноимённые заряды отталкиваются), а левая стрелка показывает, что положительный заряд на левой пластине притягивает электроны, которые батарейка оттуда пытается «высосать» (так как разноимённые заряды притягиваются). Именно это и заставляет ток «устаканиться» и система приходит в равновесие;

3. Жёлтые стрелки — показывают в каком направлении батарейка заставляет течь электроны.

Пока батарейка (напряжение на участке цепи) включена в цепь, заряд будет поддерживаться. Количество заряда, которое конденсатор может накопить определяется его ёмкостью, которая, что очевидно, тем больше, чем больше площадь пластин.

Как только мы отключим батарейку, «гармония» захочет восстановиться, электроны с пластины с их избытком начнут перетекать в сторону пластины с их недостатком, тем самым по цепи будет течь ток без какого-либо источника питания. Сам факт разряда конденсатора будет порождать направленное движение электронов с одной пластины на другую. А направленное движение зарядов (в нашем случае электронов) и называется электрическим током!

Конденсаторы, использующиеся в RAM немного отличаются от обычных с двумя металлическими пластинами. Называются они МДП-конденсаторы (Метал-Диэлектрик-Полупроводник-конденсаторы), что полностью отражает их устройство:

Как мы видим, состоит МДП-конденсатор из трёх слоёв:

1. Металла (проводника) — верхний слой;

2. Диэлектрика — средний слой;

3. Полупроводника (на картинке выше именно P-тип, но может быть и N, идея та же) — нижний слой.

Подадим отрицательное напряжение на верхний металлический слой, на нём теперь избыток электронов и как следствие, отрицательно заряженная металлическая пластина будет притягивать дырки из полупроводника P-типа (нижний слой):

Электроны с верхнего слоя притягиваются к дыркам в нижнем слое, но средний слой диэлектрика не даёт им рекомбинировать (это умное слово мы уже несколько раз упоминали выше).

Теперь конденсатор заряжен, мы записали «1»! Подав положительное напряжение на пластину, заряд с неё утечёт и конденсатор разрядится, то есть мы запишем «0», условно, так как мы сами выбираем как логически интерпретировать физические свойства системы.

❯ Наконец-то сама ячейка RAM

Рассматривая отдельную ячейку RAM, собранную по частям из уже разобранных нами элементов, мы рассмотрим её сразу как часть большой системы, отельного чипа RAM. Все ячейки в RAM связаны в матрицу через контакты Bit Line (Бит линия) и Word Line (Адресная линия).

Совсем скоро мы наглядно поймём как именно они связаны, а сейчас на пару минут закроем на это глаза и поймём идею в целом.

Одна ячейка RAM состоит из одного полевого транзистора и одного МДП-конденсатора и называется она 1T1C (one-transistor one-capacitor. Один транзистор, один конденсатор). Затвор транзистора подключается к адресной линии, исток к бит линии, а сток к конденсатору (а именно, к его верхнему проводящему слою).

А вот и самая ячейка с линиями (скоро мы поймём что это за линии и зачем они нужны):

ВАЖНО!!! Адресная линия не соприкасается с бит линией, одна проходит поверх другой (иначе такая схема бы не работала). Так как картинка двумерная, приходится это уточнять.

Рассмотрим в динамике:

При подаче напряжения на адресную линию, транзистор открывается (образуется проводящий канал N-типа) и электроны с бит линии попадают на верхний слой конденсатора (заряд проходит через проводящий «мостик» транзистора), притягивают дырки к верхней границе P-полупроводника (нижний слой). Теперь на верхнем слое конденсатора избыток электронов, его можно рассматривать как записанную логическую «1».

После этого напряжение с адресной линии убирается, транзистор закрывается (приходит в своё как бы базовое состояние) и тот заряд, что успел накопится на верхнем металлическом слое конденсатора остаётся запертым там! Так как проводящий «мостик» N-типа убирается, ведь электроны больше не притягиваются к затвору.

Если же на бит линию подать плюс, электроны с конденсатора утекут и он разрядится, что можно рассматривать как запись «0».

Но хочется уточнить, что МДП-конденсатор, который мы тут рассматриваем, не используется в современных чипах RAM, но нам сейчас важно понять саму модель, саму идею. В реальных RAM используются стек/тренч-конденсаторы, что уже выходит за рамки научно-популярного объяснения.

Мы проделали не малый путь и заслужили сделать так:

Что я имею ввиду? Мы инкапсулируем всё наше понимание в квадрат, в котором будет написано «1» или «0» (есть заряд на конденсаторе/нет заряда на конденсаторе). Им мы будем далее обозначать ячейку RAM. Это нужно для того, чтобы посмотреть на устройство RAM с более широкой точки зрения, а именно, понять что такое банки памяти, сколько их в одном чипе и сколько чипов на одной плашке.

Теперь, с полным пониманием работы отдельной ячейки памяти, перейдём к самой приятной части!

❯ Каким образом ячейки организованы на одной плашке RAM?

❯ Модель RAM

Итак, для начала рассмотрим модель, а уже потом углубимся в детали реализации и посмотрим на процессы чтения и записи. В качестве примера, дабы всё уместилось на картинку, рассмотрим до смешного маленькую RAM на 1 Килобайт (даже эта статья в кодировке ASCII весит почти 100 Килобайт). Рассмотрев простую модель мы поймём каким образом может быть организована настоящая ОЗУ на 16 Гигабайт.

На одной плашке у нас будет 4 чипа, в каждом из чипов по 8 банков:

А теперь теперь «провалимся» на уровень ниже, в банк памяти. Ячейки организованы в матрицы, которые называют банками памяти. В одном нашем банке (матрице) будет 16 столбцов и 16 строк:

Фиолетовым цветом обозначены Адресные линий, а горчичным — Бит линии. Одну ячейку (транзистор и конденсатор) мы договорились обозначать квадратом с цифрой «0» или «1». На картинке выше во всех ячейках «0», а значит, конденсаторы в каждой из 256 (16 * 16) ячеек разряжены.

Откуда взялся 1 Килобайт?

1. 1 ячейка хранит 1 бит, значит наш 16 * 16 банк может хранить 256 бит;

2. На одном чипе 8 банков, а значит, один чип может хранить 256 * 8 = 2048 бит;

3. На плашке у нас 4 чипа, а значит, плашка в целом может хранить 2048 * 4 = 8192 бит;

4. 8192 бит = 8192 / 8 = 1024 байта (так как в одном байте 8 бит). 1024 байта = 1024 / 1024 = 1 Килобайт.

Отсюда и 1 Килобайт!

Плашка же на 16 Гигабайт может содержать 8 чипов по 2 Гигабайта, в каждом из которых 32 банка по 8192 столбца и 65536 строк. Такая конфигурация может использоваться в настоящих плашках ОЗУ. Если аккуратно посчитать, как мы сделали это выше, то выйдет ровно 16 Гигабайт.

В целом, это и есть модель RAM, осталось только в общих чертах понять как она работает.

❯ Рассмотрим банки подробнее

Давайте подадим напряжение на пятую сверху адресную линию (обозначим напряжение зелёным цветом):

Как мы детально рассматривали в разделе выше, при подаче напряжения на конкретную адресную линию (в нашем случае пятую сверху), которая подключена к каждой из ячеек в строке (в нашем случае к пятой строке) , напряжение на ней открывает каждый из транзисторов в пятой строке, что даёт «дорогу» к верхним слоям конденсаторов ячеек пятой строки.

Теперь, когда конкретная строка открыта, заряд из конденсаторов перетечёт через открытые транзисторы на бит линии и можно будет считать значения ячеек в конкретной строке. Или же можно будет подать сильное/слабое напряжение на бит линию, тем самым записав в ячейки какое-то значение (скоро увидим как).

Но как будто в нашей модели чего-то не хватает. Нужно разобраться как именно адресуется каждый байт памяти (так как адресуется память не битами, а байтами — что есть 8 бит), из чего состоит сам адрес и к чему подключаются бит и адресная линии.

❯ Дешифратор Мультиплексор

Дешифратор и Мультиплексор — это базовые схемотехнические элементы, они очень просты в понимании и используются во многих схемах, RAM не исключение. Давайте быстро рассмотрим их и наконец-то построим полную картину плашки ОЗУ. Строятся они из базовых элементов И, ИЛИ, НЕ, которые в свою очередь можно построить на транзисторах (если пока нет интуитивного понимания о чём я, очень советую посмотреть второе в списке литературы видео).

❯ Дешифратор

Ни для кого не секрет, что чтобы пронумеровать N объектов числами в 2-ичной системе исчисления, нам нужны минимум -значные двоичные числа. Эту формулу называют главной формулой информатики:

I — количество информации, которое мы можем представить в двоичной системе, взяв N значные двоичные числа (наглядно на картинке ниже).

Предположим, что всем нашим 16-ти строкам в банке нужно дать какие-то индексы, чтобы понимать «кто есть кто». Сколько нам понадобится для этого знаков?

Очевидно, что:

Четырёх знаков как раз хватило:

Но причём тут дешифратор?

На уровне логической схемы мы хотим иметь такое устройство, которое на вход будет принимать N-значное двоичное число (в нашем случае четырёх значное) и выдавать напряжение именно на ту линию, которая соответствует порядковому номеру переданного двоичного числа (картинка выше).

По сути, дешифратор переводит число из двоичной системы исчисления в десятичную:

Подаём напряжение на какие-то из четырёх входов (двоичное число). Напряжение формируется только на том выходе, который по счёту в десятичной системе начиная с нуля соответствует поданному на вход двоичном числу (картинка с пингвином выше).

Идеально! Теперь мы можем подключить дешифратор к адресным линиям (это будут его выходы) и активировать нужную нам линию, указав её порядковый номер на входе!

❯ Мультиплексор

Отлично, теперь мы знаем как легко активировать нужную нам адресную линию. Но при активации адресной линии, открываются все ячейки в строке (в нашей простой модели, что нарисована выше, их 16 штук в строке. в реальности ячеек в строке может быть десятки тысяч), но как я уже говорил, память адресуется байтами. Нам нужно каким-то образом иметь возможность указывать какие именно 8 подряд идущих ячеек нам нужны из этих 16-ти в строке (например, с 2 по 9, с 7 по 14, или же 8 по 15).

Тут нам поможет мультиплексор, который работает чуть интереснее:

Тут добавляются ещё и входы снизу, называются они адресные, а входы слева — информационные (как и у дешифратора), но это не так уж и важно. Важно лишь то, что на всех информационных входах мы условно имеем напряжение, а в зависимости от двоичного числа на адресных входах, с выходом «соединяется» только тот информационный вход, что равен десятичному представлению этого двоичного числа (поданного на адресные входы).

Почти тоже самое, что и дешифратор, только «под капотом» мультиплексор не просто определяет порядковый номер (переводит из двоичной в десятичную), но и в зависимости от него подключает к выходу соответствующий этому номеру контакт (контакт со входа).

Это почти то, что нам нужно! Выше я описал классический мультиплексор, который из контактов (информационных входов), посредством адресных входов выбирает 1 выход. Но в банке RAM нам нужно выбирать целых 8 выходов, так как мы хотим иметь возможность читать по байтам. Достигается это просто комбинированием разного количества мультиплексоров разной размерности (у нас на картинке размерность 16:1, 16 информационных входов и один выход).

Нам же важно понять саму идею. Мультиплексор или их «хитросплетение» позволяют из N входов выбрать M выходов, где M < N.

❯ Обратно к чипу RAM!

Итак, теперь у нас не вызовут ужас термины дешифратор строк и мультиплексор столбцев, поэтому можно добавить их на уже знакомую нам картинку. Вот какая красота у нас получается:

Насчёт мультиплексора будем условно считать, что на адресные входы подаётся индекс первого информационного входа, от которого будет отсчитываться 8 бит. Например, если мы подадим 0101, то есть 5 в десятичной, то на выходах будут биты с 5 по 12 включительно. Думаю, идея ясна.

❯ Запишем число 255 по адресу 01001010111!

Адресацию мы рассмотрим в контексте одного чипа, чтобы не усложнять и без того на первый взгляд запутанную картинку.

Так как у нас 8 банков в чипе, то нам хватит 3 бита, чтобы пронумеровать каждый из них:

Строк и столбцев у нас по 16, поэтому для выбора каждого из них потребуется по 4 бита:

Получаем адрес из 11 бит:

[ 3 бита на банк ][ 4 бита на строку ][ 4 бита на столбец ]

Теперь разложим по придуманной нами схеме желаемый адрес из заголовка 01001010111:

[ 010 ][ 0101 ][ 0111 ]

Переведём каждое из двоичных чисел в десятичную систему исчисления:

[ банк -> 2 ][ строка -> 5 ][ столбец -> 7 ],
[ 2 ][ 5 ][ 7 ]

Получается, что число 255 мы будем записывать в 5 строку в байт, который начинается со столбца 7 (то есть в ячейки (биты) с 7 по 14) в банк под индексом 2.

При осуществлении записи, в микросхему RAM отправляется команда записи, адрес и 8 бит (то есть 1 байт), которые мы хотим записать. Вот что происходит в банке под номером 2:

Что произошло на гифке по кадрам:

1. Подали напряжение на информационные входы дешифратора строк (подали число 101, 5 в десятичной системе) для выбора пятой строки (активации пятой адресной линии);

2. Нужная нам адресная линия активировалась, транзисторы открылись, теперь если подать напряжение на бит линию, то конденсаторы будут в состоянии его принять;

3. Подали напряжение на адресные входы мультиплексора столбцев число 0111, 7 в десятичной системе. далее подали на нижние контакты (да, в RAM мультиплексор двухсторонний) число 255 (255 в двоичной это 11111111, то есть все 8 входов активированы). наши 8 бит перенаправляются на бит линии с 7 по 14 в соответствии со значением 0111, которое мы подали на адресные входы мультиплексора;

4. Далее происходит запись. На перекрестье адресной и бит линий оказывается нужный нам байт. Конденсаторы в этих 8-ми ячейках накапливают заряд, заряжаются, тем самым меняя своё значение на «1»;

5. Далее напряжение с адресной линии убирается, все транзисторы в 5-ой строке закрываются и накопленный на конденсаторах заряд остаётся в «запертом состоянии», как мы помним из предыдущего раздела.

Вот и всё. Чтение происходит аналогичным образом, но только наоборот. Мы активируем конкретную строку, заряд из конденсаторов ячеек этой строки уходит на бит линию и достигает мультиплексора столбцев. Далее, на мультиплексоре столбцев, с помощью адресных входов, указываем какой именно байт в строке мы хотим пропустить через мультиплексор и получаем его на выходах мультиплексора (нижние контакты).

Важно уточнить, что в конкретный момент времени активирована только одна строка (одна адресная линия), значения из ячеек которой перетекают на бит линию и попадают на входы мультиплексора столбцев. Если бы мы активировали сразу две строки, то очевидно, что получилась бы каша, ведь на одной бит линии смешались бы значения сразу с двух конденсаторов и смысла в такой операции не было бы. Если вы не поняли, советую ещё раз вдумчиво посмотреть на гифку выше или посмотреть это видео.

❯ Тонкие моменты и важные уточнения, которые мы не затронули

Всё, о что будет упомянуто тут, было опущено для того, чтобы не путать ход повествования и не раздувать объём статьи. Первый раз лучше понять концептуальную модель и обрести контекст происходящего, а уже потом сделать пару шагов назад и уже «другими глазами» посмотреть на исследуемую тему вновь. Поэтому очень советую ознакомится со списком литературы в конце статьи!

❯ Общие моменты

❯ Энергозависимость

Что мы не рассмотрели, так это процесс перезарядки и то, как между разными циклами чтения и записи умная RAM подпитывает свои же ячейки.

Зачем она это делает? Дело в том, что мы не упомянули о проблеме, которая связана с утеканием заряда с конденсаторов. Ведь слой транзистора, что в закрытом состоянии «запирает» заряд на конденсаторе внутри ячейки, не давая ему утечь на бит линию, составляет всего несколько десятков атомов, электроны со временем «просачиваются» через закрытый транзистор и ячейка теряет заряд.

Из-за колоссально маленько размера ячеек, что удалось достичь благодаря полупроводниковым технологиями, пришлось идти на компромиссы с вечной перезарядкой ячеек.

Поэтому оперативная память называется энергозависимой и работает тогда и только тогда, когда работает ПК, ведь без постоянной перезарядки заряд с конденсаторов почти моментально (по человеческим меркам) утечёт и ОЗУ превратится просто в кусок кремния.

❯ Чтение/Запись

Чтение и запись были рассмотрены скорее концептуально или академически, в общих чертах. Были опущены некоторые моменты.

Например, между мультиплексором столбцев и самой нижней строкой должны располагаться усилители считывания (sensitivity amplifiers), которые и регистрируют величину напряжения на бит линии, решая, «0» это или «1». Например, если бит линия настроена на диапазон от 0 до 1 Вольт, что будет соответствовать «идеальным» логическим «0» и «1», то если усилитель считывания зарегистрирует, скажем, 0.74 Вольта на конкретной бит линии, то он примет это за логическую «1» и подаст на эту бит линию напряжение в 1 Вольт, дабы зарядить конденсатор до «идеального» значения в 1 Вольт.

Тоже самое и с логическим «0», если значение напряжения на бит линии будет меньше 0.5 Вольт, усилитель примет это за «0» и наоборот разрядит конденсатор.

Также, чтение и запись не так тривиальны, как было показано выше, за мультиплексором столбцев должны располагаться драйвера/контроллеры чтения и записи, которые обрабатывают эти события немного по-разному.

❯ Почему RAM именно «Random Access» Memory?

Меня очень долгое время вводило в ступор название оперативной памяти на английском. Почему она именно RAM (Random Access Memory, память с произвольным доступом), что значит этот «произвольный доступ»?

Оперативная память называется RAM, так как можно обратить к любой её ячейке за условно одинаковое время и нам неважно где физически в памяти располагаются данные. Мы точно знаем, что где бы на чипе они не хранились, мы получим к ним доступ за условно фиксированный отрезок времени, просто исходя из архитектуры RAM.

Почему я пишу «условно фиксированный», потому что можно привести куча примеров, углубившись в конкретные реализации RAM и показать, что время доступа не одинаковое. Даже если в случае с RAM время доступа к информации может различаться на ничтожные доли секунды, физическое расположение информации не добавляет к этим долям секунды дополнительные доли, чего не скажешь, например, о HDD.

Отсюда и «произвольный доступ», то есть данные могут лежать в «произвольном месте» в памяти и нам совершенно неважно где. ОЗУ (что самое интересное, в русской аббревиатуре слово «произвольный» отсутствует) воспринимается нами как чёрный ящик, который умеет сохранять и отдавать данные по конкретным адресам вне зависимости от их физического расположения: то есть на каком они чипе, в каком именно банке этого чипа, в какой строке и какие 8 бит этой строки являются тем самым нужным нам байтом.

А что же с долговременной памятью?

1. В случае с HDD(накопителем с вращающемся диском и считывающей головкой, первый Такс (так зовут пингвина Linux) на картинке выше) очень важно физическое расположение данных на диске, от этого зависит скорость их получения, так как на изменение положения считывающей головки требуется время, пускай и ничтожное по человеческим меркам;

2. В случае же с SSD (Второй Такс на картинке выше) дела обстоят почти как с RAM, так как там нет подвижных частей как в HDD, но есть свои нюансы по части чтения/записи, которые выходят за рамки данной статьи и абсолютно не нужны для понимания работы памяти даже на хорошем уровне!;

3. Я уже не говорю о таких способах хранения данных, как магнитная лента (длинная лента с магнитным покрытием, данные записываются последовательно. чтобы прочитать нужный блок, нужно физически перемотать ленту до нужного места, то есть о ни о каком фиксированном времени речи не идёт, третий Такс на картинке выше) или магнитный барабан (вращающийся цилиндр, на котором данные записаны на магнитных дорожкам. данные также идут последовательно).

И пусть SSD можно назвать тоже Random Access, что ещё сильнее запутывает, к данным названиям (как и к большинству вещей в IT) стоит относится не как к вещам, отражающим техническую сторону вопроса, а как к вещам, отражающим сторону историческую. Так как термин RAM (Random Access Memory) был придуман раньше (1950-ые), чем SSD (Solid-State Drive), которые получили широкое распространение только в 2007-2008 годах, на момент далёких пятидесятых RAM была на самом деле самая Random Access из всех Random Access :)

Говоря в одном предложении: Random Access потому что время доступа к любой ячейке памяти не зависит от её физического расположения.

Думаю, теперь тут путаницы быть не должно.

❯ Заключение/Выводы

Спасибо, что добрались до сюда! Надеюсь, вы узнали для себя что-то новое и восхитились красотой внутреннего мира компьютеров и, возможно, захотели изучать такие вещи дальше!

Что мы разобрали в статье (тезисно):

1. Типы веществ: проводники, диэлектрики, полупроводники с точки зрения Боровской модели атома;

2. Соединили два полупроводника вместе, получив диод, поняли, что им можно управлять внешним напряжением в цепи;

3. Осознав диод, осознали и транзистор (триод), что лежит в основе всей современной микроэлектроники;

4. Разобрав принципы работы конденсатора, соединили его вместе с транзистором и получили самую настоящую ячейку RAM;

5. Рассмотрели плашку RAM, оказалось, что на ней просто несколько одинаковых чипов. Детально разобрали устройство банков памяти, которые и составляют чип;

6. В общих чертах рассмотрели процесс записи и чтения и подвели итоги.

Буду рад комментариям с дополнением материала или указанием неточностей в тексте статьи. Ещё раз спасибо и до новых встреч на Хабре!

❯ Литература

YouTube:

1. Как работает Оперативная Память Компьютера? Branch Education на русском

2. Магия транзисторов: как мы научили компьютеры думать с помощью кусочков кремния?

3. Особый вид материи? Из чего сделано электромагнитное поле?

4. Полупроводники Владимир Кобрин. ЦентрНаучФильм [1978]

5. Транзисторы и их применение

6. Как на самом деле работают электрические конденсаторы?

Прочее:

1. Electrons and “holes’’

---

Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩