La mémoire est une partie vitale des systèmes modernes de microprocesseurs tels que les ordinateurs, les smartphones, les dispositifs de mise en réseau, les gadgets intelligents et même les fusées et satellites. Depuis leur introduction à la fin des années 1960, les mémoires à semi-conducteurs sont le choix de mémoire préféré, surpassant les formats magnétiques (bandes et disques) ainsi que les formats optiques. Il existe deux types de mémoires à semi-conducteurs : volatiles (RAM) et non volatiles (ROM). Dans ce guide, nous examinerons deux types différents de mémoires volatiles, à savoir SRAM et DRAM. Nous allons comprendre leur fonctionnement de base et découvrir les différences entre SRAM et DRAM.
Vue d’ensemble de la mémoire à semi-conducteurs
La première question importante est de savoir ce qu’est exactement la mémoire dans les systèmes de microprocesseurs ? La mémoire est un dispositif ou un système capable de stocker des informations numériques (soit temporairement, soit de manière permanente).
Dans les premiers jours de l’informatique, les ingénieurs utilisaient des bandes et des disques magnétiques pour stocker des informations. Les polarités du champ magnétique (nord et sud) sur un substrat circulaire représentent les valeurs logiques numériques (0 et 1).
Cependant, les avancées technologiques dans la conception et la fabrication des semi-conducteurs ont donné lieu à la mémoire à semi-conducteurs. Dans ce système, nous stockons l’information en utilisant des circuits intégrés (impliquant des transistors, des condensateurs, des fusibles, etc., sur un seul substrat semi-conducteur).
Contrairement aux bandes ou disques magnétiques, la mémoire à semi-conducteurs ne possède aucune pièce mécanique ou mobile. Ainsi, nous appelons également les semi-conducteurs des mémoires à état solide (car les transistors, qui sont les éléments constitutifs de nombreux dispositifs semi-conducteurs, sont connus comme des dispositifs à état solide).
Avant de continuer, nous devons comprendre quelques terminologies importantes associées à la mémoire. Nous désignons les informations stockées en mémoire comme des données, et la plus petite donnée possible est un bit (un 1 logique ou un 0 logique).
Lorsque nous insérons des données dans la mémoire, nous appelons cette opération l’écriture des données. De même, lorsque nous récupérons des données de la mémoire, nous l’appelons la lecture des données.
Classification de la mémoire à semi-conducteurs
Voyons maintenant les différentes manières de classifier les mémoires à semi-conducteurs.
Volatile vs Non-Volatile
Nous pouvons classifier la mémoire à semi-conducteurs (étant donné que c’est le sujet principal de discussion, nous nous en tiendrons aux mémoires à semi-conducteurs et ignorerons les autres types de mémoires) en deux catégories en fonction de leur capacité à conserver des données lorsque nous les débranchons. Il s’agit de mémoires volatiles et non volatiles.
Le terme mémoire volatile désigne les dispositifs de mémoire qui ne peuvent pas conserver les données en cas de coupure de courant (que le système soit arrêté manuellement ou en raison d’une panne de courant).
La mémoire non volatile désigne un dispositif de mémoire qui peut conserver les données même après débranchement de l’alimentation. Comme la mémoire volatile n’a pas à se soucier de stocker les données de manière permanente, elle est légèrement plus rapide que sa contrepartie non volatile. Par conséquent, nous utilisons la mémoire volatile pour stocker des informations critiques pendant que le système fonctionne. La mémoire non volatile est aussi importante, malgré sa lenteur, car elle conserve les commandes de démarrage, le système d’exploitation (OS) ou le firmware (dans le cas des systèmes embarqués) ainsi que les applications.
Lecture seule vs Lecture/Écriture
Une autre manière de classifier les semi-conducteurs est basée sur la façon dont nous accédons aux données. Il existe : Lectures Seules et Lecture/Écriture. Une mémoire en lecture seule ou ROM est un type de mémoire qui ne devrait pas être modifié pendant que le système fonctionne, car elle conserve des données critiques du système et des applications.
En revanche, nous pouvons lire et écrire dans une mémoire de lecture/écriture même lorsque le système est en cours d’exécution, car elle conserve des données temporaires.
Accès aléatoire vs Accès séquentiel
La dernière manière de classifier la mémoire à semi-conducteurs est de se baser sur l’emplacement d’accès. Il existe la mémoire à accès aléatoire et celle à accès séquentiel. Avec la mémoire à accès aléatoire ou RAM, nous pouvons accéder à n’importe quel emplacement mémoire à tout moment.
Cependant, cela n’est pas possible avec la mémoire à accès séquentiel. Comme son nom l’indique, nous ne pouvons accéder aux données que de manière séquentielle et tous les emplacements mémoire ne sont pas accessibles immédiatement. Un exemple de mémoire à accès séquentiel est les bandes magnétiques. Pour accéder à un emplacement, le système doit faire tourner la bande jusqu’à cet emplacement en passant par tous les emplacements précédents.
Un point important ici est qu’é presque toutes les mémoires à semi-conducteurs sont des mémoires à accès aléatoire. C’est là que nous avons une confusion concernant les termes RAM et ROM.
Le terme ROM (mémoire en lecture seule) désigne techniquement une mémoire qui ne peut pas être modifiée pendant que le système est en cours d’exécution. Nous l’avons en quelque sorte associée à la mémoire non volatile.
En ce qui concerne la RAM (mémoire à accès aléatoire), cela signifie techniquement que nous pouvons accéder aux données de n’importe quel emplacement mémoire presque instantanément (contrairement à la mémoire séquentielle où nous devons attendre d’atteindre cet emplacement). Encore une fois, nous avons en quelque sorte associé la RAM à la mémoire volatile.
Pour le reste de la discussion, nous ignorerons la véritable signification des termes et continuerons à associer la RAM à la mémoire volatile et la ROM à la mémoire non volatile.
Parmi les technologies de mémoire non volatile les plus courantes et populaires, on trouve :
- ROM (Mémoire en lecture seule)
- MROM (Mémoire masquée en lecture seule)
- PROM (Mémoire programmable en lecture seule)
- EPROM (Mémoire programmable effaçable en lecture seule)
- EEPROM (Mémoire programmable effaçable électriquement en lecture seule)
- Mémoire Flash
Il n’existe que deux types de technologies de mémoire volatile. Ce sont :
- SRAM (Mémoire à accès aléatoire statique)
- DRAM (Mémoire à accès aléatoire dynamique)
Dans les sections suivantes, nous apprendrons brièvement sur SRAM et DRAM et comparerons également SRAM vs DRAM.
Qu’est-ce que la SRAM ?
SRAM est l’acronyme de Mémoire à Accès Aléatoire Statique. Il s’agit d’un type de mémoire volatile qui est principalement utilisé comme mémoire intégrée (registres internes de microprocesseurs et cache). La SRAM est similaire à un flip-flop bistable, où nous stockons des données en définissant ou en effaçant l’état du flip-flop.
Le terme statique dans SRAM signifie qu’elle n’a pas besoin d’un rafraîchissement de mémoire et une fois que les données sont écrites, elles restent tant que l’alimentation est fournie. Cela contraste avec la DRAM, qui nécessite un rafraîchissement périodique pour maintenir la mémoire même lorsqu’elle est connectée à l’alimentation (car elle stocke les données sous forme de charge sur un condensateur – nous en apprendrons plus dans la section suivante).
Étant donné que la SRAM est profondément intégrée dans l’architecture du microprocesseur, le processus de fabrication est similaire à celui d’un cœur de CPU.
Structure de la SRAM
Voici une structure de base d’une cellule de mémoire SRAM de 1 bit. Ici, une cellule mémoire est le plus petit groupe de composants pouvant contenir 1 bit de données.
Sur l’image, le circuit semble un peu complexe mais en réalité c’est un inverseur couplé croisé avec deux transistors de passage. L’image suivante montre la décomposition des inverseurs avec des transistors NMOS et PMOS. Ce circuit est légèrement plus facile à comprendre.
Les deux transistors PMOS dans les inverseurs agissent comme des pull-up et les deux transistors NMOS agissent comme des pull-downs. Alors que les premières conceptions de SRAM utilisaient tous les 6 transistors – 6T (4 dans des inverseurs couplés croisés et deux transistors de passage), une autre conception populaire utilisait des résistances de charge en polysilicium comme pull-ups au lieu des transistors PMOS.
Cela a considérablement réduit la taille de la cellule de mémoire car elle n’a essentiellement que 4 transistors, tandis que les résistances de charge (qui ont une haute résistance) sont constituées d’une couche de polysilicicon au-dessus des transistors.
Il existe plusieurs autres conceptions de cellules de mémoire SRAM. L’une d’elles a remplacé les grosses résistances de charge (qui devaient être légèrement plus grandes pour surmonter le courant de fuite) par une PMOS en polysilicium. Les avantages de cette conception sont qu’elles peuvent encore être fabriquées avec une couche de Poly-PMOS au-dessus de la couche NMOS et les caractéristiques globales sont meilleures que celles des conceptions utilisant des résistances de charge en polysilicium.
À mesure que la taille du cache intégré au die du CPU augmente, avoir une couche au-dessus du silicium régulier devient complexe. Le résultat étant une conception à 4 transistors (4T) sans charge de pull-up. Cela a considérablement réduit la taille de la cellule de mémoire car elle n’avait que 4 transistors mais les concepteurs devaient faire particulièrement attention aux courants de fuite.
De tous ces designs, la cellule de mémoire SRAM 6T est toujours le choix populaire du point de vue de fabrication en raison des complexités de la couche de poly-charge. On entend souvent parler de la mémoire cache des CPU. C’est en fait un type de mémoire SRAM intégrée au die du CPU.
Qu’est-ce que la DRAM ?
Lorsque l’on compare le circuit de SRAM avec un circuit à verrouillage bistable, les choses sont très différentes lors de la présentation de la DRAM. Pour commencer, une cellule DRAM (nous verrons les détails plus tard) utilise la charge stockée (ou le manque de charge) sur un condensateur pour représenter les données binaires.
Le fait que ce type de mémoire soit qualifié de « Dynamique » est dû au fait que la charge sur le condensateur fuit lentement même lorsque le circuit est connecté à l’alimentation. Pour surmonter cette fuite, nous devons recharger (appelé rafraîchissement de mémoire) le condensateur périodiquement.
Malgré la complexité supplémentaire du circuit de rafraîchissement de mémoire, l’avantage de la DRAM est son faible coût par bit, sa haute densité de mémoire et sa grande capacité. En conséquence, la DRAM est devenue la « mémoire principale » des systèmes modernes de microprocesseurs. Les barrettes de RAM que nous utilisons dans nos ordinateurs de bureau et ordinateurs portables (DIMMs et SODIMMs) sont en fait de la DRAM.
Structure de la DRAM
Les premières conceptions de DRAM (dans les années 1970) comportaient quatre ou trois transistors avec un ou deux condensateurs de stockage parasites. Celles-ci étaient grandes avec une surface de puce significative et un coût par bit élevé. À cela s’ajoute le circuit de base du circuit de rafraîchissement de charge sur le condensateur à un intervalle périodique.
Les ingénieurs et les scientifiques ont pu réduire considérablement la taille de la cellule DRAM avec une conception un transistor un condensateur (1T-1C). L’image suivante montre la cellule DRAM 1T populaire avec un condensateur de stockage.
Puisqu’une cellule DRAM a besoin d’un seul transistor (et d’un condensateur) pour stocker 1 bit, la surface de la cellule DRAM est bien inférieure à celle d’une cellule SRAM (qui nécessite 6 transistors pour stocker 1 bit). Ainsi, la densité de mémoire de la DRAM est significativement plus élevée que celle de la SRAM. De plus, le coût de fabrication est également inférieur pour la DRAM.
Toute la mémoire informatique que nous ajoutons à la carte mère en utilisant des barrettes DIMM (Double In-line Memory Module) et SO-DIMM (Small Outline DIMM) est en réalité de la DRAM. Techniquement, il s’agit de DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) avec DDR4 et DDR5 étant les dernières itérations.
Comparaison de SRAM et DRAM
Comparons maintenant SRAM et DRAM en ce qui concerne le coût, les performances, la densité et d’autres paramètres importants.
| SRAM | DRAM |
| Mémoire à Accès Aléatoire Statique ou SRAM est un type de mémoire volatile. | Mémoire à Accès Aléatoire Dynamique est également un type de mémoire volatile. |
| Elle est mise en œuvre à l’aide de six transistors (6T) pour former un circuit de verrouillage bistable (similaire à un flip-flop) qui conserve les données. | La DRAM est mise en œuvre à l’aide d’un transistor et d’un condensateur (1T1C), et la charge sur le condensateur (ou son absence) représente les données binaires. |
| Étant donné qu’il s’agit d’une mémoire volatile, elle conserve les données tant qu’il y a de l’énergie dans le circuit sans circuit supplémentaire. Ainsi, elle est statique. | Bien que la DRAM soit également une mémoire volatile, ce qui signifie qu’elle peut conserver des données tant qu’il y a de l’énergie, la charge sur le condensateur fuit lentement. Cela nécessite un circuit supplémentaire pour recharger périodiquement la charge et maintenir les données intactes. Par conséquent, elle est dynamique. |
| La SRAM nécessite 6 transistors pour stocker 1 bit de données. | La DRAM nécessite seulement un transistor (et un condensateur) pour stocker 1 bit de données. |
| Cela signifie que la taille d’une cellule SRAM est très grande. | Avec une conception 1T1C, la taille d’une cellule DRAM est relativement très petite. |
| Une grande taille de cellule signifie une faible densité de mémoire (nombre de cellules mémoire par unité de surface). | La densité de mémoire de la DRAM est significativement élevée en raison de sa petite taille. |
| Le coût de fabrication de la SRAM est élevé en raison de la conception 6T. | Bien que l’ajout d’un condensateur nécessite une technique de fabrication séparée, le coût de fabrication global de la DRAM est bien moindre. |
| La vitesse d’accès (lecture ou écriture) est très élevée. En fait, dans la hiérarchie mémoire, elles se situent au sommet avec les registres CPU, le cache CPU. | Les temps d’accès sont comparativement plus lents que la SRAM. Ils sont en seconde position après la SRAM dans la hiérarchie mémoire. |
| La consommation d’énergie de la SRAM est généralement moindre car il n’y a pas de fuites parasites. | La fuite du condensateur et le besoin de rafraîchir périodiquement la charge signifie que la consommation d’énergie globale de la DRAM est légèrement plus élevée. |
| En raison de leur faible densité de mémoire et de leur coût de fabrication élevé, la capacité de la SRAM est souvent limitée à quelques mégaoctets (Mo). | La capacité de mémoire de la DRAM est très grande, souvent en gigaoctets (Go). |
| Les applications courantes sont la mémoire cache sur puce (L2, L3) dans les microprocesseurs ou SRAM (qui agit comme un stockage temporaire) dans les microcontrôleurs. | La DRAM est souvent disponible sous forme de barrettes DIMM pour les ordinateurs (qui se trouvent sur les cartes mères). De petits dispositifs (certains ordinateurs portables, téléphones, tablettes, etc.) ont des modules DRAM soudés directement sur le PCB. |
NOTE : Nous n’avons pas approfondi le fonctionnement de la SRAM et de la DRAM, car ce guide se concentre sur les bases de SRAM et DRAM. Si cela vous intéresse, nous pouvons réaliser des guides approfondis sur le fonctionnement de la SRAM et de la DRAM.
Conclusion
La SRAM et la DRAM sont deux types importants de mémoire à semi-conducteurs dans les systèmes informatiques modernes. Bien qu’elles soient toutes deux volatiles par nature, leur manière de stocker les données est totalement différente. Dans ce guide, nous avons vu les bases des mémoires semi-conductrices, de la SRAM, de la DRAM avec leurs structures respectives. Nous avons également examiné une comparaison détaillée entre SRAM et DRAM.
