Qu'est-ce que DRAM (mémoire vive dynamique) ?

Mémoire volatile qui stocke chaque bit dans une cellule composée d'un transistor et d'un condensateur, et qui a besoin d'un rafraîchissement périodique avant que la charge ne fuie. Elle sert de mémoire principale dans les PC et les serveurs.

Nom japonais: DRAM(ダイナミックRAM)

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Cellule mémoire DRAM (1T1C) Ligne de bit (BL) Ligne de mot (WL) Transistor Condensateur Stockage d'1 bit par la présence ou l'absence de charge
Cellule mémoire DRAM (1T1C) · Voir dans les schémas

Domaine: DRAM

Signification de DRAM et fonctionnement d'une cellule

DRAM signifie dynamic random-access memory (mémoire vive dynamique). Chaque bit est stocké dans une cellule 1T1C composée d'un transistor et d'un condensateur, la présence ou l'absence de charge sur le condensateur représentant 0 ou 1. Les cellules sont disposées en matrice aux croisements des lignes de mot et des lignes de bit ; quand la ligne de mot rend le transistor passant, le condensateur est relié à la ligne de bit. L'accès aléatoire signifie que l'on peut atteindre n'importe quelle adresse sans ordre imposé, et « dynamique » rappelle que la charge stockée fuit lentement, de sorte que les données doivent être réécrites périodiquement.

Lecture et rafraîchissement

Pour lire une cellule, on relie son condensateur à une ligne de bit amenée par précharge à environ la moitié de la tension d'alimentation. La charge se partage et produit une petite différence de tension qu'un amplificateur de lecture amplifie pour décider entre 0 et 1. Comme cette opération perturbe la charge stockée (lecture destructive), la tension amplifiée est réécrite dans la cellule. La charge se perd aussi par les fuites de jonction et sous le seuil, si bien que chaque rangée doit être lue et réécrite à intervalles réguliers : c'est le rafraîchissement. À titre indicatif, les normes jusqu'à la DDR4 imposent de rafraîchir toutes les rangées en 64 ms dans la plage de température normale, et la DDR5 en 32 ms, avec des intervalles plus courts à haute température.

DRAM, SRAM et mémoire flash

La SRAM forme un verrou avec six transistors : elle n'a donc pas besoin de rafraîchissement et s'accède en environ 1 ns, mais ses cellules sont grandes et son coût par bit est élevé. La petite cellule 1T1C rend la DRAM environ 20 fois plus dense que la SRAM, ce qui convient aux grandes mémoires principales, au prix de temps d'accès de quelques dizaines de nanosecondes, car il faut activer les rangées. La mémoire flash NAND est une mémoire non volatile, qui conserve les données hors tension et offre une capacité encore plus grande à moindre coût, mais elle écrit et efface lentement et ne supporte qu'un nombre limité de cycles de réécriture. Les systèmes construisent donc une hiérarchie mémoire avec de la SRAM pour les caches, de la DRAM pour la mémoire principale et des SSD pour le stockage.

Types de produits et défis de la miniaturisation

Les produits DRAM comprennent la DDR SDRAM pour les PC et les serveurs, la LPDDR basse consommation pour les smartphones et appareils similaires, la GDDR pour le graphisme et la HBM, qui empile plusieurs puces avec des TSV pour offrir un bus très large. Le défi central de la miniaturisation est de garder assez de charge sur le condensateur pour lire les données à mesure que les cellules rétrécissent. On a introduit pour cela des condensateurs cylindriques hauts et étroits, des isolants à forte permittivité (high-k) et des transistors à ligne de mot enterrée qui réduisent les fuites. La densité accrue entraîne aussi des problèmes de fiabilité comme le Rowhammer, où l'activation répétée d'une rangée fait basculer des données dans les rangées voisines.

S'entraîner : questions sur DRAM (mémoire vive dynamique)

Quelle est la constitution correcte d'une cellule mémoire 1 bit d'une DRAM courante ?

  1. AUn transistor et un condensateur
  2. BSix transistors
  3. CUn transistor à grille flottante
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Réponse : A. Un transistor et un condensateur

Une cellule DRAM se compose d'un transistor et d'un condensateur (1T1C) et mémorise 1 bit selon la présence ou l'absence de charge dans le condensateur. Le condensateur est minuscule, environ 10 fF, et 0 et 1 se distinguent par une différence de seulement quelques dizaines de milliers d'électrons. Le faible nombre de composants donne une surface de cellule réduite, environ 6F², propice aux grandes capacités. Six transistors constituent la cellule SRAM, et le transistor à grille flottante celle de la mémoire flash.

Pourquoi une opération de rafraîchissement périodique est-elle nécessaire dans une DRAM ?

  1. APour augmenter la vitesse de lecture
  2. BParce que le nombre d'écritures est limité
  3. CParce que la charge stockée dans le condensateur se perd progressivement par courant de fuite
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Réponse : C. Parce que la charge stockée dans le condensateur se perd progressivement par courant de fuite

La charge du condensateur se perd peu à peu par fuite sous le seuil et fuite de jonction du transistor de cellule. Le rafraîchissement lit et réécrit les données avant qu'elles ne deviennent indiscernables ; toutes les rangées sont parcourues en 64 ms au plus selon les normes jusqu'à la DDR4, et en 32 ms au plus en DDR5. Pendant le rafraîchissement, la banque concernée est inaccessible et de l'énergie est consommée ; la charge augmente avec la capacité. La limite du nombre d'écritures est une caractéristique de la mémoire flash.

Questions fréquentes

Que signifie DRAM ?

Dynamic random-access memory, c'est-à-dire mémoire vive dynamique. On la dit dynamique parce que la charge stockée se perd avec le temps et doit être rafraîchie périodiquement, contrairement à la SRAM (static RAM), qui conserve ses données sans rafraîchissement tant qu'elle est alimentée.

Quelle différence entre DRAM et SRAM ?

La DRAM utilise une petite cellule 1T1C, ce qui permet de la fabriquer en grande capacité et à faible coût, mais elle a besoin de rafraîchissement et demande quelques dizaines de nanosecondes par accès. La SRAM utilise une cellule à six transistors qui n'a pas besoin de rafraîchissement et qui est rapide, mais elle occupe plus de surface. C'est pourquoi la DRAM sert de mémoire principale et la SRAM de cache du CPU.

La DRAM perd-elle ses données hors tension ?

Oui. La DRAM est volatile : quand l'alimentation est coupée, le rafraîchissement s'arrête et la charge fuit. Si les puces sont refroidies, les données peuvent toutefois persister de quelques secondes à quelques minutes, ce qu'exploitent les attaques par démarrage à froid (cold boot) pour lire des clés de chiffrement en mémoire.

« DRAM (mémoire vive dynamique) » dans les explications

Questions mentionnant « DRAM (mémoire vive dynamique) » (91)

  1. Quelle est la constitution correcte d'une cellule mémoire 1 bit d'une DRAM courante ?
  2. Pourquoi une opération de rafraîchissement périodique est-elle nécessaire dans une DRAM ?
  3. Quelle caractéristique de l'opération de lecture d'une DRAM est correcte ?
  4. Quelle combinaison de structures tridimensionnelles a été utilisée pour assurer la capacité du condensateur des cellules DRAM ?
  5. Quelle propriété de la DRAM est correcte ?
  6. Dans la matrice de cellules DRAM, quelle ligne, reliée à la grille des transistors de cellule, sélectionne la rangée à lire ou écrire ?
  7. Comment évolue généralement la durée pendant laquelle une cellule DRAM conserve ses données lorsque la température augmente ?
  8. Quelle caractéristique de la DRAM par rapport à la SRAM est correcte ?
  9. Quelle description de la réparation par redondance utilisée pour améliorer le rendement des DRAM est correcte ?
  10. Pourquoi le temps d'accès d'une DRAM diminue-t-il lors d'accès consécutifs à la même rangée (page) ?
  11. Pourquoi des matériaux High-k comme l'oxyde de zirconium sont-ils utilisés comme diélectrique des condensateurs DRAM ?
  12. Quelle description du mode d'autorafraîchissement (self-refresh) d'une DRAM est correcte ?
  13. À combien d'octets correspond une puce DRAM de 8 Gbit ?
  14. Quelle est la signification correcte de la latence CAS (CL) d'une DRAM ?
  15. Quelle est la principale application de la norme DRAM appelée LPDDR ?

Comparatifs incluant ce terme

Termes associés

Rafraîchissement (refresh) HBM SSD (disque à semi-conducteurs) MRAM Ligne de mot (word line) Ligne de bit Amplificateur de lecture (sense amplifier) ECC (code correcteur d'erreurs) TSV (via traversant le silicium) GPU

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