Жартылай өткізгішті жадтайтын құрылғылар

 Қазіргі  замандағы статикалық жады құрылғыларының  аса үлкен интегралды сұлбаларының  сыйымдылығы 1 (және бірнеше) Мбитті  құрайды. Аз тығыздылықпен орналасуы, қорек көзін көп тұтынуы және  ақпаратты сақтау бағасының жоғарылығы  статикалық жадыларды дербес  компьютерлердің негізгі жадысы  ретінде қолдануға мүмкіндік  бермейді. IBM PC-үйлесімді 80446 және Pentium процессорларындағы  компьютерлерде статикалық жады  құрылғылары негізгі жадының  екінші реттік кэш жадыларын  жасау үшін қолданылады, оларда  тікелей бейнелеу немесе жинақты-ассоциативті  архитектурасы қолданылады. Екінші  реттік кеш жадыны қолдану  компьютердің жалпы өнімділігін  айтарлықтай өсіреді.

Биполярлы және МДЖ-транзисторларындағы ЖЭ-терінің сұлбатехника-лық шешімдерін толығырақ қарастырайық. 5.7-суретте ТТЛ-технологиясын қолданатын ЖЭ-тің принципиалды электрлік сұлбасы кетірілген, ол 3D типті матрицалық ұйымдастырылуы бар статикалық ЕТЖҚ-да пайдаланылады. ЖЭ, екі көпэмиттерлі Т1 және Т2 транзисторларында құрастырылған, статикалық триггер түрінде жүзеге асырылады. Әрбір көпэмиттерлі транзистор өзінің коллектрлік тізбегіндегі жүктемелік резисторыменен бірге оң логикада үшкірісті ЖӘНЕ-ЕМЕС логикалық элементтің(ЛЭ) функциясын орындайды. Бұл ЛЭ-тер тізбектеліп қосылған және оң кері байланыстарменен(ОКБ) қапсырылған. Әр транзистордың үш эмиттері бар, ол ЖЭ-тін таңдауды және онда ақпаратты сақтауды іске асыруға мүмкіндік береді.

5.7-сурет. Биполярлы транзисторлар (ТТЛ-технологиясы)                         
                   негізіндегі статикалық жадының ЖЭ-нің сұлбасы

Т1 және Т2 транзисторлардың эмиттерлері қосфазалы (тура и инверсті) ақпаратты кірістер болып есептеледі, олар ЖЭ-ге “1”- немесе “0”-ді жазу үшін пайдаланылады. Деректердің РТ 0 және РТ 1 разрядтық тізбектеріне қосылған бұл эмиттерлер, ақпаратты оқу кезінде, ЖЭ-нің шығыстары да болып қолданылады. Соныменен, ЖЭ-нің сол бір шығыстары (немесе деректердің разрядтық тізбектері) ақпаратты жазу үшін де және оқу үшінде қолданылады. Шартты түрде адрестілер деп аталатын, Т1 және Т2  транзисторлардың қос-қостан біріктерілген 12, 22 және 13, 23 эмиттерлері ЖЭ-тің, екі конъюнктивті түрде байланысқан, шығаруларын құрайды. Олар адрестік дешифраторлардың ТТxi жолды және ТТyj бағанды таңдау шығыс тізбектеріне қосылынған.  

Статикалық ЕТЖҚ құрамында ЖЭ сақтау, оқу және жазу режимдерінде жұмыс жасайды. Сақтау режимінде (ЖЭ таңдалмаған) таңдау тізбегінің біреуінде немесе екеуінде де логикалық 0 сигналы(төменгі деңгейлі  ≤ 0,4 В кернеуі) орнатылады. ЖӘНЕ-ЕМЕС логикалық элементтермен құрастырылған ЖЭ, яғни триггер екі тұрақты күйдің біреуінде болады. ЖЭ-нің “0”-дік күйінде Т1 транзистор ашық, ал Т2 – жабық болсын делік. Айта кету керек, көпэмиттерлі транзистор ашық болып есептеледі, яғни ол токты өткізеді, егер оның база-эмиттер өтулерінің біреуі ғана ашық болса(тура бағытта ығыстырылса).

 Сақтау  режимінде ашық транзистордың  тоғы, 12 және 13 адрестік эмиттерлер  және, төменгі деңгейлі кернеуде  болатын, ТТxi  және ТТyj таңдау тізбектері (немесе тек бір адрестік эмиттер және бір таңдау тізбегі) арқылы, ортақ шинаға тұйықталады. Мұнда ақпараттық 11 және 21 эмиттерлер жабық болуы керек, ол үшін РТ0 және РТ1 разрядтық тізбектерде 1-1,5 В-қа тең кернеу орнатылады. ЖЭ деректер разрядтық тізбектерінен электрлік үзілісте және ақпаратты сақтау жағдайында болады.

Ақпаратты оқу режимінде ТТxi жолды және ТТyj бағанды таңдау тізбектерінде адрестік дешифраторлардың көмегімен логикалық 1 сигналы (жоғары деңгейлі кернеу,  ≥ 2,4 В) орнатылады. Мұнда ТТxi және ТТyj  таңдау тізбектерімен байланысқан база-эмиттер өтулері жабылады. Егер ЖЭ логикалық 0 күйінде болса, онда  ашық Т1 транзистордың тоғы, оның ақпараттық 11 эмиттері арқылы ағады және ары қарай деректердің  РТ0 разрядтық тізбегіне беріледі. РТ1 разрядтық тізбегінде ток болмайды, себебі     Т2 транзистор жабық. Соныменен, ЖЭ-нің күйіне сәйкес, оқылатын ақпарат деректердің разрядтық тізбегінде токтың бар болуыменен анықталады. Айту керек, ЖЭ-тінен ақпаратты оқығанда, ол бүлінбейді.

Ақпаратты жазу режимінде, оқу кезіндегідей, ЖЭ таңдалады, яғни  ТТxi

жолды және ТТyj бағанды таңдау тізбектерінде логикалық 1сигналы орнатылады.  Осыдан кейін, ЖЭ-іне “1” немесе “0”-ді жазу үшін деректердің сәйкес разрятық тізбегінен, оған қосылған ақпараттық эмиттерге жоғарғы деңгейлі кернеу(> 2, 4 В) беріледі. Басқа ақпараттық эмиттерге бұрынғысынша, сақтау режиміндегідей, таңдау тізбегінен 1–1,5 В-қа тең кернеу беріледі. Мысалы,  егер ЖЭ-іне “1”-ді жазу жүзеге асырылса және ол осының алдында “1”-лік күйде болса (Т1 – жабық, Т2 – ашық), онда  Т1 транзистордың 11 эмиттеріне жоғарғы деңгейлі кернеуді бергенде оның осыған дейінгі жабық жағдайы өзгермейді. Егер бастапқы кезде ЖЭ “0”-дік күйде болса (Т1 – ашық, Т2 – жабық), онда “1”-ді жазу кезінде Т1 транзистор жабылады, ал Т2 – ашылады және ЖЭ  “1”-лік күйге орнатылады. Бұл процесс ЖӘНЕ-ЕМЕС элементтер арасындағы оң кері байланыстардың әсерінен тездетілінеді.

Қазіргі кезде биполярлық ЖЭ-тердегі статикалық ЕТЖҚ әлі де әжептәуір қымбат, сондықтан негізінде оларды екінші реттегі кэш есебінде пайдаланады. Құрылымы 2 D және 2 DM типті статикалық ЕТЖҚ-ларда, олардағы элементтердің бағасын және тұтыну қуатын азайту үшін, сонымен бірге кристалдағы орналасу тығыздылығының жоғарғы дәрежесін алу үшін, nМДЖ-транзисторларындағы ЖЭ-тері кеңінен пайдаланылады.

5.8-суретте  біркоординатты таңдауы бар құрылымы 2D типті  статикалық ЕТЖҚ-ның кеңінен  таралған сұлбасы келтірілген. ЖЭ, оқшауланған бекітпелері және индуцирленген арналары бар nМДЖ-транзисторларда орындалған және оң кері байланыстармен қапсырылған, екі терістеуіштерден тұратын статикалық триггер болып есептеледі. Т3 және Т4 транзисторлардың бекітпелері Еқ құйма қорек көзіне қосылған. Сондықтан олар әр уақытта ашық және кілт режимінде жұмыс жасайтын Т1 және Т2 транзисторлардың құймалар тізбектеріндегі жүктемелік резисторлардың қызметін атқарады.

ЖЭ-нің шығыстары (оң Q және теріс ) қалыпты жабық Т5 және Т6 тразисторлары арқылы деректердің РТ0 и РТ1 разрядты тізбектерімен қосылған. Т5 және Т6 тразисторлары екіжақты кілттердің функциясын орындайды, яғни токты өткізеді және  екі бағытта ақпаратты береді. Осы мақсатпенен Т5 және Т6 тразисторлардың төсемдері (подложкалары), бастауға (истокқа) емес, ортақ шинаға (“жер”-ге) қосылған.

5.8-сурет.  nМДЖ-транзисторлардағы статикалық жадының ЖЭ-інің сұлбасы

Бекітпеге жоғарғы деңгейлі оң кернеу (логикалық 1) берілген кезде бастау және құйма арасындағы арна өткізгіштік күйге ауысады. Бұл жағдайда транзистор токты екі бағытта өткізе алады, себебі транзистор құрылымының симметриялы болуы, керек кезде, бастау және құймаға рольдеріменен алмасуына мүмкіндік береді. Т5 және Т6 тразисторлардың бекітпелері, адрестік дешифратордың шығыстарының біреуі болып есептелетін,  жолды таңдау ТТxi тізбегімен қосылған.

Ақпаратты сақтау режимінде жолды таңдау ТТxi линиясында  төменгі  деңгейлі кернеу (логикалық 0) орнатылады. Сондықтан Т5 және Т6 транзисторлар жабық және ЖЭ деректердің разрядты тізбегіне электрлік үзілісте болды. ЖЭ-інің сақтау режиміндегі күйі, оң кері байланыстың арқасында, тұрақты және ондағы ақпарат (“0” немесе “1”) керек болған ұзақ уақытқа дейін сақталынады.

Оқу режимінде ЖЭ-ін таңдау үшін ТТxi тізбегіне логикалық 1 кернеуі беріледі, ол Т5 және Т6 тразисторларлардың ашылуына әкеледі. Мұнда ЖЭ-інде сақталынған ақпарат РТ0 және РТ1 разрядтық тізбектерінде пайда болады. Егер ЖЭ-інің күйі “0”-ге сәйкес келсе (Т1 – ашық, Т2 – жабық), онда ақпаратты оқыған кезде  РТ0 тізбегінде логикалық 1, ал РТ1-де – логикалық 0 кернеуі туындайды. Соныменен, ЖЭ-нен оқылатын ақпарат разряд тізбектерінде қосфазалы кодада туындайды, ары қарай оқу күшейткіштерінің кірістеріне және олар арқылы ЕТЖҚ ҮИС-нің шығыс деректер шиналарына беріледі.

Ақпаратты жазу режимінде (ЖЭ таңдалынған кезде) РТ0 және РТ1 разрядтық тізбектерінде, сәйкес жазу күшейткіштерінен, қосфазалы кернеу деңгейлері орнатылады (жазу және оқу күшейткіштері 5.8-суретте көрсетілмеген). “1”-ді жазған кезде РТ1 тізбегінде жоғарғы деңгейлі кернеу, ал РТ0 тізбегінде төменгі деңгейлі кернеу орнатылады. 

ЖЭ-інің бастапқы күйі “0”-ге сәйкес болсын дейік. Таңдау тізбегін қоздырғаннан кейін (ТТxi = 1) Т5 және Т6 транзисторлар ашылады,  сосын кілттік Т1 және Т2 тразисторлардың бастауы да және құймасы да разрядтық тізбектерге қосылады.  Мұнда РТ0 тізбегіндегі төменгі деңгейлі кернеу         Т2 транзисторды шунттайды және Т1 транзистордың бекітпесіндегі, оның ашық жағдайын қамтамасыз ететін, кернеуді алып тастайды (Т1 бекітпесінің паразиттік сыйымдылығының разрядталуының әсерінен), қорытындысында Т1 транзистор жабылады. Оның құймасындағы кернеу біраз, Т2 транзистордың ашылуына жеткілікті, оң деңгейге дейін артады. Ары қарй триггердің ауысып-қосылу (ЖЭ-іне жаңа ақпаратты жазу) процессі оң кері байланыстың арқасында тездетілінеді. ЖЭ-іне “0”-ді жазу кезінде триггер кері бағытта ауысып-қосылынады, ол үшін РТ0 разрядтық тізбекте жоғарғы деңгейлі кернеу, ал РТ1 тізбегінде – төменгі деңгейлі кернеу орнатылады. ЖЭ-іне жазылған жаңа ақпарат онда, кезекті қайта жазу мезгіліне дейін, сақталады. Қарастырылған ЖЭ, биполярлы транзисторлардағы элемент сияқты, ақпараттың, оның бұзылуынсыз, бірнеше рет оқылуына рұқсат етеді, сонымен бірге ақпаратты жазуды және оқуды ЖЭ-нің сол бір шығыстары(және разрядтық тізбектер) арқылы жасауға мүмкіндік береді, ол жады АУИС-нің құрылымын жеңілдету жағынан маңызды.

Айта кету керек, екікоординатты таңдау принципы бойынша, МДЖ-транзисторлардағы ЖЭ-ін таңдауды ұйымдастыру үшін, Т5 және Т6 транзисторлармен бірге тізбектеп тағы екі солар сияқты транзисторларды ұштастырып, олардың бекітпелерін бағанды таңдау тізбегіне қосу керек.

Практикада МДЖ-транзисторларындағы статикалық ЕТЖҚ-ның ЖЭ-інің бірнеше әртүрлі сұлбалары пайдаланылады[17]. Мысалы, олардың біреуінде жүктемелік резистор ретінде ендірілген арнасы бар nМДЖ-транзисторлар қолданылады. ЖЭ-нің мұндай сұлбасы, жады элементінің жоғарыда қарастырылған сұлбасымен салыстырғанда (5.8-сурет), күшейтуі едәуір үлкен, тезәрекеттілігі біршама жоғары және тұтыну қуатымен кристалдағы орнының ауданының арасында ең келісімді шешімді қамтамасыз етеді.  

Сақтау режиміндегі тұтыну қуатын едәуір төмендету үшін, комплементарлы МДЖ(КМДЖ)-құрылымдардағы ЖЭ-нің сұлбасы кеңінен пайдаланылады (5.9-сурет). Мұндай сұлбаның әр КМДЖ-құрылымы екі транзисторлардан (біреуінің арнасының өткізгіштігі n-типті, ал екіншісінікі – p-типті) тұратын терістегіш (инвертор) болып саналады. Сондықтан КМДЖ-құрылымның транзисторлары әрқашанда қарама-қарсы фазада жұмыс жасайды, яғни біреуі ашық болған кезде, екіншісі жабық болады.

5.9-сурет. КМДЖ-құрылымдар транзисторларындағы ЖЭ-інің сұлбасы

Соныменен, сақтау режимінде КМДЖ-құрылымның транзисторларының біреуі әрқашанда жабық және тұтұну қуаты, өте аз мәнді pn-өтуінің ағу тоғыменен ғана анықталынады. Осы айтылғандармен КМДЖ-құрылымдарындағы ЖЭ-інің негізгі артықшылық-тары: сақтау режиміндегі тұтұну қуатының практика жүзінде жоқтығы түсіндіріледі (нановаттарда өлшенеді).

Қуаттың едәуір пайдалануы жаңа ақпаратты жазу режимінде ғана болады, яғни триггердің ауысып-қосылу кезінде, және ол сұлбаның паразиттік сыйымдылығының қайта зарядталуымен түсіндіріледі. Бұл кезде терістегіштің pМДЖ- және nМДЖ-транзисторлары бірмезгілде ашық болады және олар арқылы едәуір үлкен ток ағады. Бірақ паразиттік сыйымдылықтардың қайта зарядталу және триггердің ауысып-қосылу процесстері (оң кері байланыстардың және ашық pМДЖ-транзисторлардың кедергілерінің салыстырмалы аздығының арқасында) жеткілікті түрде тез өтеді. Сондықтан КМДЖ-құрылымдарындағы ЖЭ-нің тұтыну қуатының жалпы периодтағы орта мәні, nМДЖ-транзисторларындағы ЖЭ-індегіден, едәуір аз болады. 

КМДЖ-құрылымдарындағы ЖЭ-не ақпаратты жазу және оқу процесстері дәл nМДЖ-транзисторларындағы ЖЭ-індегідей жүзеге асырылады. Мұнда статикалық ЕТЖҚ-ның АҮИС-да қолданылатын ЖЭ-інің сұлбаларының типіне байланыссыз, олардың кіріс және шығыс тізбектері ТТЛ элементтермен сигналдардың логикалық деңгейлері бойынша үйлесімді болып жасалады. Бұл жады АУИС-терін стандарттауға жағдай туғызып, олардың бірге қосылып қолдану мүмкіндігін қамтамасыз етеді

Айта кету керек, статикалық типті ЖЭ-тері ассоциативті ЖҚ(АЖҚ)-да да пайдаланылады, оларда ЖЭ, оның массивтегі орналасу мекені (адресі) бойынша емес, а ондағы сақталатын ақпарат бойынша ізделінеді. Ассоциативті АЖҚ-ның ЖЭ-нің (5.10-сурет) негізін, «іздеу» режимінде қалқалау және салыстыру логикалық операцияларын орындау үшін қызмет ететін, кейбір қосымша сұлбалармен толықтырылған статикалық триггер құрайды. Статикалық триггер, бұрынғыдай, ақпаратты сақтауды, сонымен бірге жазу және оқу режимдерін жүргізуді қамтамасыз етеді, яғни АЖҚ-ның ЖЭ-і сақтау, жазу және оқу режимдерінде, дәл статикалық ЕТЖҚ-ның ЖЭ-ті сияқты, жұмыс жасай алады. Мұнда Т5 және Т6  транзисторларының бекітпелері қосылған Шсөз сөздер шинасы ЖЭ-тер матрицасының жолын таңдау тізбегінің функциясын орындайды. Сондықтан керек болған жағдайда  АЖҚ-ны статикалық ЕТЖҚ есебінде пайдалануға болады.

Тек АЖҚ үшін тән, «іздеу» режимінде ЖЭ-нің орналасу орны ондағы сақталған ақпарт, және оның РТ0 және РТ1 разрядтық тізбектеріндегі (АЖҚ-ның ЖЭ-іне қатысты сыртқы болып есептелетін) ақпартқа сәйкестілігі, бойынша ізделінеді.

5.10-сурет. Ассоциативті АЖҚ-ның ЖЭ-інің сұлбасы

ЖЭ-ін іздеу оның ішіндегісін разрядтық тізбектегі, қосфазалы кодада көрсетілетін, ақпаратпен салыстыру арқылы жүзеге асырылады. Салыстыру операциясы Т7, Т8, Т9, Т10 және Т11 транзисторларда жүзеге асырылады, оған қоса Т7 және Т8 транзисторларының бекітпелері разрядтық тізбектерге, ал Т9- және Т10-ң бекітпелері, кілттік (Т1 және Т2) және жүктемелік (Т3 және Т4) транзисторларда орындалған, статикалық триггердің шығыстарына қосылады. Т11 транзистордың бекітпесі, «іздеу» режимінде жоғарғы деңгейлі кернеу берілетін, Шдәл дәл келу шинасына қосылады.

«Іздеу» режимінде Шсөз сөздер шинасына төмен деңгейлі кернеу беріледі, ол Т5 және Т6 транзисторлардың жабылуына және статикалық триггердің разрядтық шиналарынан электрлік үзіліске әкеледі.

Егер ЖЭ-ндегі(триггердегі) және разрядтық тізбектердегі ақпараттар бір-біріне дәл және “0”-ге сәйкес келсе, онда РТ1  разрядтық тізбекте жоғарғы деңгейлі кернеу, ал РТ0 разрядтық тізбекте төменгі деңгейлі кернеу болады. Бұл кезде Т2, Т8 және Т9 транзисторлары ашылады, ал  Т1, Т7 және Т10 транзисторлары жабылады. Ары қарай, егер Шдәл дәл келу шинасына жоғарғы деңгейлі кернеуді берсек, онда Т11 транзисторы ашылады. Бірақ Еқ қорек көзінен ток Шдәл дәл келу шинасына берілмейді, себебі бұл кезде Т7 және Т10 транзисторлар жабық болады.

АЖҚ-да әдетте разрядтылығы (информациялылығы) бірнеше биттік сөздер салыстырылады және салыстыру (сөзді іздеу) операциясы барлық разрядтарда біруақытта (параллелді) орындалады. Бұл кезде барлық разрядтардағы дәл тура келу сөз шинасындағы өте аз, ескермеуге (практика жүзінде жоқ деп есептеуге) болатын токқа әкеледі. Сонымен қатар, бұл токтың мәніменен дәл келмейтіндігінің дәрежесін, яғни дәл келмейтін биттердің санын бағалауға болады. Басқаша айтқанда, сөз шинасында токтың болу, ол ЖЭ-нің (триггердің) ішіндегісінің разрядтық тізбектердегі ақпаратқа дәл келмеуінің белгісі болып есептеледі.