ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة (EPROM)

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 10 صور
الموسوعة الحرة
ذاكرة EPROM: شريحة Texas Instruments TMS27C040، وهي شريحة CMOS بسعة تخزين 4 ميغابت ومخرج 8 بت (موضحة هنا في غلاف خزفي ثنائي الخطوط بسماكة 600 ميل). تعمل شريحة TMS27C040 بجهد 5 فولت، ولكن يجب برمجتها بجهد 13 فولت. [ 1 ]

ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة والمسح (EPROM ) (نادرًا ما تُكتب EROM ) ، هي نوع من رقائق ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة (PROM) التي تحتفظ ببياناتها حتى بعد فصل التيار الكهربائي عنها. تُسمى ذاكرة الحاسوب التي يمكنها استرجاع البيانات المخزنة بعد فصل التيار الكهربائي وإعادة تشغيله بالذاكرة غير المتطايرة . وهي عبارة عن مصفوفة من ترانزستورات البوابة العائمة، تتم برمجتها بشكل فردي بواسطة جهاز إلكتروني يُزوّدها بفولتيات أعلى من تلك المستخدمة عادةً في الدوائر الرقمية. بمجرد برمجتها، يمكن مسح ذاكرة EPROM بتعريضها لمصدر ضوء فوق بنفسجي قوي (مثل مصباح بخار الزئبق ). يسهل تمييز ذاكرة EPROM من خلال نافذة الكوارتز المنصهر الشفافة (أو الراتنج في الطرازات الأحدث) الموجودة أعلى غلافها، والتي تُتيح رؤية شريحة السيليكون ، وتسمح بتعريضها للأشعة فوق البنفسجية أثناء عملية المسح. [ 2 ] اخترعها دوف فروهمان عام 1971. [ 3 ]

عملية

ذاكرة قراءة فقط قابلة للمسح والبرمجة من نوع Intel 1702A، وهي من أوائل أنواع ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة (1971)، بسعة 256 × 8 بت. تسمح نافذة الكوارتز الصغيرة بمرور ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمسح البيانات.

بدأ تطوير خلية ذاكرة EPROM بدراسة الدوائر المتكاملة المعيبة حيث انقطعت وصلات بوابة الترانزستورات. وتؤدي الشحنة المخزنة على هذه البوابات المعزولة إلى تغيير جهد العتبة الخاص بها .

بعد اختراع ترانزستور MOSFET (ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة) على يد محمد عطا الله وداوون كانغ في مختبرات بيل ، والذي عُرض عام 1960، درس فرانك وانلاس هياكل ترانزستور MOSFET في أوائل الستينيات. وفي عام 1963، لاحظ انتقال الشحنة عبر طبقة الأكسيد إلى البوابة . ورغم أنه لم يتابع هذا الأمر، إلا أن هذه الفكرة أصبحت فيما بعد أساسًا لتقنية EPROM. [ 4 ]

في عام 1967، اقترح داوون كانغ وسيمون مين سزي في مختبرات بيل استخدام البوابة العائمة لترانزستور MOSFET كخلية في ذاكرة القراءة فقط القابلة لإعادة البرمجة ( ROM ). [ 3 ] وبناءً على هذا المفهوم، اخترع دوف فروهمان من شركة إنتل ذاكرة EPROM في عام 1971، [ 3 ] وحصل على براءة اختراع أمريكية رقم 3,660,819 في عام 1972. صمم فروهمان ذاكرة Intel 1702، وهي ذاكرة EPROM بسعة 2048 بت، والتي أعلنت عنها شركة إنتل في عام 1971. [ 3 ]

يتكون كل موقع تخزين في ذاكرة EPROM من ترانزستور واحد ذي تأثير حقلي . يتألف كل ترانزستور ذي تأثير حقلي من قناة في جسم أشباه الموصلات للجهاز. تُوصل نقاط التلامس بين المصدر والمصب بمناطق في نهاية القناة. تُنمى طبقة عازلة من الأكسيد فوق القناة، ثم يُرسب قطب بوابة موصل (من السيليكون أو الألومنيوم)، وتُرسب طبقة سميكة أخرى من الأكسيد فوق قطب البوابة. لا يحتوي قطب البوابة العائم على أي توصيلات بأجزاء أخرى من الدائرة المتكاملة، وهو معزول تمامًا بطبقات الأكسيد المحيطة به. يُرسب قطب بوابة تحكم، ويُغطى بطبقة أخرى من الأكسيد. [ 5 ]

لاسترجاع البيانات من ذاكرة EPROM، يتم فك تشفير العنوان المُمثَّل بالقيم الموجودة على دبابيس العنوان الخاصة بذاكرة EPROM، ويُستخدم هذا العنوان لتوصيل كلمة واحدة (عادةً بايت مكون من 8 بتات) من وحدة التخزين بمضخمات مُخزن الإخراج . كل بت من الكلمة يُمثل 1 أو 0، وذلك حسب حالة ترانزستور التخزين، سواء كان مُشغَّلاً أو مُطفأً، موصلاً أو غير موصل.

مقطع عرضي لترانزستور ذي بوابة عائمة

تُتحكم حالة تشغيل ترانزستور تأثير المجال بواسطة الجهد الكهربائي على بوابة التحكم الخاصة به. يؤدي وجود جهد على هذه البوابة إلى إنشاء قناة موصلة في الترانزستور، مما يُشغّله. في الواقع، تسمح الشحنة المخزنة على البوابة العائمة ببرمجة جهد العتبة للترانزستور.

يتطلب تخزين البيانات في الذاكرة تحديد عنوان معين وتطبيق جهد كهربائي أعلى على الترانزستورات. ينتج عن ذلك تفريغ الإلكترونات بشكل متسارع، حيث تمتلك هذه الإلكترونات طاقة كافية لاختراق طبقة الأكسيد العازلة والتراكم على قطب البوابة. عند إزالة الجهد العالي، تُحصر الإلكترونات على القطب. [ 6 ] نظرًا لقيمة العزل العالية لأكسيد السيليكون المحيط بالبوابة، لا يمكن للشحنة المخزنة أن تتسرب بسهولة، ويمكن الاحتفاظ بالبيانات لعقود.

عملية البرمجة غير قابلة للعكس كهربائيًا. لمسح البيانات المخزنة في مصفوفة الترانزستورات، يُسلط ضوء فوق بنفسجي على الشريحة . تُسبب فوتونات الأشعة فوق البنفسجية تأينًا داخل أكسيد السيليكون، مما يسمح بتفريغ الشحنة المخزنة على البوابة العائمة. وبما أن مصفوفة الذاكرة بأكملها مُعرَّضة للضوء، تُمسح جميع البيانات في آنٍ واحد. تستغرق هذه العملية عدة دقائق باستخدام مصابيح الأشعة فوق البنفسجية ذات الأحجام المناسبة؛ بينما يستغرق ضوء الشمس أسابيع لمسح الشريحة، والإضاءة الفلورية الداخلية عدة سنوات. [ 7 ] عمومًا، يجب إزالة ذاكرة EPROM من الجهاز المراد مسحها، لأنه من غير العملي عادةً دمج مصباح فوق بنفسجي لمسح الأجزاء داخل الدائرة. طُوِّرت ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة والمسح كهربائيًا (EEPROM) لتوفير وظيفة المسح الكهربائي، وقد حلت الآن محل الأجزاء التي تُمسح بالأشعة فوق البنفسجية في معظم الحالات.

تفاصيل

Atmel AT27C010 - ذاكرة قراءة فقط قابلة للبرمجة لمرة واحدة (OTP EPROM)

نظرًا لارتفاع تكلفة تصنيع نافذة الكوارتز، تم استحداث رقائق OTP (قابلة للبرمجة لمرة واحدة)؛ حيث تُثبّت الرقاقة في غلاف معتم بحيث لا يمكن مسحها بعد البرمجة، مما يُلغي الحاجة إلى اختبار وظيفة المسح، وبالتالي يُقلل التكلفة. تُصنّع نسخ OTP من كلٍّ من ذاكرة EPROM ووحدات التحكم الدقيقة القائمة على EPROM. مع ذلك، يتم استبدال ذاكرة EPROM من نوع OTP (سواء كانت منفصلة أو جزءًا من رقاقة أكبر) بشكل متزايد بذاكرة EEPROM للأحجام الصغيرة، حيث لا تُشكّل تكلفة الخلية عاملًا مهمًا، وبذاكرة الفلاش للأحجام الأكبر.

تحتفظ ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة (EPROM) ببياناتها لمدة لا تقل عن عشر إلى عشرين عامًا، [ 8 ] ويستمر العديد منها في الاحتفاظ بالبيانات حتى بعد 35 عامًا أو أكثر، ويمكن قراءتها عددًا غير محدود من المرات دون التأثير على عمرها الافتراضي. يجب تغطية نافذة المسح بملصق معتم لمنع المسح العرضي بواسطة الأشعة فوق البنفسجية الموجودة في ضوء الشمس أو وميض الكاميرا. غالبًا ما كانت رقائق BIOS لأجهزة الكمبيوتر القديمة من نوع EPROM، وكانت نافذة المسح تُغطى عادةً بملصق لاصق يحتوي على اسم ناشر BIOS، وإصدار BIOS ، وإشعار حقوق النشر. في كثير من الأحيان، كان هذا الملصق مدعومًا برقائق معدنية لضمان عدم تعرضه للأشعة فوق البنفسجية.

يبدأ مسح ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا (EPROM) عند أطوال موجية أقصر من 400 نانومتر . وقد يؤدي التعرض لأشعة الشمس لمدة أسبوع أو إضاءة الغرفة الفلورية لمدة ثلاث سنوات إلى مسحها. الإجراء الموصى به للمسح هو التعرض للأشعة فوق البنفسجية بطول موجي 253.7  نانومتر وبكثافة لا تقل عن 15 واط/سم² ، ويستغرق ذلك عادةً من 20 إلى 30 دقيقة مع وضع المصباح على مسافة حوالي 2.5  سم. [ 9 ]

يمكن أيضًا إجراء عملية المحو باستخدام الأشعة السينية :

مع ذلك، يجب إجراء عملية المسح بطرق غير كهربائية، نظرًا لعدم إمكانية الوصول إلى قطب البوابة كهربائيًا. يؤدي تسليط ضوء فوق بنفسجي على أي جزء من جهاز غير مُغلّف إلى تدفق تيار ضوئي من البوابة العائمة عائدًا إلى ركيزة السيليكون، مما يُفرغ البوابة إلى حالتها الأولية غير المشحونة ( التأثير الكهروضوئي ). تتيح هذه الطريقة في المسح إجراء اختبار كامل وتصحيح شامل لمصفوفة ذاكرة معقدة قبل إغلاق العبوة نهائيًا. بعد إغلاق العبوة ، لا يزال من الممكن مسح المعلومات بتعريضها لأشعة سينية تزيد جرعتها عن 5 × 10⁴ راد ، وهي جرعة يُمكن الحصول عليها بسهولة باستخدام مولدات الأشعة السينية التجارية .

بمعنى آخر، لمسح ذاكرة EPROM، كان يجب أولاً تصويرها بالأشعة السينية ثم وضعها في فرن عند درجة حرارة 600 درجة مئوية تقريبًا (لإصلاح التغيرات التي طرأت على أشباه الموصلات بفعل الأشعة السينية). كانت آثار هذه العملية على موثوقية القطعة ستتطلب اختبارات مكثفة، لذا تم اختيار استخدام النافذة بدلاً من ذلك. [ 11 ]

تتمتع ذاكرة EPROM بعدد محدود ولكنه كبير من دورات المسح؛ ويتراكم ثاني أكسيد السيليكون حول البوابات مسببًا تلفًا مع كل دورة، مما يجعل الشريحة غير موثوقة بعد عدة آلاف من الدورات. وتُعد برمجة ذاكرة EPROM بطيئة مقارنةً بأنواع الذاكرة الأخرى. ولأن الأجزاء ذات الكثافة العالية تحتوي على كمية قليلة من الأكسيد المكشوف بين طبقات التوصيلات البينية والبوابات، يصبح المسح بالأشعة فوق البنفسجية أقل جدوى للذواكر ذات الأحجام الكبيرة جدًا. حتى أن الغبار الموجود داخل الغلاف قد يمنع مسح بعض الخلايا. [ 12 ]

طلب

بالنسبة للكميات الكبيرة من القطع (آلاف القطع أو أكثر)، تُعدّ ذاكرة القراءة فقط (ROM) المبرمجة باستخدام القناع أقل الأجهزة تكلفةً للإنتاج. مع ذلك، يتطلب تصنيعها عدة أسابيع من الوقت، إذ يجب تعديل التصميم أو الرسم الفني في طبقة قناع الدائرة المتكاملة أو القناع الضوئي لتخزين البيانات على ذاكرة القراءة فقط. في البداية، كان يُعتقد أن ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا (EPROM) ستكون باهظة الثمن للاستخدام في الإنتاج الضخم، وأنها ستقتصر على التطوير فقط. لكن سرعان ما تبيّن أن إنتاج كميات صغيرة منها اقتصادي، لا سيما عند الأخذ في الاعتبار ميزة التحديثات السريعة للبرامج الثابتة.

تستخدم بعض المتحكمات الدقيقة ، التي تعود إلى ما قبل عصر ذاكرة EEPROM وذاكرة الفلاش ، ذاكرة EPROM مدمجة لتخزين برامجها. تشمل هذه المتحكمات بعض إصدارات Intel 8048 و Freescale 68HC11 وإصدارات "C" من متحكم PIC . وكما هو الحال مع رقائق EPROM، توفرت هذه المتحكمات بإصدارات ذات نافذة (باهظة الثمن) تُستخدم لتصحيح الأخطاء وتطوير البرامج. كما توفرت نفس الرقاقة في عبوات OTP معتمة (أرخص ثمناً) للإنتاج. ويمكن أن يؤدي تعريض رقاقة كهذه للضوء إلى تغيير سلوكها بطرق غير متوقعة عند الانتقال من جزء ذي نافذة يُستخدم للتطوير إلى جزء بدون نافذة للإنتاج.

أجيال وأحجام وأنواع ذاكرة EPROM

صُنعت أجهزة الجيل الأول 1702 بتقنية p-MOS . وكانت تعمل بجهد VCC = VBB = +5  فولت و VDD = VGG = -9  فولت في وضع القراءة، وبجهد VDD = VGG = -47  فولت في وضع البرمجة. [ 13 ] [ 14 ]

انتقلت أجهزة الجيل الثاني 2704 / 2708 إلى تقنية n-MOS وإلى مصدر طاقة ثلاثي المسارات V CC = +5  V، V BB = -5  V، V DD = +12 V مع V PP = 12 V ونبضة +25 V في وضع البرمجة.   

تم تطوير أجهزة الجيل الثالث 2716/2732 إلى تقنية n-MOS متطورة تتطلب فقط مصدر طاقة أحادي المسار VCC = +5  فولت لعمليات القراءة، وجهد برمجة واحد VPP = +25  فولت [ 15 ] بدون نبضات. أُعيد استخدام طرفي VBB و VDD غير الضروريين لبتات عناوين إضافية، مما أتاح سعات أكبر (2716/2732) في نفس الحزمة ذات 24 طرفًا، بل وسعات أكبر مع حزم أكبر. لاحقًا، سمح انخفاض تكلفة تقنية CMOS بتصنيع نفس الأجهزة باستخدامها، مع إضافة الحرف "C" إلى أرقام الأجهزة (27xx(x) هي n-MOS و27Cxx(x) هي CMOS).

بينما كان قطاع صناعة الرقائق الإلكترونية يتجه نحو توحيد تصميم وبنية دبابيس ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا (EPROM) من سلسلة 27xx، طرحت شركة تكساس إنسترومنتس (TI) أنواعًا قليلة تُعتبر الآن غير قياسية. فبينما كان TMS2716 جهازًا ثلاثي المسارات كسابقه، كان TMS2516 ذاكرة EPROM أحادية المسار بجهد +5 فولت، مثل 2716 التي قدمتها شركات تصنيع الرقائق الأخرى. ثم أصدرت TI جهازي TMS2532 وTMS2564، وكلاهما أحادي المسار بجهد +5 فولت، لكن بتصميم دبابيس غير متوافق مع 2732 و2764.

على الرغم من توافق أجزاء من نفس الحجم من مختلف المصنّعين في وضع القراءة، إلا أن كل مصنّع أضاف أوضاع برمجة مختلفة، وأحيانًا متعددة، مما أدى إلى اختلافات طفيفة في عملية البرمجة. دفع هذا الأمر الأجهزة ذات السعة الأكبر إلى تقديم "وضع التوقيع"، الذي يسمح لمبرمج ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا (EPROM) بتحديد المصنّع والجهاز. تم تنفيذه عن طريق تطبيق جهد +12  فولت على الطرف A9 وقراءة بايتين من البيانات. مع ذلك، ولأن هذا لم يكن عالميًا، فقد سمح برنامج المبرمج أيضًا بالضبط اليدوي للمصنّع ونوع الجهاز لضمان البرمجة الصحيحة. [ 16 ]

نوع EPROMسنةالحجم — بتالحجم — بايتالطول ( سداسي عشري )العنوان الأخير (بالنظام الست عشري )تكنولوجيا
1702، 1702أ19712 كيلوبت256100FFPMOS
270419754 كيلوبت5122001FFمرض التهاب النخاع والعصب البصري
S68344 كيلوبت5122001FFPMOS
IM66544 كيلوبت5122001FFCMOS
270819758 كيلوبت1 كيلوبايت4003FFمرض التهاب النخاع والعصب البصري
2716، 27C16، TMS2716، 2516197716 كيلوبت2 كيلوبايت8007FFNMOS/CMOS
2732، 27C32، 2532197932 كيلوبت4 كيلوبايت1000FFFNMOS/CMOS
2764، 27C64، 256464 كيلوبت8 كيلوبايت20001FFFNMOS/CMOS
27128، 27C128128 كيلوبت16 كيلوبايت40003FFFNMOS/CMOS
27256، 27C256256 كيلوبت32 كيلوبايت80007FFFNMOS/CMOS
27512، 27C512512 كيلوبت64 كيلوبايت10000FFFFNMOS/CMOS
27C010، 27C1001 ميجابت128 كيلوبايت200001FFFFCMOS
27C0202 ميجابت256 كيلوبايت400003FFFFCMOS
27C040، 27C400، 27C40014 ميجابت512 كيلوبايت800007FFFFCMOS
27C0808 ميجابت1 ميجابايت100000FFFFFCMOS
27C16016 ميجابت2 ميجابايت2000001FFFFFCMOS
27C320، 27C32232 ميجابت4 ميجابايت4000003FFFFFCMOS
ذاكرة EEPROM سعة 8 كيلوبت
K573RF1
ذاكرة EPROM سعة 8 كيلوبت - تفاصيل 4 بتات

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ 500 جول / كجم

مراجع

  1. ↑ شركة تكساس إنسترومنتس (1997)، TMS27C040 ذاكرة قابلة للمسح بالأشعة فوق البنفسجية بسعة 524,288 × 8 بت، TMS27PC040 ذاكرة قابلة للبرمجة للقراءة فقط بسعة 524,288 × 8 بت
  2. ↑ "تاريخ وحدة المعالجة المركزية - ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائياً" . www.cpushack.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12-05-2021 .
  3. 1 2 3 4 "1971: تقديم ذاكرة القراءة فقط (ROM) لأشباه الموصلات القابلة لإعادة الاستخدام" . متحف تاريخ الحاسوب . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 يونيو 2019 .
  4. ↑ "الأشخاص" . محرك السيليكون . متحف تاريخ الحاسوب . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أغسطس 2019 .
  5. ↑ ساه 1991 ، ص 639.
  6. ^ أوكلوبدزيا، فوجين ج. (2008). التصميم والتصنيع الرقمي . الصحافة اتفاقية حقوق الطفل. ص 5 – 17. رقم ISBN  978-0-8493-8602-2.
  7. ↑ آيرز، جون إي (2004)، الدوائر المتكاملة الرقمية: التحليل والتصميم ، مطبعة سي آر سي، ص 591، رقم ISBN  0-8493-1951-X.
  8. ↑ هورويتز، بول ؛ هيل، وينفيلد (1989)، فن الإلكترونيات ( الطبعة الثانية)، كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج، ص 817 ، ISBN   0-521-37095-7.
  9. ↑ "ورقة بيانات M27C512" (ملف PDF) . مؤرشفة (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2018-09-06 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2018-10-07 .
  10. ↑ فروهمان، دوف (10 مايو 1971)، مجلة الإلكترونيات (مقال).
  11. ↑ مارغولين، ج (8 مايو 2009). "EPROM" ..
  12. ↑ ساه 1991 ، ص 640.
  13. ↑ "Intel 1702A 2K (256 x 8) UV Erasable PROM" (PDF) .
  14. ↑ "ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة AMD Am1702A بسعة 256 كلمة و8 بت" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 19 يناير 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 يناير 2018 .
  15. ↑ "ذاكرة قراءة فقط قابلة للمسح بالأشعة فوق البنفسجية بسعة 16 كيلوبايت (2 كيلوبايت × 8)" (ملف PDF) . amigan.yatho.com . إنتل. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 13 سبتمبر 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 أبريل 2020 .
  16. ↑ لجنة التجارة الدولية الأمريكية، محررة (أكتوبر 1998). أجهزة أشباه موصلات معينة من نوع EPROM وEEPROM وذاكرة الفلاش ووحدات التحكم الدقيقة الفلاشية، والمنتجات التي تحتوي عليها، رقم التحقيق 337-TA-395 . دار نشر ديان. الصفحات 51-72 . ISBN  1-4289-5721-9.تفاصيل طريقة التوقيع السيليكوني من SEEQ لقراءة مبرمج الجهاز لمعرف EPROM.

فهرس

  • ساه، تشيه-تانغ (1991)، أساسيات إلكترونيات الحالة الصلبة ، وورلد ساينتيفيك، ISBN 981-02-0637-2.