Les mémoires ROM, PROM et REPROM

 

 

Les mémoires PROM manuelles (Matrice à diodes)

Elles ont été précédées par des systèmes électromécaniques que l'on pouvait trouver notamment sur des faces avant d'appareil de mesure. Elles permettaient de changer manuellement la configuration de l'appareil. En insérant des fiches à diode ou a résistance suivant un plan fourni avec l'appareil.

Les mémoires ROM

Les mémoires ROM (Read-Only Memory) ou mémoire à lecture seule sont conçues avec un contenu non modifiable. Un circuit intégré n'est rentable que dans la mesure ou on en fabrique une grande quantité, le marché est donc limité à un usage général , ce sera par exemple le codage d'un clavier numérique en binaire.

Exemple de codage d'un clavier numérique à l'aide d'une mémoire ROM

Les mémoires PROM

Les mémoires PROM (Read-Only Memory Programmables) ont donné la possibilité d'utiliser une mémoire ROM même pour des systèmes réalisés en petite quantité.
Le principe consiste en une structure matricielle comme ci dessus avec à chaque intersection ligne colonne une diode en série avec un fusible, dans ce cas la programmation consiste à éliminer les diodes superflues en claquant le fusible qui leur est attaché. Une seconde technique met en jeu un élément pouvant être mis en court-circuit tel qu'une diode montée en inverse. La programmation consiste à claquer la diode D1 (schéma ci-dessous)  qui est conçue pour se mettre en court-circuit lors d'un claquage par tension inverse et ainsi mettre en service la diode D2. Dans un cas comme dans l'autre, le fabricant dans ses spécifications (data sheet) précisait les caractéristiques de l'impulsion à appliquer sur l'entrée d'écriture après avoir positionner les entrées d'adresse correspondant au bit ou à l'octet à programmer.

Dans les années 70, la réalisation d'une carte incluant un microprocesseur nécessitait de concevoir le programme sur un poste autonome.  L'écriture se faisait en assembleur , le logiciel d'assemblage transformait le fichier en codes machine, ce code était introduit dans une mémoire PROM à l'aide d'un programmateur, puis cette mémoire était placée sur son socle disposé sur la carte et on pouvait procéder aux essais. Si le programme ne répondait pas à notre attente, il fallait le modifier puis "claquer" une nouvelle PROM et ainsi de suite. Seule la PROM finale était conservée, les autres étaient jetées ce qui augmentait le coût de l'étude. A cette époque le prix des composants n'avaient rien de commun avec les prix actuels (facteur de 10 à 100). Il était donc important de concevoir des mémoires programmables et reprogrammables.

Les mémoires REPROM

LES UVPROM

Elles ont été inventées en 1971, brevetées en 1972 par un ingénieur israëlien d'Intel Dov Frohman (photo de droite empruntée à Wikipédia). Les mémoires REPROM (Mémoire ROM Programmable et Reprogrammable) mettent en jeu des transistors MOS à grille isolée. La grille du transistor est noyée dans de l'oxyde de silicium SiO2 sans raccordement électrique. On pourra rendre le transistor passant en faisant migrer des électrons sur cette grille par effet tunnel. Le transistor rendu passant peut se conserver dans cet état pendant des temps très longs, plusieurs années.
    Pour rendre le transistor à l'état initial (bloqué) il faut apporter de l'énergie aux électrons prisonniers de la grille. L'oxyde de silicium, SiO2, de la silice, est transparent, il est donc possible de fournir de l'énergie à l'aide de photon mais, cependant, il ne faut pas que la lumière du jour puisse effacer la mémoire.
    L'énergie contenue dans un photon est donnée par la formule E = hFh est la constante de Planck et F la fréquence de l'onde associée au photon. On sait que F = 1 / λ où  λ est la longueur d'onde , on voit que plus λ est petit plus la fréquence est élevée et plus l'énergie est importante. La mémoire a donc été conçue de telle sorte que l'énergie des photons nécessaires à sont effacement se situe dans l'Ultra violet (le début de l'effacement commence à   λ  = 400nm , ce qui est le début du spectre visible, (voir la fiche éclairage) mais une longueur d'onde de 253,7nm est conseillée). Une petite fenêtre en Quartz est ménagée dans le boitier permet d'exposer la puce au rayonnement ultra violet.

La programmation de ces mémoires nécessite des tensions supérieures aux tensions d'utilisation, un poste de programmation lié au système de développement est donc nécessaire.
   Des petits appareils autonomes contenant une source d'ultra violet permettent d'effacer la mémoire. On plaçe celle-ci sur une mousse anti statique dans un petit tiroir que l'on introduit ensuite dans l'appareil.
   Le premier effacement prend quelques minutes (de l'ordre de 20mn) mais après plusieurs opérations d'écriture et d'effacement, la mémoire "durcit", le temps d'effacement devient de plus en plus long, jusqu'à ce que l'effacement devienne impossible.
   L'arrivée de cette mémoire, qu'on appellera plus tard UVPROM fut un grand progrès. Cependant l'emploi de cette mémoire nécessitait encore de l' implanter sur un support ce qui est une source de problèmes (mauvais contacts, tenue aux vibrations incertaine, positionnement de la mémoire manuellement avec les risques dus à l'électricité statique etc ), la programmation et l'effacement se faisant à l'aide d'appareils liés aux systèmes de développement. L'effacement était bien entendu général aussi une modification du contenu de la mémoire, même minime, nécessitait d'extraire la mémoire de la carte sur laquelle elle était implantée de la placer dans l'appareil à UV, l'effacer dans sa totalité puis de la programmer avec son nouveau contenu.

Les premières EPROM commercialisées par Intel telles que la 1702 qui permettait de stocker 256 octets (2048 bits) avait des temps d'accès de 500 à 1000 ns, nécessitait en dehors de la programmation deux tensions d'alimentation 5 V et -9V et pour la programmation un tension de -35V et des pulses de -48V d'une durée de 3ms. Ces conditions d'utilisation les rendaient peu attrayantes.
L'arrivée de la 2716 et de la  2732 a constitué le véritable démarrage des EPROM. de capacité de 2 et 4 kilo-octets et temps d'accès de 200ns, en mode lecture une tension unique de 5V était nécessaire et des impulsions de programmation de 21V.  (Photo de droite détail de la fenêtre de la 1702 , photo Wikipédia)

LES EAROM  (Electriquement Altérable ROM) et EEPROM (Electricaly Erasable PROM)

L'évolution des technologies ont permis d'obtenir des couches d'oxyde d'une pureté de plus en plus grande et donc de réaliser des isolements à l'aide de couches d'oxyde plus fines. Il devenait possible de fournir une énergie d'effacement à l'aide de champs électriques .

De 1969 - 73 Eli Harari à l'Université de Princetone travaille sur les films minces de SiO2 (oxyde de silicium) et l'effet tunnel dans ces couches.
Sortit de l'Université il travaille de 1973 à 1979 chez Hughes Aircraft  où il réalise la première EEPROM  utilisable en 1978
Intel dépose son premier brevet sur les EEPROM en 1972 et sort la première EEPROM en 1978.

La grille est en silicium polycristallin noyée dans de l'oxyde de silicium d'une épaisseur de 70 à 100 Å

En 1982 Harari rejoint Intel où il devient responsable du groupe chargé des mémoires non volatiles

En 1988 Harari fonde la société Sandisk qui va devenir un des leaders dans les mémoires flash et notamment les cartes SD, Compact flash, Memory Stick

Les Mémoires FLASH

Fujio Masuoka  (photo de gauche) né au Japon en 1943 est titulaire d'un doctorat de Génie Electrique de l'université de Tohoku
En 1971 date à laquelle il a quitté l'université, il travaille comme chercheur chez Toshiba
Il est stimulé par le brevet d'Intel sur la mémoire EEPROM en 1972. Il dépose un premier brevet en 1972 qui sera accepté en 1975 (US3868187) sur une mémoire effaçable électriquement. Il ne s'agit pas encore de mémoire Flash mais plutôt d'EEPROM
Un premier brevet a été déposé en 1980 qui préfigure la mémoire a effacement électrique. En 1984 il dépose un brevet sur la Nor Flash et en  1987 il brevète la Nand flash
En 1989 il présente un embryon de "disque" de 4 Mbits à l'ISSCC de New York . Pour développer de façon industrielle cette invention, l'investissement était évalué à 70 milliards de Yens ( actuellement 530 millions€), devant la possibilité de création d'un appareil de  photographie numérique, c'est la division grand public de Toshiba qui va financer la suite des recherches.

Cependant Toshiba fut long à prendre cette décision et finalement vend cette technique à Intel ( la 27F256, mémoire flash de 256Ko sort en 1988) Résultat, Intel devient le principal fabricant de Flash ( en 2002, Intel prend 27% du marché  et 11% pour Toshiba ). En 2001,  le marché de ce type de mémoire s'est élevé à 76 milliards de dollars.

Masuoka  n'eut pas grands remerciements de la part de son employeur et de poste en poste se retrouva dans ce qu'on pourrait appeler un placard. Son parcours ressemble à celui de l'inventeur de la LED bleue Shuji Nakamura qui permettra de réaliser la LED blanche et qui se vit attribuer 147$ de sa société. La reconnaissance des sociétés japonaises pour leurs chercheurs semble être vraiment particulière . Nakamura  s'est vu attribuer le prix Nobel également
Ces deux inventions la mémoire flash et la LED blanche sont d'une très grande importance et bouleversent le monde de l'électricité en général.
En 1994 Masuoka rejoint l'université de Tuhoku.
En 2007 il est décoré par l'empereur du Japon Akihito de la médaille pourpre

La mémoire flash est en passe de supplanter les disques durs des ordinateurs, en 2014 l'équipement d'un ordinateur en mémoire flash de 1To en lieu et place du disque dur est passé en dessous de 500€, une clé USB de 8Go coute moins de 10€

 

Numéro de la Fiche 123
Dernière mise à jour 24-11-2015