DE1955364C3

DE1955364C3 - Dreidimensionales Speichersystem

Info

Publication number: DE1955364C3
Application number: DE1955364A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. Dr. Kroy; Siegmund Dipl.-Phys. Manhart; Walter Dipl.-Ing. Mehnert
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1969-11-04
Filing date: 1969-11-04
Publication date: 1976-01-08
Also published as: FR2073324A1; DE1955364A1; GB1313357A; DE1955364B2; FR2073324B1; US3693169A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein dreidimensionales System zur Speicherung großer Informationsmengen, wobei dessen Speicherplätze wahlfrei zugreifbar sind.

Bei den bisher bekannten Datenspeichern mit wahlfreiem Zugriff, die elektrische Leitungsbahnen zur Datenselektion verwenden — im Gegensatz zu optischen Speichern — werden zur Reduktion der äußeren Anschlüsse geeignete, meist matrizenartige Verdrahtungssysteme verwendet. Bekannte verdrahtete Speichersysteme mit wahlfreiem Zugriff sind Magnetspeicher, wie Ferritkern-, Draht- oder Magnet-Dünnfilm-Speicher und elektronische Speicher- wie beispielsweise Dioden-, Bipolar- oder elektronische Dünnfilmspeicher. Kennzeichnend für alle bekannten MatrÄzenanordnungen ist die eindimensionale Leiteretrokjw; S° w"^ beispielsweise htm Ferritkernspeicher jeder einzelnen Zeile und jeder einzelnen Spalte der Matrix je ein Leitungsdraht jtqgeordnet. Die Speicherplatzselektion erfolgt durch 4ie gleichzeitige Änwahl eines Spaltendrahts. E» weiterer Leitungsdraht, der durch alle Ferritkerne der Matrix läuft, liefert das gefragte Spsichersignal, bildet also den Lesedraht Eine dreidimensionale Anordnung aber wird dadurch erreicht, daß mehrere zweidimensionaje Matrizen hintereinander angeordnet und die entsprechenden Zeilen und Spalten der Matrizen miteinander verbunden werden; und außerdem eine zusätzliche Leitung pro Ebene —- die sogenannte »Inhibit«-Leitung« — die Einzelspeicherplatzselektion ermöglicht. Im wesentlichen wird also die Verdrahtung des Speichers durch viele einzelne Leiterstücke gebildet, deren Kennzeichen ihre lineare Struktur ist, d. h., jede Leiterbahn besitzt genau einen Anfang und ein Ende. Topologisch lassen sich solche bekannten dreidimensionalen Gebilde genau se« gut zweidimensional darstellen, d. h, ein derartiger drei· dimensional Speicher stellt im wesentlichen nur einen »gefalteten« zweidimensionalen Speicher dar. Diese Ausführung für den Ferritkernspeicher gilt entsprechend für die Verdrahtungssysteme der übrigen vorerwähnten bekannten Speichersysteme mit wahltreiem Zugriff, wie sie beispielsweise im »Journal of Applied Physics«, Vol. 22, Nr. 1, Januar 1951, S. 44 bis 48; in »Electronics«, April 1953, S, 146 bis 149, und »Proceedings of the Eastern Joint Computer Conference«, 1953, S. 37 bis 42, veröffentlicht sind.

Bei diesen Verdrahtungssystemen ist die Anzahl der extern anzuschließenden Leitungen proportional

yH bei einer kubischen Anordnung. Auf Grund dieses äußeren Verdrahtungsaufwandes werden heute derartige Speicher nur bis 10* Bits pro Speichereinheit hergestellt. Massenspeicher mit 10⁷ oder mehr Bits dagegen werden heute nur in Speichereinheiten ohne wahlfreien Zugriff realisiert. Allerdings würden die heute in Dick- oder Dünnfilmtechnik herstellbaren Multilayerschichten zwar eine der Erfindung in etwa entsprechenden Speicherplatzanzahl mit wahlfreiem Zugriff zulassen, die äußere Verdrahtung dieser Elemente aber würde enorme Probleme aufwerfen.

So besteht beim zweidimensionalen Aufbau neben zu ausgedehnten räumlichen Dimensionen auch die Gefahr einer Zunahme der Störanfälligkeit infolge langer paralleler Leitungsführung (Antennenwirkung). Echt dreidimensionale Speicherstrukturen mit linearen Leitungsführungen (X-, Y-, Z-Leitungen) sind kompliziert herzustellen. Beim Stand der Technik bestehen derartige dreidimensionale Systeme aus mehreren zweidimensionalen Systemen (A'-, Y-Matrizen), bei denen alle entsprechenden X- und Y-Leitungen äußerlich verknüpft werden müssen und wo alle Elemente jeder Matrix eine zusätzliche Leitung (Z- oder Inhibit-Leitung) zugeführt bekommen müssen, damit ein einzelner Speicherplatz selektiert werden kann. Abgesehen von der nun nötigen Dreifachkoinzidenz, die für die Ansteuerung eines Elementes erforderlich ist, stellt diese Art des Aufbaus bei hohen Speicherplatzzahlen ein kaum lösbares technisches Problem dar. Vergegenwärtigt man sich nämlich, daß die Ausfallraten bei der Speicher-

3 4

herstellung in erster Linie durch die äußere Ver- Die erfindungsgemäSe Anordnung reduziert für

drahtung (manuelles oder maschinelles Verlöten, eine große Speichereinheit die Zahl der äußeren

Ultraschall- oder Thermokompressionsbonden) der Anschlußstellen, erbringt daher eine beträchtliche

Anschlüsse verursacht werden, so erkennt man, daß Verringerung des Verdrahtungsaufwandes und führt

eine Steigerung der Speicherplatzzahle:* technologisch 5 zu einer wesentlichen Vereinfachung des gesamten

an Grenzen stößt. Systems. Vor allem aber läßt sich das gesamte

Weiterhin ist zu beachten, dr?Q bei den Anord- Speichersystem in einer einzigen Technologie, näm-

nungen nach dem Stand der Technik eine Dreifach- Hch der Hochvakuumaufdampftechnik herstellen,

koinzidenz bei dem angewählten Element erforderlich Die Erfindung ist nachfolgend an einem Ausfüh-

ist, um ein einzelnes Element selektieren zu I önnen, io rungsbeispiel beschrieben und gezeichnet.

z. B. bein« Ferritkernspeicher eine x-, eine y-Aus- Es zeigt

wahlleitung und eine z-Inhibit-Leitung, die gleich- F i g. 1 einen schematischen Aufbau einer zweizeitig stromdurchflossen sein müssen. Viele der be- dimensionalen Speicheranordnung,
kannten Speicherelemente müssen aber durch zwei F i g. 2 einen schematischen Aufbau eines Aus-Anschlußleitungen angewählt werden wie beispiels- 15 schnittes der erfindungsgemäßen Speicheranordnung weise Diodenspeicher oder amorphe Dünnfilmspeicher in perspektivischer Darstellung,
mit schaltbarem Widerstandswert. Fig. 3 einen schematischen Aufbau in perspek-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die tivischer Darstellung der Erfindung mit den matrixvorbeschriebenen Nachteile zu beseitigen und ein fönnig angeordneten Anwahlleitungen.
dreidimensionales Speichersystem zu schaffen, das 20 Das erfindungsgemäße Speichersystem besteht aus bei hohen Speicherplatzzahlen eine geringere Zahl einer großen Zahl dicht benachbarter, vorzugsweise äußerer Anschlüsse erfordert und das jeden Speicher- in Dünnfilm-, Dickfilm- oder Multilayertechnik herplatz im dreidimensionalen Raum durch zwei Lei- gestellten Leitungsbahnen, bei denen die leitende tungen anzuwählen gestattet, wobei die dem heutigen Verknüpfung der Leitungsbahnen zur dreidimensio-Stand der Technik entsprechenden räumlichen 25 nalen Leiterstruktur bereits im Herstellungsprozeß Dimensionen, die Störsicherheit oder die Schnellig- vorgenommen wird. Das erfindungsgemäße Speicherkeit des Speichers prinzipiell nicht verschlechtert system besteht also aus dicht benachbarter aufgewerden. dampfter Leitungsbahnsysteme X_kh Y_kt, Z_kl bzw.

Diese Aufgabe findet ihre Lösung darin, daß in X_mn, Y_mn, Z_mn bzw. X_jv, Y_iv, Z_iv, die in vielen

drei Raumrichtungen Leiterbahnen angeordnet sind, 3° Schichten übereinander gelagert sind. Zwischen den

von denen jeweils drei aufeinander senkrecht stehende Kreuzungspunkten 13, 25 usw. der verschiedenen

Leiterbahnen miteinander zu einem System leitend Leitungsbahnsysteme X_kh Y_kh Z_kl usw. befindet sich

verbunden sind und dieses Leiterbahnsystem so an- das Speicherelement, das ebenfalls vorzugsweise in

geordnet ist, daß es mit jedem anderen Leiterbahn- Aufdampftechnik hergestellt ist. Es gibt eine große

system an mindestens einer Stelle einen Überkreu- 35 Zahl physikalischer Phänomene, die als Übergang

zungspunkt bildet, welcher jeweils den Speicherplatz zwischen zwei Leitern zur Informationsspeicherung

darstellt und daß die Leiterbahnsysteme durch mit verwendet werden können. Für das erfindungsgemäße

den Leiterbahnsystemen integrierte Zwischenmatrizen dreidimensionale Speichersystem eignen sich fast alle

ansteuerbar sind. aktiven und passiven elektrischen Zweipole, die zu

In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß 4° einer bistabilen Schaltung verwendbar sind,

jeweils alle Leiterbahnsysteme, die an einer der Prinzipiell kann in einer zweidimensionalen und in

Außenseiten des Gesamtsystems in einer gemein- einer dreidimensionalen Anordnung jede Leiterbahn

samen Spalte enden und alle Leiterbahnsysteme, die X_x, X₁, ..., X_n, Y₁, Y₂, ..., Y_n usw. mit jeder an-

in einer gemeinsamen Reihe enden, jeweils eine ein- deren überkreuzt werden, wie das in Fig. 1 für den

zige gemeinsame Ansteuerleitung besitzen und jeweils 45 Fall der zweidimensionalen Anordnung veranschau-

zwei dieser zueinander senkrecht stehenden Ansteuer- licht ist. Die Λ',- bis ^„-Leiterbahnen liegen in einer

leitungen miteinander ein elektronisches Gatter bil- höheren Ebene als die V₁- bis Y_n-Leiterbahnen.

den, welches zwischen den Leiterbahnenden und dem Hierbei sind die X₁- und Y₁- Leiterbahnen an der

Speichersystem einen Schalter bildet. Stelle 11 leitend verbunden, die X₂- und die Y,-Lei-

Es ist also zwischen jedem der Leiterbahnenden 5° terbahnen sind an der Stelle 22 verbunden usw. und den Speicherplätzen ein elektronisches Gatter Die Speicherplätze befinden sich an den Überkrcuangeordnet, das durch die gleichzeitige Ansteuerung zungsstellen der Leiterbahnen X mit den Leiterzweier Anschlüsse auf- und zugeschaltet werden bahnen Y, wenn / φ k ist, so z. B. der Speicherplatz kann, so wie dies z. B. bei einem Doppelgate- 25 an der Überkreuzung von X_n mit Y₂. Bei Anwahl Feldeffekt-Transistor der Fall ist. Die beiden Gatter- 55 zweier verschiedener Leiterbahnen z. B. X₂ mit A₅ anschlußdrähte werden senkrecht zueinander ange- mit verschiedenen Spannungen kann man Auskunft ordnet, wodurch sich die Gatteransteuerung jeder der über die gespeicherte Information auf dem Speicherbeiden Anwahlebenen durch eine Matrix aus 2 j/7 platz 25 erhalten. Auf diesem Prinzip können alle Leitungen erreichen läßt. Speicherplätze durch Variation zweier angewählter

Außerdem sieht eine Ausführungsform der Erfin- ^6o Leiterbahnen X_t und X_k mit ι φ k erreicht werden, dung vor, daß alle Enden der Leiterbahnen einer Um Fehlinformationen über den Umweg anderer Ebene auf einem konstanten Potential liegen und die Speicherplätze zu vermeiden, z. B. von Leitung X₂ Leiterbahnenden der anderen Ebene ebenfalls auf zu Leitung X₁. über die Speicher 24, 14 und 15 muß einem konstanten Potential liegen, welches jedoch jeder Speicherübergang eine Übergangsschicht begegenüber dem ersten Potential einen unterschied- 65 sitzen, welche in jedem Fall in einer Richtung sperrt, liehen Wert besitzt, und daß die elektronischen Die Information wird auf das Speicherelement geGatter als Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren aus- bracht, in dem man die andere Ubergangsrichtung eebildet sind. hochohmig oder niederohmig macht.

Dieses Prinzip der sich überkreuzenden Leiterbahnen eignet sich vor allem für dreidimensionale Speichersysteme nach der Erfindung.

Jedes Leiterbahnsystem besteht dann aus drei miteinander kontaktierten Leiterbahnen X_u, Y_kl und Z_kl (F i g. 2). Auch hier kann jedes Leiterbahnsystem mit jedem anderen eine Überkreuzungsstelle 100 besitzen, die dann den Speicherplatz darstellt.

Die Forderungen an die Speicherübergänge sind dabei dieselben wie die oben beim zweidimensionalen Fall geschilderten. Die übereinanderliegenden Leiterbahnen, deren Kontaktstellen und die Speicherelemente werden vorzugsweise in Aufdampftechnik hergestellt.

Vor allem in der dreidimensionalen Anordnung (wie in der F i g. 2 auszugsweise schernatisch dargestellt), ergibt sich eine wesentliche Verminderung des äußeren Verdrahtungsaufwandes, wie nachfolgend hervorgeht. Der Speicherplatz 100 (kl, mn) ζ. B. wird durch Anwahl der Leiterbahnen X_kl und Y_mn erreicht. Gemäß der Erfindung sind alle Enden der Leiterbahnen X bzw. Y bzw. Z in einer Matrixform angeordnet, so daß alle in einer gemeinsamen Spalte bzw. in einer gemeinsamen Zeile liegenden Leiterbahnenden gemeinsame Ansteuerleitungen 50 besitzen (F i g. 2 und 3). Eine derartige Anordnung führt zu einer wesentlichen Verringerung der äußeren Verdrahtung.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle Z-Leitungsenden auf einem konstanten Potential Φ χ und alle y-Leitungsenden ebenfalls auf einem konstanten, jedoch von Φ χ verschiedenen Potential Φγ. Diese Leitungsenden sind durch elektronische Gatter 110, die vorzugsweise als Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren ausgebildet sind, von der eigentlichen Speichereinheit getrennt.

Durch Anwahl zweier Ansteuerleitungen u_k und v, wird das Gatter 110 einer Leiterbahn geöffnet, und das gesamte Leiterbahnsystem X_kh Y_kl, Z_M liegt dadurch auf dem außen anliegenden Potential Φχ. Werden gleichzeitig in einer anderen äußeren Ebene zwei weitere Ansteuerleitungen U_m und V_n angewählt, so wird ein weiteres Gatter 110 geöffnet, und das Leiterbahnsystem X_m„, Y_mn, Z_m„ liegt dadurch auf dem anderen Potential Φγ. Da, wie oben beschrieben, jedes Leiterbahnsystem mit jedem anderen mindestens eine Überkreuzungsstelle 100 besitzt, liegt an dieser die Spannung Φχ— Φγ an. Mit Hilfe des resultierenden Stromsignals ist nun die Information auf dem angewählten Speicherplatz 100 greifbar.

Die Verminderung der äußeren Verdrahtung resultiert aus der Tatsache, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung jeder Speicherplatz 100 durch gleichzeitige Anwahl von vier Anwahlleitungen u_k, v_t, U_m, V_n erreicht wird. Eine Ausnahme hiervon bildet k = I und gleichzeitig m = n, da diese Anwahl zum Kurzschluß führen würde. Jede andere Kombination dieser vier Anwahlleitungen ergibt einen eigenen speziellen Speicherplatz.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßer S Anordnung besteht darin, daß durch die äußere Verdrahtung von vier «-Anwahlleitungen über 2n^! interne Leiterbahnsysteme prinzipiell ^xkn* (n^z — 1] Speicherplätze erreicht werden können.

Im Gegensatz zu den bisher üblichen Speichern,

ίο wo für zweidimensionale Speicher mit n-Elementen der äußere Verdrahtungsaufwand proportional Vh und für einen dreidimensionalen Speicher, wo ei :t

auf Vn steigt, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Verdrahtungsaufwand nur propor-

tional Vn.

Die vorliegende Erfindung weicht aJüo von den herkömmlichen dreidimensionalen ATZ-Systemen dadurch ab, daß von einer .Y-Auswahlebene her ein Draht X_kl gewählt wird, der an einem Punkt P₁ leitend verbunden ist mit einem Leiter Y, der wegen seiner festen Zugehörigkeiten zum Draht X_M auch mit »kl« indiziert ist (V*/). Ebenso trifft dies für den in Z-Richtung verbundenen Draht Z_kl zu. Unter dem Ausdruck »Draht« kann auch ein Leiterband dei Dünnfilmtechnik usw. verstanden werden. In ähnlicher Weise wird von einer y-Auswahlebene hei ein Draht Y_mn gewählt, der an einem Punkt P₂ leitend verbunden mit einem Draht Z_m„ und einem Draht X_mn ist. Die genannten Drähte stellen je ein Leitersystem dar, und beide Systeme kreuzen sich in zwei Punkten, an denen die Speicherelemente sitzen.

An einem Zahlenbeispiel soll erläutert werden, daß der äußere Verdrahtungsaufwand einer der Erfindung entsprechenden Anordnung tatsächlich geringer ist: Bei einer linearen X-, Y-, Z-Verdrahtung entsprechend dem Stand der Technik sind für 3 π äußere Anschlüsse — dabei wurde bereits vorausgesetzt, dafi jeder Draht nur an einem Ende angeschlossen werden muß — höchstens n³ Speicherplätze anwählbar. Bei einer der Erfindung entsprechenden Verdrahtung

sind dagegen bei An äußeren Anschlüssen -γ (η² — 1] Speicherplätze möglich. Bei weniger als 24 äußerer Anschlüssen, d. h. bei weniger als 600 Speicherplätzen, erfordert die klassische Verdrahtungstechnik weniger äußere Anschlüsse als die Erfindung, füi jede höhere Speicherplatzzahl erfordert dagegen das erfindungsgemäße Speichersystem den geringerer äußeren Verdrahtungsaufwand.

Zum Beispiel: Bei 240 äußeren Anschlüssen ergibi sich beim klassischen System eine maximale Speicherplatzzahl von weniger als 1,4 · 10⁷, beim erfindungsgemäßen System dagegen von mehr als 1,6 · 1Q⁽ Speicherplätze.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

7

Claims

Patentansprüche:

1. Dreidimensionales Speichersystem zum Speichern großer Informationsmengen, deren S Speicherplätze wahlfrei zugreifbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß in drei Raumrichtungen (X, Y, Z) Leiterbahnen angeordnet sind, von denen jeweils drei aufeinander senkrecht stehende Leiterbahnen (beispielsweise X_u, Y^, Zu) miteinander zu einem System leitend verbunden sind und dieses Leiterbahnensystem so angeordnet ist, daß es mit jedem anderen Leiterbahnensystem an mindestens einer Stelle einen Überkreuzungspunkt bildet, welcher jeweils den Speicherplatz (ϊ.. B. 100) darstellt und daß die. Leiterbahnsysteme (Xy, Υ_ω, Z_w;

Xmn' Ymn> Z_01n) durch mit den Leiterbabnsystemen integrierte Zwischenmatrizen (kl, mn) ansteuerbar sind.

2. Speichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils alle Leiterbahnsysteme, die an einer der Außenseiten des Gesamtsystems in einer gemeinsamen Spalte enden und alle Leiterbahnsysteme, die in einer gemeinsamen Reihe enden, jeweils eine einzige gemeinsame Ansteuerleitung (u_k, v_h u_m, v„ bzw. 50) besitzen und jeweils zwei dieser zueinander senkrecht stehenden Ansteuerleitungen (u_k, v, bzw. «m >^vn) miteinander ein elektronisches Gatter (110) bilden, welches zwischen den Leiterbahnenden und dem Speichersystem einen Schalter bildet.

3. Speichersystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Enden der Leiterbahnen einer Ebene auf einem konstanten Potential (Φχ) liegen und die Leiterbahnenden der anderen Ebene ebentalls auf einem konstanten Potential (Φγ) liegen, welches jedoch gegenüber dem ersten Potential (Φχ) einen unterschiedlichen Wert besitzt.

4. Speichersystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Gatter (110) als Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren ausgebildet sind.