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最早的64bitCPU是DEC這間公司所發展出來的Alpha處理器,在1992年問世,速度可達200MHz,當時Intel最貴的處理器是Pentium60/66MHz。
Alpha憑藉著優異的性能和超乎業界的先進架構成為當時地球上最先進的處理器,然而最後DEC這間公司並不成功,原因就是要轉移到Alpha平台上軟體都得重新寫,而當時業界才剛開始以32bit為主流,再加上Alpha平台本身就昂貴,硬體和軟體成本都極其高昂的情況下,雖然是全球最先進的處理器,最後還是敗陣了。
除了K8和新的P4,還有哪些64bitCPU呢?
IBM的PowerPC處理器,Sun的UltraSPARC、Fujitsu的SPARC64處理器,HP的PA-RISC處理器,或是Intel的Itanium處理器等,不過這些都和AMD64不相容的。
你現在知道為什麼AMD64特地要相容IA32了嗎?
註1:
AMD64-AMD的64位元架構,你現在提的64位元就是指這個,Intel的EM64T也是源自於此架構,差別不大。
註2:
IA32-Intel32位元架構,泛指從386到現在的32bitx86CPU架構,P3、K7都是。
2.記憶體:
隨著資訊產業膨渤發展與資訊媒體應用的日益普及,各類的資訊儲存器也就日形重要。
其中,電子記憶體無疑是最重要的一種。
目前電子記憶體依功能主要可分為兩類,一類是強調高速存取的隨機記憶體(RandomAccessMemory,RAM),其讀寫速度可在100奈秒(ns)以下,但卻沒有永久記憶的功能。
另一類則為非揮發性(Non-Volatile)的唯讀記憶體(ROM),強調永久記憶的功能,但資料寫入的速度卻須微秒(ms)以上的時間。
無法同時具備兩種功能,使得電子記憶體在應用上受到頗多限制。
為此,眾多科學家與學者莫不投入大量心力尋找解決之道。
鐵電(又名強介電)陶瓷具有優越的介電性、鐵電性、壓電性及焦電性,為重要之電子陶瓷材料,極具應用潛力。
近年來由於薄膜製程技術的進步,已可在矽晶上製作出高品質的鐵電薄膜,使得它在產業的應用上受到極大重視。
鐵電薄膜的高介電係數,可應用於動態隨機記憶體,而高自發極化值則可應用於非揮發性記憶體,它的引入,為電子記憶體的發展另闢一個新的方向。
將鐵電材料應用於記憶體的構想,可以追溯至1970年代。
最初的鐵電記憶元件為Moll和Tarui於1963年所設計。
其構想乃是利用鐵電材料之殘留極化特性,來控制半導體材料的場效傳導率,藉此展現記憶性質。
在這之後則有許多不同的材料組合成為研究的對象,如telluriumonBaTiO3,telluriumonTGS(trigrycinesulfate),CdSeonBaTiO3等等。
由於當時半導體薄膜技術較鐵電薄膜成熟,因此當時的研究大多選擇將半導體薄膜鍍在塊材或單晶鐵電材料上.
第一個由金屬-鐵電-半導體(MFS)所構成的元件則是由吳泗堯(S.Y.Wu)博士於1974年所發表。
此元件結構與標準的金屬-絕緣體-半導體(MIS)相似,只不過絕緣體被鐵電薄膜所取代,不過由於鐵電薄膜與半導體的介面並不穩定,在操作過程中電荷會從矽晶表面穿過原始氧化層而陷於鐵電薄膜表面,因此元件並未能真正發揮功效。
此種記憶體由於在元件製作過程中,鐵電薄膜與半導體之間容易有元素相互擴散的問題,直接影響閘極通道狀態,因此成為發展上最大的障礙。
1987年,Kenney發表了一種異於MFS結構設計的非揮發性鐵電記憶元件。
此記憶體類似DRAM1T-1C結構,只是電容器介電層為鐵電材料所取代。
這種結構避免了鐵電薄膜與半導體材料的直接接觸,因此於1988年即有256bit非揮發隨機記憶體被製作出來。
目前此種記憶體技術已有商品(美國Ramtron公司)問市。
反觀MFS結構記憶元件的發展,近幾年也有長足的進步。
隨著鍍膜技術的進步和記憶體結構的改進,已可成功地解決介面問題,並獲致具記憶功能之鐵電記憶元件。
鐵電性
若由晶體的對稱型式分類,自然界的材料可分為三十二種點群(pointgroup)。
其中十種晶體具有中心對稱而不具極性,其餘二十一種非中心對稱的點群中,大部份具有沿單方向軸之壓電特性。
432這種點群因具有較高對稱性而不具壓電特性。
在這二十種具壓電效應的晶體中,有十種只具有單一旋轉軸而無垂直此軸之鏡面對稱,由於材料具有非中心對稱性,當其內的陰、陽離子不在中心位置時即會產生偶極矩。
在某些溫度範圍,晶體中的陰陽離子各在其具有最低自由能的平衡位置,此時若陰陽離子的中心位置並不一致即會展現自發極化(spontaneouspolarization)特性。
若自發極化能隨外加電場而改變方向者稱具有鐵電性。
一般而言偶極在電場的作用下會呈現出遲滯現象,當施加電場最大時有一最大極化值屜s。
此時若除去電場,極化值並不會降為零,而有一殘留極化值屜r存在,此殘留極化值可經由施加一大於矯頑電場Ec的電場予以消除。
鐵電薄膜在DRAM的應用
自1970年,簡單的電荷儲存記憶胞成功地應用在動態隨機存取記憶體(DRAM)。
此後,隨著元件集積度的增加,記憶胞尺寸的縮小成為必然的趨勢。
要縮小記憶胞的尺寸必須縮小平面電容的面積,但為維持元件雜訊比的關係,所儲存的電荷需維持在150fC左右。
然而,記憶胞的面積卻要由16Mb約4mm2減少到64Mb約1mm2,再減少到的256Mb約0.3mm2,以SiO2為介電層的平面電容早已無法符合需求。
以前解決這個問題大多以減少介電層的厚度來達成,但16Mb或64Mb以後所要求的SiO2介電層厚度在5nm以下,已會引起穿隧的漏電流了。
另外,也有使用ONO(SiO2/Si3N4/SiO2)的結構來增加薄介電層隔離雜質的能力並可稍微提高介電常數值(約5~7,SiO2約3.9),但受限於介電常數值不高及臨界膜厚(約5~10nm)之限制,必需製作複雜形狀之電容如trenchcapacitor或stackedcapacitor來提高儲存電荷的面積。
這個趨勢可由圖六看出。
此時製程困難度大幅提升,相對的成本增加、良率降低。
有鍵於此,開發新的介電薄膜材料與製程,成為另一個努力的方向,其中又以具高介電及鐵電特性的鐵電薄膜最受矚目。
鐵電材料在DRAM的應用上,只利用其電滯曲線的一部份,其極化並不反轉。
若定義外加電壓VDD下之最大極化值Ps為邏輯“1”,“0”則是電壓為零時的殘留極化值Pr,其間電容所儲存的電荷為Qc=Ps-Pr。
其電量包括了離子與電子的極化以及部份電域方向改變所致的電荷變化。
雖然在DRAM的讀/寫中,極化方向並不反轉,此元件仍有疲勞現象[10]。
此類材料以鈦酸鋯鉛(PbZrTiO3,PZT)及鍶鉍鉭氧化物(SrBi2Ta2O9,SBT,Y1)為代表。
順電性薄膜並不具電滯現象,而是利用其高介電值提高記憶胞電容儲存電荷的能力。
此種材料大致可分為兩大類,第一類為簡單氧化物,以氧化鉭(Ta2O5)最受重視,然而其最大問題是介電值(~25)不夠高,無法達到Gbit的要求。
不過此材料在製程上所面臨的問題大部份已獲得解決,所以有人將它視為可以從ONO轉換到鐵電高介電值材料的過渡使用。
第二類為無揮發性元素之多元氧化物順電性鐵電材料,其中以鈦酸鍶鋇((Ba,Sr)TiO3,BST)最被看好,其介電值一般約在200~500左右。
鐵電薄膜在FeRAM的應用
鐵電材料因具有電滯現象,因此可應用於非揮發性記憶元件,元件資料的儲存乃是利用鐵電材料在極化後仍具殘留極化值,於外加電壓去除後仍能保存原有狀態。
目前鐵電非揮發性記憶元件依結構可分為兩大類:
第一類是以MFSFET(Metal-Ferroelectric-SemiconductorFieldEffectTransistor)為基本架構之鐵電非揮發性記憶體(FETtype),鐵電薄膜位於閘極通道上方,其殘留極化方向的不同會改變閘極通道表面的電荷狀態和汲極電流值,只須偵測汲極電流值Id的大小即可完成資料判讀,讀取動作並不會改變資料儲存狀態所以為非破壞性讀取方式(Non-DestructiveReadOut,NDRO)。
此種記憶體的結構十分類似MOSFET,只是介電層由鐵電薄膜所取代,因此記憶胞結構非常簡單,可製作成高密度的記憶元件。
此外其資料讀取方式為非破壞性,因此讀/寫時間非常短暫(~100ns)。
雖然這種記憶體擁有這些優點,然而存在於介面的氧化與元素擴散等問題,使得在半導體材料上鍍出高品質的鐵電薄膜並不容易。
為了解決這個問題,除了在鍍膜與製程技術上尋求改進外,另也發展出MFISFET(Metal-Ferroelectric-Insulator-SemiconductorFET),MFMISFET(Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-SemiconductorFET)等多層閘極結構,在鐵電薄膜與半導體之間加入介電層或金屬層/介電層,隔絕鐵電材料與半導體的直接接觸。
此方式可大幅改善介面的問題,卻也使得閘極結構更為複雜,增加製程的困難程度,為此Katoh等人把MFM結構自MFMISFET中分離出來,兩者間再以導線連接(FerroelectricCapactor-Gate,FCG),經由此種方式,結構的設計更具彈性,此結構從另一觀點來看即是鐵電薄膜電容與MOSFET的結合,而藉由調整鐵電薄膜電容面積與閘極面積之大小比例可得最佳之記憶元件特性。
第二類鐵電非揮發性記憶元件是以鐵電薄膜取代DRAM記憶胞電容中的介電層(1T-1Ctype),藉著鐵電材料極化方向的不同來作資料的寫入與判別。
當一大於矯頑電壓Vc的電壓VDD外加於鐵電電容時,此薄膜被極化並有一殘留極化值Pr,若選定+Pr為邏輯“0”,則可定義-Pr為“1”。
在讀取資料時可外加一正向電壓脈衝VDD到記憶元件上。
判讀方式有兩種,一種在施加電壓脈衝時即進行偵測,則位元線上“1”與“0”電壓值會與極化大小成比例。
考慮另一種判讀方式,若儲存的資料為“0”,施加電壓脈衝後鐵電薄膜極化值從Pr←Ps變化,可觀察到一小電流產生。
若儲存為“1”,則極化值改變從-Pr←Ps,會觀察到較大的電流產生,藉由比較這兩種電流大小的差異,即可得知儲存資料的邏輯狀態。
這兩種資料儲存方式,均須對電容施加電壓脈衝,這個動作破壞了原有資料儲存狀態,因此為破壞性讀取方式(DestructiveReadOut,DRO)。
為了恢復記憶體原先所儲存的資料,必須在讀取後執行重新寫入的動作。
目前在鐵電材料的選擇上以PZT及Y1最被看好,其中PZT具有較佳的鐵電特性且製程溫度較低,但由於此材料含有鉛的成份易造成設備之污染,亦使得漏電流偏高,另外極化疲勞也是應用上所須克服的問題。
Y1雖然鐵電特性不如PZT,然而沒有疲勞問題,因此兩種材料各有其優缺點。
記憶體特性比較
表一列出了五種記憶體之間的特性比較,其中“FRAM”為美國公司Ramtron的註冊商標,採用1T-1C記憶體結構。
FFRAM是FerroelectricFloatingGateRAM的縮寫,即是MFMISFET結構記憶體。
首先我們來看快閃記憶體(FlashMemory),這種記憶體一上市即獲得熱烈迴響,是半導體市場上成長最快速的單一半導體產品,但若與鐵電記憶體比較則可發現幾個明顯的缺點:
1.寫入的工作電壓高,時間過長。
由於該記憶體的資料寫入須對閘極與汲極施以高電壓,使電子橫越薄二氧化矽層而進入浮置閘(floatinggate),因此所需電壓高(~12V)。
另外,由於電子隧穿概率(tunnelingprobability)不高,所以寫入時間長(1~10ms)。
2.寫入功率無法縮小。
由於寫入功率為總灌入的電子數與寫入電壓的乘積,基於前一項因素功率難以降低。
3.寫入次數有限。
熱氧化層能忍受電子穿入穿出的次數有限,另一方面高功率伴隨的熱量消散將是一個問題。
接下來我們看SRAM,SRAM的記憶體特性十分優異,然而每個記憶胞的面積是其它四種記憶體的3~5倍,成為往高集積度發展的障礙。
最後我們比較DRAM,FRAM,FFRAM之間的差異,由表來看三種記憶體的操作特性十分接近,但是DRAM為揮發性記憶體,在應用上將會受到限制。
此外,圖十列出了這三種記憶胞在尺寸縮減情況下所受到的影響。
我們只考慮尺寸縮減對鐵電材料於記憶胞內作用的改變,若面積縮小為原來1/K2(X←1/K,Y←1/K),則鐵電材料在FRAM與DRAM中所能發揮的作用將減為原來的1/K2,而FFRAM不受影響。
厚度的減少則只對DRAM造成影響。
所以若考慮體積減少為原來的1/K3,則FRAM←1/K2,DRAM←1/K,FFRAM不變,這表示隨著記憶胞尺寸的縮小,FRAM與DRAM內部鐵電薄膜單位面積的極化值或儲存的電荷量必須隨之提升,才能維持記憶胞正常運作,而FFRAM則不受此項限制,就這點來看,隨集積度的提升FFRAM將佔有一定優勢。
3.硬碟:
CompactFlash是目前被最多數位相機所採用的儲存方式
CompactFlash目前常見的有兩種規格TypeI(Max.192MB)/TypeII(1GB)。
TYPEIII
SmartMedia/SolidStateFloppyDiskCard(SSFDC)是目前最『輕薄』的記憶卡格式,它的體積只有45mmx37mmx0.76mm,開發於1995年。
一直到今日SM還保持著最薄和最輕的記錄(重量僅1.8公克)。
Sony直到1999年的晚期才推出MemoryStick,這個產品早期只支援新力公司的數位相機和MiniDV等產品。
細長型的外觀加上統一的藍色塗裝,非常搶眼。
體積為50mmx21.5mmx0.28mm,重量約4公克。
MemoryStick和CF相同,內建控制晶片,改良式10針分離針槽介面,可說是結合CF和SM兩種插槽的優缺點而來。
工作頻率可達20MHz,工作電壓2.7V~3.6V,電流平均45mA,具有易用的防寫防寫開關。
目前市面上的容量8/16/32/64/128MB等產品。
存取速度:
1.5MB/sec.寫入,2.45MB/sec讀取。
IBMMicroDriver微型硬碟
最先發表的IBMMicrodrive容量僅有340MB,1999年推出,到了2000年5月IBM又一口氣把容量升到1GB的超大容量。
採用CompactFlashTypeII介面,目前市面上有1GB/512MB/340MB三種不同的容量選擇。
MicroDriver簡單的說,就是迷你型的硬碟。
打開MD的外蓋,你會發現一張直徑僅1吋碟片,MD的轉速為3,600轉,內部傳輸速率是38.8-59.9Mbps,外部傳輸速率為5.2MB/s,平均搜尋時間12ms。
新一代記憶規格
SecuredDigitalCard(SD)安全數位記憶卡
提到SD記憶卡前,必須先瞭解SD的前身MMC記憶卡(MultiMediaCard(MMC))。
這曾是世界上體積最小的記憶卡,由Infineon(原西門子公司記憶事業部)和SanDisk公司在1997年推出,並於1998年標準化。
體積只有32mmx24mmx1.4mm(重量也只有1.5公克),比它的競爭對手CompactFlash和SmartMedia的體積都還得小且輕,工作電壓在2.7~3.6V,寫/讀電流只有27mA和23mA,功率消耗很低。
MMC主要是設計用來支援手機和PDA,所以初期設計的容量並不大。
其後,由日本的松下根據MMC為基礎開發SecureDigitalCard(SD),也因此幾乎所有使用SD記憶規格的設備都對MultiMediaCard具有相容性。
xD-Picture世界最小的記憶卡
繼SD之後,由Olympus和富士FujiFilm聯手催生的新一代超小型記憶卡「xD-PictureCard」準備挑戰市場的接受度。
新一代的xD卡,不僅體積是世界最小20×
25×
1.7mm,重量僅3公克。
容量更可高達8GB!
(2002年9月將率先上市16/32/64/128MB4種規格的產品、2002年12月再推出256MB大容量至2003年在陸續推出512MB~8GB之系列)。
xD卡不僅能擔任存儲音樂、照片和動畫等資料,同時還帶有ID保護功能,可以防止非法拷貝。
不過,xD沒有防寫功能(日本的研究發現使用者很少使用記憶卡上的防寫功能)。
4.光碟機:
你要仔細看看內容介紹喔
看有些CD-R..CD+R..CD+RW
DVD-R..DVD+R..DVD-RW..DVD+RW
的部份
CD-R..CD+R是指能燒入CD-R..CD+R的光碟片
CD+RW是指能燒入跟抹除CD+RW(RW是能覆寫的)
DVD-R..DVD+R是指能燒入DVD-R..DVD+R的光碟片
DVD-RW..DVD+RW是指能燒入跟抹除DVD-RW..DVD+RW(RW是能覆寫的)
CD-ROM是讀取CD
DVD-ROM是讀取DVD
以上後面都會寫倍數..DVD讀取寫入最好在16X以上
CD讀取跟寫入也最好在48X以上
DVD還有一種雙面燒技術
5.USB連接
講到USB一定會講到兩個數字,就是12Mbps與127這個裝置。
說到
12Mbps其實蠻丟臉的,因為在大家熟知的標準之中,恐怕只有滑鼠
和數據機使用的序列埠之傳輸速度,因為年代久遠之故被它超越,
但是談起127這個裝置,那就真的是無人能比了。
12Mbps裡面的b是小寫,而不是大寫,因為它是指bit,不是Byte
,所以實際上一秒鐘只有1500KByte的傳輸速度,等到扣除各種傳輸
協定佔據的頻寬和控制器的反應時間之後,一秒鐘一個MByte多一些
才是它的平常演出水準。
把所有的USB裝置串起來
USB所用的架構叫做TieredStar多層星狀拓樸,長得很像是一棵
大樹,由主機板後面的USB控制器(HOST)作為根部長出去,在每個
分叉的地方,要有一個集線器(HUB),所以要接的裝置太多時,會
有集線器後面接著集線器的狀況出現。
為了方便區別起見,USB控制
器的插座我們叫它下游端,USB週邊的插座叫它上游端,所以纜線的
上游接控制器的下游,纜線的下游接週邊的上游。
至於集線器裡,
就是一邊上游一邊下游。
很像繞口令是不是?
不過不用擔心,為苦
難大眾著想的USB把纜線的兩邊接頭做得不一樣,所以根本沒辦法插
錯。
聰明的你可能會想到,就算不會插錯插座,難道怎麼連接都可以
?
答對了!
連接USB裝置的原則只有一個,就是把他們通通連起來。
不管你怎麼串接你所有的裝置,只要不超過127個,USB系統會負責
把資料正確地送到各個裝置上。
為什麼會串不起來
USB裝置其實還有細分成兩種,高速和低速裝置。
而將常講的
12Mbps是指高速裝置,低速裝置只有她的八分之一,低速裝置常見
的有鍵盤和滑鼠。
這些東西因為資料傳輸速度實在是太慢了,所以
沒有電磁干擾的問題,因此它的電纜線上面沒有加上一些電磁防護
,成本比較低。
萬一有不肖廠商拿低速裝置的線給高速裝置使用,
一碰到電磁波干擾很強大的地方,也許就會出問題了。
因為高速和
低速裝置的線材價錢所差無幾,所以建議大家買好一點的線,避免
電腦莫名其妙休假去。
另一種不能說是當機卻不能使用USB裝置的情況是,裝置太多,頻
寬不夠分!
這種情況出現在使用者電腦上裝了太多要求“定時傳送
資料”的時候。
例如陳老闆想用USB規格的即時攝影機監看他的職員
有沒有偷懶,假設他買的USB攝影機每秒鐘要傳輸200KB的圖檔更新
畫面(定時傳送),那麼他最多只能接七台攝影機,因為八台攝影
機會吃掉1600KB的頻寬,超過系統上限的1500KB,所以,接上第八
攝影機台時,USB的控制軟體會叫它回家睡覺。
如果寫該攝影機驅動
程式的工程師忘了這件事,那麼Win98會給你一個很漂亮的藍色畫面
,就是比爾蓋茲展示Win98時全球媒體看到的那個畫面。
除非驅動程
式寫得很聰明,可以接受比原先需求還小的頻寬,那麼陳老闆就會
看到跳格畫面,或是模模糊糊的影像。
不過之前的七台攝影機因為
頻寬已經獲得保障,所以不會有任何問題。
不但要熱插拔,還要隨插即用
只要運氣不要太背,操作一切正常,驅動程式和作業系統合作愉
快,USB都可以做到其所宣傳的“熱插拔”功能,這也是USB大力宣
傳的特性。
說實在的,熱插拔並不是什麼了不起的技術,不相信的話,讀者
可以把你正在運作中的電腦拔下舊式鍵盤和舊式滑鼠然後,換上另
一套配備,保證不會當機,換裝完畢後電腦還是正常動作,但是搭
配上隨插即用就是個值得大書特書的進步了,因為要做到熱插拔與
隨插即用,代表作業系統必須有下列能力:
1.可以偵測到是否有新裝置出現了?
2.作業系統可以辨認出這是什麼裝置,並且找出對應的驅動程式
。
3.如果沒有對應的驅動程式,作業系統會要求使用者提供。
4.如果有裝置被移除了,自動移除負責的驅動程式。
在USB系統上,其實是以一個很簡單的方法做到熱插拔與隨插即用
就是每當有新裝置出現時,會讓位於該裝置上游的集線器的下游
插座產生變化電壓,緊張兮兮的集線器會以最快速度通知電腦這件
事,控制系統就透過一連串的協定開始“詢問”新裝置,叫它交出
它的身分證明,外帶祖宗三代是那家廠商、專長與族譜排行通通都
要知道。
詢問完畢後,滿意的話會給她一個地址居住下來,作業系
統就靠著剛剛拿到的資料回頭去程式庫挑個和它最速配的驅動程式
好把
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