電子デバイス／半導体メモリ
５．ＳＲＡＭ
半導体メモリの代表選手としてＤＲＡＭを紹介しましたが、同じような揮発性でランダムアクセスのメモリとしてＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）があります。
ＤＲＡＭはコンデンサに電荷を貯めることで情報を記憶しましたが、ＳＲＡＭは集積回路のところで説明したトランジスタの論理回路のはたらきそのもので情報の保持、記憶を行うものです。このため、記憶媒体に相当するものがありません。ここで取り上げるすべての半導体メモリのなかでＳＲＡＭだけが異彩を放っていると言えます。
まずは論理回路の構成を図５－１に示します。２つのＮＯＲ回路の一方の出力\(Q\)または\(\bar{Q}\)を他方の入力側\(S\)または\(R\)に戻したような回路になっています。
図５－２のタイムチャートにしたがって回路の動作を説明します。いま２つの入力が０（\(R=S=0\)）のとき出力\(Q=0\)とします（\(\bar{Q}\)は\(Q\)の反転出力で１）。
ここで\(S=1\)の信号が入力されたとします（\(R=0\)はそのまま）。すると\(Q\)は１に変わります（\(\bar{Q}=0\)）。つぎに\(S=0\)に戻っても\(Q=1\)、\(\bar{Q}=0\)は保持されます。
つぎに\(R=1\)に変わったとします。すると\(Q=0\)、\(\bar{Q}=1\)に反転します。このときも\(R=0\)に戻っても出力は変わりません。
以上をまとめると、\(S=1\)、\(R=0\)のとき、\(Q=1\)になり、\(S=0\)、\(R=1\)になると\(Q=0\)になりますが、\(S=0\)、\(R=0\)では出力\(Q\)は１でも０でもそのまま変わらず保持されます。このことからＳはセット、Ｒはリセットの意味で記号が付けられています。
この論理を真理値表で表すとつぎのようになります。この回路では\(S=R=1\)の場合は\(Q\)がどうなるか定まりませんので、この入力はしないこと（禁止）になっています。
\(S\) \(R\) \(Q\) \(\bar{Q}\) 0 0 保持 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 禁止 図５－１をＩＧＦＥＴを使って実現した基本的な回路を図５－３に示します。「ＩＧＦＥＴを使って」と断ったのはこの回路はバイポーラトランジスタどころか真空管の時代からフリップフロップ回路という名で知られていたものだからです。ですから回路としては新しくなく、半導体メモリとしてもＤＲＡＭよりもこちらの方が先に考えられていたものです。
記憶はＴ１とＴ２というＩＧＦＥＴのどちらか一方がオン、他方がオフになり、それを保つことによって行われます。回路の動作を説明しましょう。ＩＧＦＥＴはｎチャンネルタイプとします。情報をこのメモリーに書き込むときは、ワード線Ｗの電圧を高くします。するとワード線にゲートが繋がっているＩＧＦＥＴ、Ｔ３とＴ４はともにオンになります。つまりこの二つのＩＧＦＥＴはソース－ドレイン間に電流が流れるようになり、２本あるビット線\(B\)と\(\bar{B}\)と反対側のトランジスタのゲートが繋がった状態になります。
２本の\(B\)と\(\bar{B}\)は必ず逆極性になるようにしてあります。\(B\)が高電位なら\(\bar{B}\)は低電位です。Ｔ３とＴ４がオンになると、Ｔ１とＴ２のゲートはビット線に繋がりますから、どちらか一方がオン、他方がオフになります。ここでワード線の電圧を下げてＴ３、Ｔ４をオフにしたとします。Ｔ１とＴ２のゲートはデータ線からは切り離された状態になりますが、図を見ていただくと分かる通りそれぞれ他方のＴ２、Ｔ１のソースに繋がっています。例えばＴ１がオンのときＴ１のソースはほとんどグランド電位になり、Ｔ２のゲート電位は低くなりますから、Ｔ２はオフのまま保たれます。Ｔ２がオフならそのソースは高電位になりますから、それと繋がっているＴ１のゲートが高電位になり、オン状態が安定に保たれます。
以上のように２つのトタンジスタＴ１とＴ２は一方がオンであると他方をオフにするようにはたらき、この状態は外部、すなわちビット線と接続して強制的に変えない限り保たれます。この回路はフリップフロップと呼ばれ、２つの安定な（双安定といいます）状態が切り換えられる回路（双安定回路と言います）の代表として古くから知られていました。また双安定状態をデジタル記憶に応用できることもよく知られていました。
記憶されているデータを読み出すときもＴ３とＴ４をオンにして、Ｔ１とＴ２のソース電位（Ｔ２とＴ１のゲート電位も同じです）を読み取ればよいわけです。
ＳＲＡＭはＤＲＡＭに比べてあまり使われませんでした。それは、つぎのような理由によります。まず図５－３の回路でもＩＧＦＥＴを４個使っています。１ビットの記憶にＤＲＡＭは１個のＩＧＦＥＴとコンデンサで済むのに、ＳＲＡＭはＩＧＦＥＴを４個必要ということで大規模な集積化に不利であったことが挙げられます。また記憶を維持するために必ず１つのトランジスタをオンに保つため、電流を流しておかなければなりませんから、消費電力が大きくなってしまうという欠点もありました。
しかし優れた点もあります。まず動作速度が速いことです。それからＤＲＡＭはリフレッシュが必要でしたが、ＳＲＡＭは何もしなくても安定に記憶が保たれます。リフレッシュ動作のためには別に回路が必要ですから、トータルで考えると必要なトランジスタの数の差は縮まります。そこで消費電力を減らす改良をしてＳＲＡＭの利点を生かす開発が行われました。
その一つがＣＭＯＳを採用することです。ｎチャンネルとｐチャンネルのＩＧＦＥＴを１組にして使うことで、消費電力は大幅に小さくなります。これを採用した回路を図５－４に示しました。図５－３のＴ１をｎチャンネルのＴｎ１とｐチャンネルのＴｐ１の組に、Ｔ２をＴｎ２とＴｐ２に置き換えたものです。Ｔｎ１とＴｎ２についてみると図５－３と同じようにどちらか一方がオン、他方がオフになって情報を記憶します。このときｐチャンネルのＴｐ１とＴｐ２は必ずｎチャンネルのＴｎ１とＴｎ２とはオン、オフが逆になります。そのため、Ｔｎ１、Ｔｎ２のどちらがオンであっても電流は流れません。使用トランジスタは６個になりますが、消費電力は非常に小さくなります。
ＳＲＡＭを集積化した記憶素子を最初に世に出したのはやはりインテル社でした。ＤＲＡＭと同時期の1970年代後半のことです。1980年代に入ってＳＲＡＭに初めてＣＭＯＳを採用したのは日本のメーカでした。最も早い時期の特許出願は日立社(1)ではないかと思われます。消費電力が減ったことで、ＳＲＡＭは腕時計用などに使われるようになりました。また動作速度が速いことからコンピュータではあまり大きな記憶容量を必要としないキャッシュメモリにＳＲＡＭが使われています。
ＤＲＡＭと同じようにいかに同じ大きさのチップにたくさんのトランジスタを集積するかについても技術開発が進められましたが、ここでは素子としてのＳＲＡＭの話は省略することにします。
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フリップフロップ（flip-flop)は辞書で引くと「ころころ変わる」などの意味が出てきますが、その響きからわかるように、もともとは擬態語のようです。日本語ならギッタンバッコンなどに当たるでしょうか。この回路の動作をうまく表しているので、定着したものと思われます。
ＤＲＡＭのダイナミック（動的）とＳＲＡＭのスタティック（静的）の意味についても一言触れておきます。何がダイナミックで何がスタティックなのかですが、直ちに答えにくいように思われます。ダイナミックは実はリフレッシュ動作が行われることを指していると言われています。コンデンサの電荷の減少をつねに補うように動作し続けていることがダイナミックで、そのような動作が不要なことがスタティックという用語になったようですが、端的に２つのメモリの特徴が想起できる命名でないようにも思われます。
(1)特開昭56-68991号
