Масочное ПЗУ¶

Масочное ПЗУ (англ. Mask ROM) — это тип постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), в котором информация записывается в процессе изготовления полупроводникового кристалла с помощью фотошаблонов (масок). Данные, закодированные в масочном ПЗУ, не могут быть изменены или стерты после завершения производства, что обеспечивает высокую надежность хранения при максимальной плотности размещения элементов на кристалле.

¶История

¶Предпосылки появления

В ранних вычислительных системах и электронных устройствах для хранения неизменяемых программ и данных (например, микропрограмм, таблиц констант, загрузчиков) использовались диодные матрицы, ферритовые сердечники или перфорированные носители. С развитием полупроводниковой технологии в 1960-х годах возникла потребность в интегральных схемах, способных хранить фиксированную информацию с высокой степенью интеграции и низкой стоимостью в массовом производстве.

¶Разработка и внедрение

Первые коммерческие масочные ПЗУ появились в конце 1960-х — начале 1970-х годов. Компания Intel в 1971 году выпустила микросхему 1702 — одно из первых масочных ПЗУ на МОП-транзисторах, которое использовалось в микрокомпьютерах и игровых приставках. В 1970-е — 1980-е годы масочные ПЗУ стали основным типом памяти для хранения прошивок (firmware) в бытовой электронике: телевизорах, видеомагнитофонах, калькуляторах, игровых автоматах и картриджах для игровых консолей (например, Nintendo Entertainment System).

¶Спад популярности

С конца 1980-х годов масочные ПЗУ начали вытесняться перепрограммируемыми типами памяти — стираемыми ПЗУ (EPROM), электрически стираемыми ПЗУ (EEPROM) и флеш-памятью. Ключевыми факторами стали: возможность обновления прошивки после производства, снижение стоимости перепрограммируемых микросхем и развитие технологии «программирование на месте» (in-system programming). К 2000-м годам масочные ПЗУ сохранились лишь в узких нишах, где требуется экстремально высокая надежность, устойчивость к радиации или минимальная стоимость при очень больших тиражах (например, в автомобильных микроконтроллерах, некоторых моделях смарт-карт, микросхемах для космической и военной техники).

¶Технология изготовления

¶Процесс производства

Изготовление масочного ПЗУ основано на стандартной КМОП- или МОП-технологии, но с одним критическим отличием: на этапе формирования межсоединений или активных областей транзисторов используется уникальный набор фотошаблонов (масок), который определяет логическую единицу («1») или ноль («0») в каждой ячейке памяти. В зависимости от конструкции, наличие или отсутствие транзистора в определенной позиции матрицы кодирует бит данных.

Основные этапы:

Проектирование топологии — на основе заказанного кода данных создается набор масок, определяющих расположение проводников и транзисторов.
Фотолитография — на кремниевую пластину последовательно наносятся слои фоторезиста, которые засвечиваются через маски.
Травление и легирование — формируются области стоков, истоков, затворов и контактов.
Металлизация — создаются соединительные дорожки.
Тестирование — каждая микросхема проверяется на соответствие закодированным данным.

¶Особенности

Неизменность данных — информация закладывается «намертво» в структуру кристалла. Изменение требует полной смены набора масок и запуска новой партии.
Высокая плотность — ячейка масочного ПЗУ занимает минимальную площадь (часто 1 транзистор на бит), что позволяет создавать микросхемы большой емкости (до десятков мегабит) при малом размере кристалла.
Низкая стоимость в тираже — при объемах от нескольких тысяч до миллионов штук стоимость одного бита в масочном ПЗУ ниже, чем у EPROM или флеш-памяти, за счет отсутствия операций программирования и тестирования каждой ячейки.
Высокая надежность — отсутствие подвижных частей, механизмов записи/стирания и уязвимости к электрическим помехам делает масочные ПЗУ устойчивыми к радиации, вибрациям и перепадам температур.

¶Классификация и архитектура

¶По типу транзисторов

Масочные ПЗУ на МОП-транзисторах — наиболее распространенный тип. В каждой ячейке либо присутствует транзистор (логический 0), либо отсутствует (логическая 1), либо наоборот, в зависимости от схемотехники.
Масочные ПЗУ на биполярных транзисторах — использовались в ранних микросхемах, отличались более высоким быстродействием, но большим энергопотреблением и меньшей плотностью.

¶По организации доступа

С произвольным доступом (Random Access Mask ROM) — адресация любой ячейки памяти за одно и то же время. Используется в микропроцессорных системах.
С последовательным доступом (Serial Mask ROM) — данные считываются побитно или побайтно по тактовому сигналу. Применяется в устройствах с ограниченным числом выводов (например, в смарт-картах).

¶По способу кодирования

С активным уровнем «1» — наличие транзистора соответствует логической единице.
С активным уровнем «0» — наличие транзистора соответствует логическому нулю.

¶Применение

¶Историческое

Игровые картриджи — в 1980-1990-х годах масочные ПЗУ доминировали в картриджах для приставок (Nintendo, Sega, Atari). Объем памяти варьировался от 8 КБ до 32 МБ.
Микроконтроллеры — встроенные масочные ПЗУ использовались для хранения прошивок в бытовой технике, автомобильных блоках управления, промышленных контроллерах.
Компьютерные BIOS — в ранних ПК (IBM PC/XT/AT) BIOS хранился в масочных ПЗУ, что делало обновление невозможным без замены микросхемы.

¶Современное

Автомобильная электроника — микроконтроллеры с масочным ПЗУ применяются в системах управления двигателем, подушками безопасности, ABS, где требуется гарантированная неизменность кода на весь срок службы автомобиля (10-20 лет).
Космическая и военная техника — масочные ПЗУ устойчивы к воздействию ионизирующего излучения, что делает их предпочтительными для спутников, ракет и систем вооружения. Известные серии: 537РУ1, 537РУ2 (Россия), 28C64 (радиационно-стойкие версии).
Смарт-карты и SIM-карты — в некоторых моделях используется масочное ПЗУ для хранения операционной системы и ключевых данных, что повышает защиту от несанкционированного чтения.
Микросхемы для часов и калькуляторов — в дешевых массовых устройствах, где прошивка никогда не меняется.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

Максимальная плотность хранения данных на единицу площади кристалла.
Самая низкая стоимость в расчете на один бит при больших тиражах (свыше 100 000 штук).
Высокая устойчивость к радиации, вибрациям, перепадам температур.
Невозможность случайного или злонамеренного изменения данных.
Отсутствие необходимости в операциях стирания и программирования, что упрощает схему управления.

¶Недостатки

Высокая стоимость начального этапа — изготовление набора масок (от нескольких тысяч до десятков тысяч долларов).
Длительный цикл производства (от 4 до 8 недель) после утверждения кода данных.
Невозможность исправления ошибок в данных после запуска производства — любая опечатка приводит к браку всей партии.
Невозможность обновления прошивки в готовом устройстве.
Экономическая нецелесообразность при малых и средних тиражах.

¶Интересные факты

В 1980-х годах для игровых картриджей NES использовались масочные ПЗУ емкостью до 1 МБ, что позволяло создавать игры с десятками уровней и спрайтов.
В СССР масочные ПЗУ выпускались по сериям 556 (например, 556РТ1, 556РТ2) и использовались в вычислительной технике, в том числе в ЭВМ «Эльбрус».
Некоторые масочные ПЗУ содержат скрытые «пасхальные яйца» — служебные данные, не описанные в документации, которые могли быть обнаружены только при обратном инжиниринге.
В современных микроконтроллерах (например, STM8, PIC) масочное ПЗУ иногда используется для хранения «загрузчика» (bootloader), который не может быть изменен даже при обновлении основной прошивки.

¶Источники

«Полупроводниковые запоминающие устройства» / под ред. В. А. Шахнова. — М.: Энергия, 1978.
«Микросхемы памяти: справочник» / В. В. Баранов, В. Н. Дьяков. — М.: Радио и связь, 1985.
«Memory Systems: Cache, DRAM, Disk» / B. Jacob, S. W. Ng, D. T. Wang. — Morgan Kaufmann, 2007.
«The Intel Microprocessors: 8086/8088, 80186/80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro Processor, Pentium II, Pentium III, Pentium 4» / B. B. Brey. — Pearson, 2008.
Техническая документация на микросхемы серий 556РТ1, 537РУ1 (АО «Ангстрем», Россия).
«Mask ROM» — Wikipedia, The Free Encyclopedia (дата обращения: 2025).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →