Mémoire morte

De nombreux ordinateurs à programme enregistré utilisent une forme de mémoire non volatile (c'est-à-dire une mémoire qui conserve ses données même hors tension) pour stocker le programme initial qui s'exécute à la mise sous tension ou au démarrage de l'ordinateur (un processus appelé ) . De même ordinateur complexe nécessite une forme de mémoire modifiable pour enregistrer les changements d' état lors de son exécution.

Dans la plupart des premiers ordinateurs à programme enregistré, comme l'ENIAC après 1948 , on utilisait des mémoires mortes (ROM) comme mémoire non volatile pour les programmes. (Avant cela, il ne s'agissait pas d'un ordinateur à programme enregistré, car chaque programme devait être câblé manuellement, une opération qui pouvait prendre des jours, voire des semaines.) La mémoire morte était plus simple à mettre en œuvre, puisqu'elle ne nécessitait qu'un mécanisme de lecture des valeurs stockées, sans possibilité de modification. Elle pouvait donc être implémentée avec des dispositifs électromécaniques très rudimentaires (voir exemples historiques ci-dessous). Avec l'avènement des circuits intégrés dans les années 1960, la ROM et sa contrepartie modifiable, la RAM statique (SRAM), furent toutes deux implémentées sous forme de réseaux de transistors sur des puces de silicium. Cependant, une cellule de mémoire ROM pouvait être implémentée avec moins de transistors qu'une cellule de mémoire SRAM, car cette dernière nécessite un verrou (composé de 5 à 20 transistors) pour conserver son contenu, tandis qu'une cellule ROM pouvait se limiter à l'absence (0 logique) ou à la présence (1 logique) d'un transistor reliant une ligne de bits à une ligne de mots. Par conséquent, la ROM pourrait être mise en œuvre à un coût par bit inférieur à celui de la RAM pendant de nombreuses années.

Dans les années 1980, la plupart des ordinateurs personnels stockaient l' interpréteur BASIC ou le système d'exploitation en mémoire ROM, car d'autres supports de stockage non volatils, comme les disques durs magnétiques, étaient trop coûteux. Par exemple, le Commodore 64 disposait de 64 Ko de RAM et de 20 Ko de ROM contenant l'interpréteur BASIC et le système d'exploitation KERNAL . Plus tard, des ordinateurs personnels ou de bureau, comme l' IBM PC XT, intégraient souvent des disques durs magnétiques et une plus grande quantité de RAM, ce qui leur permettait de charger le système d'exploitation depuis le disque vers la RAM. Seuls un noyau d'initialisation minimal et le chargeur d'amorçage restaient en ROM (le BIOS sur les ordinateurs compatibles IBM ). Cette architecture permettait un système d'exploitation plus complexe et plus facilement évolutif.

Dans les PC modernes, la mémoire ROM (mémoire morte) sert à stocker le microprogramme d'amorçage du processeur, ainsi que les différents microprogrammes nécessaires au contrôle interne des périphériques tels que les cartes graphiques , les disques durs , les disques SSD , les lecteurs optiques , les écrans TFT , etc. De nos jours, nombre de ces mémoires mortes, notamment le BIOS / UEFI , sont souvent remplacées par de la mémoire EEPROM ou Flash (voir ci-dessous), afin de permettre une reprogrammation sur place en cas de besoin de mise à jour du microprogramme. Cependant, des sous-systèmes simples et éprouvés (comme le clavier ou certains contrôleurs de communication des circuits intégrés de la carte mère, par exemple) peuvent utiliser une ROM masquée ou une mémoire OTP (programmable une seule fois).

La mémoire ROM et ses technologies de remplacement, comme la mémoire flash, sont omniprésentes dans les systèmes embarqués . On les retrouve dans une multitude d'appareils, des robots industriels aux appareils électroménagers en passant par l'électronique grand public ( lecteurs MP3 , décodeurs , etc.), tous conçus pour des fonctions spécifiques, mais basés sur des microprocesseurs à usage général . Le logiciel étant généralement étroitement lié au matériel, les modifications de programme sont rarement nécessaires sur ces appareils (qui sont généralement dépourvus de disque dur pour des raisons de coût, de taille ou de consommation d'énergie). Depuis 2008, la plupart des produits utilisent la mémoire flash plutôt que la ROM masquée, et beaucoup offrent la possibilité de se connecter à un PC pour les mises à jour du firmware ; par exemple, un lecteur audio numérique peut être mis à jour pour prendre en charge un nouveau format de fichier . Certains passionnés ont tiré parti de cette flexibilité pour reprogrammer des produits grand public et leur permettre de réaliser de nouvelles applications ; par exemple, les projets iPodLinux et OpenWrt ont permis aux utilisateurs d'exécuter des distributions Linux complètes sur leurs lecteurs MP3 et routeurs sans fil, respectivement.

La ROM est également utile pour le stockage binaire de données cryptographiques , car elle les rend difficiles à remplacer, ce qui peut être souhaitable pour améliorer la sécurité de l'information .

Comme la ROM (du moins sous forme de masque câblé) ne peut être modifiée, elle convient uniquement au stockage de données qui ne devraient pas nécessiter de modification pendant toute la durée de vie de l'appareil. C'est pourquoi la ROM a été utilisée dans de nombreux ordinateurs pour stocker des tables de consultation permettant d'évaluer des fonctions mathématiques et logiques (par exemple, une unité de calcul en virgule flottante pouvait stocker la fonction sinus afin d'accélérer les calculs). Cette solution était particulièrement efficace lorsque les processeurs étaient lents et que la ROM était bon marché par rapport à la RAM.

Il est à noter que les cartes graphiques des premiers ordinateurs personnels stockaient des tables de caractères bitmap dans la mémoire ROM. Cela signifiait généralement que la police d'affichage du texte ne pouvait pas être modifiée de manière interactive. C'était le cas pour les cartes CGA et MDA disponibles avec l'IBM PC (type 5150).

L'utilisation de la ROM pour stocker de si petites quantités de données a quasiment disparu des ordinateurs modernes à usage général. En revanche, la mémoire flash NAND s'est imposée comme support de stockage de masse ou de stockage secondaire de fichiers.

• La mémoire morte programmable (PROM), ou ROM programmable une seule fois (OTP), peut être écrite ou programmée à l'aide d'un appareil spécial appelé programmateur de PROM . Cet appareil utilise généralement des tensions élevées pour détruire ou créer de manière permanente des liaisons internes ( fusibles ou antifusibles ) au sein de la puce. Par conséquent, une PROM ne peut être programmée qu'une seule fois.
• La mémoire morte programmable effaçable (EPROM) peut être effacée par exposition à une forte lumière ultraviolette (généralement pendant 10 minutes ou plus), puis réécrite grâce à un procédé nécessitant l'application d'une tension plus élevée que la normale. Une exposition répétée aux UV finit par user l'EPROM, mais la plupart des puces EPROM supportent plus de 1 000 cycles d'effacement et de reprogrammation. Les boîtiers des puces EPROM sont souvent reconnaissables à leur fenêtre en quartz proéminente qui laisse passer la lumière UV. Après la programmation, cette fenêtre est généralement recouverte d'une étiquette pour éviter tout effacement accidentel. Certaines puces EPROM sont effacées en usine avant leur conditionnement et ne possèdent pas de fenêtre ; il s'agit alors de mémoires PROM.
• La mémoire morte programmable et effaçable électriquement (EEPROM) repose sur une structure semi-conductrice similaire à celle de l'EPROM, mais permet d'effacer électriquement la totalité de son contenu (ou des bancs de données sélectionnés ), puis de le réécrire électriquement. Il n'est donc pas nécessaire de retirer les données de l'ordinateur (qu'il s'agisse d'un ordinateur classique ou d'un ordinateur embarqué dans un appareil photo, un lecteur MP3, etc.). L'écriture ou la programmation d'une EEPROM est beaucoup plus lente (millisecondes par bit) que la lecture d'une ROM ou l'écriture dans une RAM (nanosecondes dans les deux cas).
  • La mémoire morte à écriture électrique (EAROM) est un type d'EEPROM dont les bits peuvent être modifiés individuellement ou par petitsgroupes. L'écriture est un processus très lent qui nécessite une tension plus élevée (généralement autour de 12 V ) que celle utilisée pour la lecture. Les EAROM sont destinées aux applications nécessitant des réécritures peu fréquentes et partielles. Elles peuvent servir de mémoire non volatile pour les informations critiques de configuration du système ; dans de nombreuses applications, elles ont été remplacées par la RAM CMOS alimentée par le secteur et sauvegardée par une batterie au lithium .
  • La mémoire flash (ou simplement flash ) est un type moderne d'EEPROM inventé en 1984. Elle peut être effacée et réécrite plus rapidement qu'une EEPROM classique, et les modèles les plus récents offrent une très grande endurance (plus d'un million de cycles). La mémoire flash NAND moderne optimise l'utilisation de la surface de la puce de silicium, permettant ainsi de réaliser des circuits intégrés d'une capacité allant jusqu'à 32 Go la mémoire magnétique dans certaines applications (comme les clés USB ). La mémoire flash NOR est parfois appelée mémoire flash ROM ou mémoire flash EEPROM lorsqu'elle remplace d'anciens types de ROM, mais pas dans les applications qui tirent parti de sa capacité à être modifiée rapidement et fréquemment.

En appliquant une protection en écriture , certains types de ROM reprogrammables peuvent temporairement devenir des mémoires en lecture seule.

Il existe d'autres types de mémoire non volatile qui ne sont pas basés sur la technologie des circuits intégrés à semi-conducteurs, notamment :

• Les supports de stockage optiques , tels que le CD-ROM , sont en lecture seule (analogues aux ROM masquées). Le CD-R est à écriture unique et lecture multiple (analogue aux PROM), tandis que le CD-RW prend en charge les cycles d'effacement et de réécriture (analogues aux EEPROM) ; les deux sont conçus pour être rétrocompatibles avec le CD-ROM.

• La mémoire ROM à matrice de diodes , utilisée en petite quantité dans de nombreux ordinateurs des années 1960, ainsi que dans les calculatrices de bureau électroniques et les encodeurs de clavier pour terminaux , était programmée par l'installation de diodes semi-conductrices discrètes à des emplacements précis entre une matrice de pistes de mots et de pistes de bits sur un circuit imprimé .
• Resistor or capacitor matrix ROM, used in many computers until the 1970s. Like diode matrix ROM, it was programmed by placing components at selected locations between a matrix of word lines and bit lines. ENIAC's Function Tables were resistor matrix ROM, programmed by manually setting rotary switches. Various models of the IBMSystem/360 and complex peripheral devices stored their microcode in a capacitor matrix, in variants called BCROS for balanced capacitor read-only storage on the 360/50 and 360/65, or CCROS for card capacitor read-only storage on the 360/30.
• Transformer matrix ROM achieves higher density storage than diode, resistor, or capacitor matrix ROMs, by using each matrix element to store multiple bits.
  • Dimond Ring Translator, named after Bell Labs inventor Thomas L. Dimond, in which wires are threaded through a sequence of large ferrite rings that function as transformers, coupling drive pulses to sense windings. Invented in the early 1940s, the Dimond Ring Translator was used in the #5 Crossbar Switch, and TXE telephone exchanges. Dimond Ring was the basis for most later forms of transformer-coupled or "core rope" memory.
  • Transformer Read Only Storage (TROS) on the 360/20, 360/40 and peripheral control units), is a transformer matrix ROM technology operating in the same way as the Dimond Ring Translator. It is faster and more compact than IBM's CCROS used in the IBM System/360 Model 30, but slower than IBM's BCROS used in the IBM System/360 Model 50 and Model 65.
  • Core rope memory, also known as wire braid memory, which couples drive lines to sense lines through ferrite cores, used where size, weight, and/or cost were critical. Core rope stores multiple bits of ROM per core (unlike normal read/write core memory), and was programmed by weaving "word line wires" inside or outside of ferrite transformer cores. Two different kinds of core rope memory, distinguished by whether the magnetization of the cores is flipped during operation, are known as the pulse-transformer technique and the switching-core technique
    • Dans la technique du transformateur d'impulsions, les lignes de commande sont couplées aux lignes de détection par des noyaux de ferrite, mais l'aimantation de ces noyaux n'est pas inversée et cette méthode ne dépend pas du cycle d'hystérésis magnétique, les noyaux étant utilisés uniquement comme transformateurs. Ce procédé fonctionne de la même manière que le traducteur à anneau de diamant et a été utilisé dans les ordinateurs PDP-9 et PDP-16 de DEC , les calculatrices Hewlett-Packard 9100A et 9100B, les calculatrices Wang et de nombreuses autres machines.
    • La technique de commutation des noyaux inverse l'aimantation des noyaux de ferrite. Ceci diffère sensiblement du fonctionnement d'un traducteur à anneau de diamant. Ce dernier a été utilisé dans les ordinateurs des vaisseaux spatiaux Apollo de la NASA et du MIT .
  • La mémoire à circuit imprimé à couplage inductif utilise le couplage inductif sans noyaux de ferrite, le couplage s'effectuant entre les lignes de commande et les lignes de lecture sur des plans distincts du circuit imprimé. Fonctionnant selon le même principe que le traducteur à anneau de diamant, elle était utilisée dans les calculatrices Hewlett-Packard 9100A et 9100B pour la mémoire de contrôle principale (en complément d'une mémoire à tores de ferrite à transformateur d'impulsions utilisée pour le décodeur de micro-instructions).

Bien que la vitesse relative de la RAM par rapport à la ROM ait varié au fil du temps, masqué avant sa première utilisation, puis lu depuis la RAM.

Les ROM réinscriptibles , qui fonctionnent en faisant passer des électrons à travers une couche d' isolant électrique sur la grille flottante d'un transistor , ne supportent qu'un nombre limité de cycles d'écriture et d'effacement avant que l'isolant ne soit irrémédiablement endommagé. Pour les premières EPROM, cela pouvait se produire après seulement 1 000 cycles d'écriture, tandis que pour les EEPROM Flash modernes, la durée de vie peut dépasser 1 000 000 de cycles. Cette durée de vie limitée, ainsi que le coût plus élevé par bit, expliquent que le stockage Flash ne remplacera probablement pas complètement les disques durs magnétiques dans un avenir proche.grilles flottantes des transistors des cellules mémoire. Les EEPROM de première génération, au milieu des années 1980, affichaient généralement une rétention des données de 5 à 6 ans. Une étude des EEPROM proposées en 2020 montre que les fabricants annoncent une rétention des données de 100 ans. Les environnements défavorables réduisent la durée de rétention (les fuites sont accélérées par les températures élevées ou les radiations ). Les ROM masquées et les PROM à fusible/anti-diffusion ne sont pas affectées par cet effet, car leur rétention des données dépend de la permanence physique plutôt qu'électrique du circuit intégré, bien que la régénération du fusible ait autrefois constitué un problème dans certains systèmes.