Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) [95]
Рефераты по курсу "Компьютерный практикум", "Применение персональных компьютеров", "Информационная техника" и "Сети ПК" в НИЯУ МИФИ
Аналитика (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) [1]
ТЗ учебных проектов [7]
Виртуальные калькуляторы [2]
Пресс-релизы [4]
Материалы по итогам учебных проектов
Наш опрос
Оценка сайта нано-е.рф
Всего ответов: 57
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Публикации студентов МИФИ » Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети)

Память ReRAM в сетевом оборудовании
ОГЛАВЛЕНИЕ:

Список рисунков……………………………………………………………3
1. Введение………………………………………………………………….4
1.1. Основные принципы работы ReRAM логики…………4
1.2. Преимущества и актуальность использования ReRAM………5
2. Технические характеристики ReRAM…………………………………..6
2.1. Устройство переключения………………………………………6
2.2. Интеграция с КМОП технологией — 1T-1R……….…………..7
2.3. Мемристоры в топологии «Cross-bar»………………………….8
3. Классификация мемристоров на основе материалов и применения….10
4. Элементная база в локальных сетях на основе ReRAM……………….11
4.1. Концепция элементарной ячейки ReRAM……………………..11
4.2. Реализация элементов КМОП NAND,NOR……………….…...12
4.3. ReRAM реализация микропроцессора для сетевого адаптера
типа Ethernet………………………………………..…………………14
4.3.1. Концепция…………………………………………………...14
4.3.2. Архитектура Automata Processor…………………………...15
4.3.3. Матрица маршрутизации Automata Processor…………….16
4.3.4 ReRAM реализация Automata Processor……………………17
5. Влияние элементной базы ReRAM на производительность элементов
сетей ………………………………………………………………………….18
6. Заключение………………………………………………………………...21
Источники…………………………………………………………………….22
Внешние оценки……………………………………………………………...23

СПИСОК РИСУНКОВ:
Рис.1 - Механизм переключения мемристора………………………………...5
Рис.2 - Реализация ReRAM 1T-1R .……………………………………………8
Рис.3 - Мемристоры в топологии cross-bar …………………………………...9
Рис.4. Элементарная ячейка ReRAM……………….…………………..…….10
Рис.5. Реализация NAND,NOR ячеек ReRAM……….………………………14
Рис.6. Архитектура микропроцессора AP…………………...……………….16
Рис.7. Матрица коммутации AP………………………………………………17
Рис.8. ReRAM реализация AP……………………………...…………………18
Рис.9. Сравнение ReRAM ЭБ с другими видами памяти……………..…….20

1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ RERAM ЛОГИКИ
Резистивная память (ReRAM) - один из видов энергонезависимой (NV) памяти с произвольным доступом (RAM), которая работает путем изменения сопротивления через диэлектрический твердотельный материал (обратимое резистивное переключение, часто упоминается как мемристор). Эта технология имеет некоторые сходства с оперативной памятью (CBRAM) и памятью с фазовым переходом (PCM).
Ключевые понятия:
• Обратимый резистивный переход - диэлектрик , который обычно является изолирующим, может быть проведен через нить или проводящий путь, образованный после приложения достаточно высокого напряжения. Путь проводимости может быть обусловлен различными механизмами, в том числе вакансией или миграцией дефектов металла. Как только нить сформирована, она может быть сброшена (сломана, что приводит к высокому сопротивлению) или установлена (переформирована, что приводит к снижению сопротивления) другим напряжением.
• Мемристор - это нелинейный элемент цепи, связывающий магнитный поток и заряд. В отличие от линейного (или нелинейного) резистора, мемристор имеет динамическое соотношение между током и напряжением, включая память прошлых напряжений или токов. Сопротивление мемристора зависит от интеграла входа, приложенного к клеммам. Поскольку элемент «запоминает» количество прошедшего тока, он был помечен как «мемристор» [1](Memory + resistor).

Основные принципы работы:
1. Обратимое резистивное переключение в тонких пленках.
2. Большое количество комбинаций материалов и механизмов переключения резистивного состояния.
3. Функционально очень просты.
4. Механизм переключения : реакции окисления или восстановления в тонкопленочных слоях оксидов переходных металлов.


Рис.1. Механизм переключения мемристора

1.2 ПРЕИМУЩЕСТВА И АКТУАЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ RERAM:
• По сравнению с PRAM ReRAM работает в более быстром масштабе времени (время переключения может быть менее 10 нс), в то время как по сравнению с MRAM он имеет более простую, меньшую структуру ячейки.
• По сравнению с флэш-памятью более низкое напряжение является достаточным, и, следовательно, его можно использовать в приложениях с низким энергопотреблением[2].
• Из-за относительно небольшой задержки доступа и высокой плотности ReRAM считается многообещающим кандидатом для разработки кэшей.
• ReRAM масштабируется ниже 30 нм.
• Мемристоры потенциально могут быть преобразованы в энергонезависимую твердотельную память, которая может обеспечить большую плотность данных, чем жесткие диски со временем доступа, аналогичным DRAM.
• HP создала прототип запоминающего устройства с поперечной защелкой, который может вмещать 100 гигабит на квадратный сантиметр, и предложила масштабируемый 3D-дизайн.
Все эти достоинства создают огромный потенциал использования элементной базы на основе ReRAM технологий, которая будет подробнее рассмотрена в следующих главах.

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ RERAM

2.1 УСТРОЙСТВО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
Для некоторых мемристоров(ReRAM) ток приложенный к элементу или напряжение становятся причиной изменения сопротивления. Такие устройства могут быть охарактеризованы как переключатели путем исследования времени и энергии, которые должны быть потрачены для достижения требуемого изменения сопротивления. Конечно, в предположении, что приложенное напряжение остается неизменным.
Решение интеграла зависимости энергии переключения от времени показывает, что эта энергия зависит от изменения заряда (включенного и выключенного состояния) и от распределения заряда в объеме[1]. Эта характеристика мощности существенно отличается от характеристики полупроводникового транзистора на основе оксида металла. В отличие от транзистора, конечное состояние мемристора с точки зрения заряда не зависит от напряжения смещения.

2.2 ИНТЕГРАЦИЯ С КМОП ТЕХНОЛОГИЕЙ - 1T1R
Для типов памяти с произвольным доступом наиболее предпочтительна архитектура 1T1R (один транзистор, один резистор), потому что транзистор изолирует ток от ячеек, которые были выбраны из ячеек, проводящих ток. Однако, архитектура с перекрестными точками более компактна и может обеспечивать вертикальное размещение слоев памяти, подходящих для устройств хранения данных. Однако при отсутствии транзисторов изоляция должна обеспечиваться устройством «селектора» - это диод включенный последовательно с элементом памяти. Дело в том, что такой тип изоляции уступает использованию транзисторов, если отношение включения/ выключения для селектора ограничивает возможность работы с очень большими массивами в этой архитектуре. Пороговый переключатель на основе тонкой пленки может работать как селектор для биполярного и однополярного ReRAM.


Рис.2. Реализация ReRAM 1T-1R

2.3 МЕМРИСТОРЫ В ТОПОЛОГИИ «СROSS-BAR»
Сrossbar switch (cross-point switch) представляет собой набор переключателей , расположенных в матричной конфигурации. Переключатель перекладины имеет множество входных и выходных линий, которые образуют перекрестную схему соединительных линий, между которыми может быть установлено соединение путем замыкания переключателя, расположенного на каждом пересечении элементов матрицы. Первоначально поперечный переключатель состоял буквально из пересекающихся металлических стержней, которые обеспечивали входные и выходные пути. Более поздние реализации достигли той же топологии переключения в полупроводниковых микросхемах твердого тела. Перекрестный переключатель является одной из основных архитектур переключателей вместе с поворотным переключателем. Из преимуществ использования меристоров в данной архитектуре можно выделить исключительно высокую плотность элементов памяти и использование BEOL процесса, а вот к недостаткам следует отнести нелинейную ВАХ и отсутствие селекторов[1].


Рис.3. Мемристоры в топологии cross-bar

3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕМРИСТОРОВ НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ И ПРИМЕНЕНИЯ
• Сегнетоэлектрический мемристор - мемристор, основанный на тонком сегнетоэлектрической барьере, расположенном между двумя металлическими электродами. Переключение поляризации сегнетоэлектрического материала методом подачи положительного или отрицательного напряжения на переход может привести к изменению сопротивления на два порядка (эффект, называемый туннельным электросопротивлением). Нужно отметить, поляризация не изменяется резко. Переключение происходит постепенно за счет зарождения и роста сегнетоэлектрических доменов с противоположной поляризацией[4]. Основное преимущество сегнетоэлектрического мемристора заключается в том, что можно регулировать динамику сегнетоэлектрического домена.
• Мемристор из углеродных нанотрубок. Эффект мемристора также наблюдается в структуре на основе вертикально выровненных углеродных нанотрубок. Было установлено, что memristive переключение наблюдается в случаях когда нанотрубка имеет неравномерную упругую деформацию. Mеханизм переключения основан на формировании и последующем перераспределении пьезоэлектрических полей в нанотрубке под действием внешнего электрического поля.
• Спинтронный мемристор. В данном устройстве сопротивление возникает, когда спин электронов в одной секции устройства направлен в направлении, отличном от направления спина в другой секции, создавая «доменную стенку», границу между двумя секциями. Электроны, поступающие в устройство, имеют определенный спин, который изменяет состояние намагниченности устройства. Изменение намагниченности, в свою очередь, перемещает доменную стенку и изменяет сопротивление. Первое экспериментальное доказательство спинтронного мемристора, основанное на движении доменных стенок спиновыми токами в магнитном туннельном переходе, было представлено в 2011 году[4].

4. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ НА ОСНОВЕ RERAM

4.1. КОНЦЕПЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЯЧЕЙКИ RERAM
Открытые компоненты схем с памятью, или «мем-элементы» (мемристоры, мем-емкости и мем-индукторы), способны сами одновременно выполнять как обработку, так и хранение информации. В условиях такого модуля, объединяющего в своих элементах процессоры и все виды памяти, полный цикл работы с начальными и промежуточными данными происходит быстро и параллельно в одном месте.
Состояния «мем-элементов» подстраиваются под входные сигналы и обеспечивают аналоговые возможности, которые недоступны в стандартных ячейках электроники. Это обеспечивает максимальную эффективность массивно-параллельных вычислений (многопоточные вычисления)[5].
Особенности ячейки:
1. МИМ - конденсатор с обратимым резистивным переключением.
2. Размер - вплоть до 10³ нм³.
3. Энергопотребление - до пДж.
4. Могут быть интегрированы в 3D-кросс бары.
5. Сопротивление может изменяться в диапазоне до 30%, в зависимости от направления, интенсивности и продолжительности входного тока.


Рис.4. Элементарная ячейка ReRAM

4.2. РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КМОП (NAND,NOR) НА БАЗЕ RERAM
• Физическая реализация этих дифференциальных схем использует два транзистора pMOS для включения питания. Это сделано с целью контроля подключения входных и пороговых массивов информации к напряжению считывания и питания. Такая функциональность позволяет избежать ухудшения логического состояния фиксирующего элемента, а также улучшить стабильность работы даже с шумными входными массивами информации.
• Схемы NAND,NOR ReRAM также обеспечивают более низкое энергопотребление, из-за того, что дифференциальная часть отключена и не потребляет мощность на этапе оценки[5].
• Выходные сигналы NAND(CO) и NOR(CO) остаются на нестабильном промежуточном логическом уровне во время выравнивания логики.
• Логика для высокого входного напряжения на соответствующем входе является непроводящей (логика «0») в то время как для низкого входного напряжения соответствующий вход является проводящим (логика «1»).
• Одним из наиболее важных преимуществ, является вычисление сложных булева функций практически с одной и той же схемой, просто за счет использования параллельного процесса вычисления.


Рис.5. Реализация NAND,NOR ячеек ReRAM

4.3. RERAM РЕАЛИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРА ДЛЯ СЕТЕВОГО АДАПТЕРА ТИПА ETHERNET

4.3.1. КОНЦЕПЦИЯ
Automata Processor (AP) - это специальная реализация микроконтроллера для сетевого адаптера Ethernet(контролера адаптера,TxMAC and RxMAC Processor), которая выполняет сопоставление с внутренним образцом путем изучения параллельных переходов состояний. Реализация обычно содержит иерархическую коммутацию сети, вызывающую длительные задержки. Поэтому в основе работы PA — методология разделения такой иерархической коммутационной сети на несколько конвейерных этапов, что позволяет обрабатывать несколько входных последовательностей параллельно с использованием мультиплексирования и с разделением по времени. Также используется новая резистивная точка доступа на основе ReRAM ОЗУ. Такой подход увеличивает пропускную способность почти в 2 раза за счет накладных расходов на предельные площади. Также, AP обрабатывает несколько входных потоков одновременно, чтобы увеличить пропускную способность. Cache PA использует двухэтапный конвейер для обработки входного символа. Один из этих этапов содержит иерархическую сеть коммутации, которая состоит из глобальных и локальных маршрутизаторов. Коммутационная сеть реализует переходы состояний автоматов. Поэтому этот этап конвейера является узким местом, ограничивающим скорость и пропускную способность Cache Automation[6]. Kонцепция ReRAM-AP показывает потенциал создания автоматических микропроцессоров с использованием массивов резистивной оперативной памяти (RRAM), которые даже быстрее, чем массивы SRAM.

4.3.2. АРХИТЕКТУРА AUTOMATA PROCESSOR(AP)
Обработка нескольких входных потоков одновременно с более высокой частотой, используя мультиплексирование с временным разделением (TDM). Это реализуется путем конвейерной сети иерархической коммутации и добавления схемы мультиплексирования.
AP содержит ускоритель автоматов на основе ReRAM и интегрирует в него предложенную методологию TDM, которая реализована с использованием технологии ReRAM[6].
Условно, вся архитектура , представленная на рисунке 6 состоит из трех основных частей: соответствие входного символа (1) - на этом шаге идентифицируются все состояния, у которых есть входящий переход, определенный из таблицы коммутации маршрутизатора, обработка активного состояния (2) - генерация всех возможных состояний, которые могут быть достигнуты из текущие активных состояний(хранятся в матрице маршрутизации), идентификация выхода (3) - определение валидности входной последовательности - содержит ли состояния, которые принимает автомат.

4.3.3. МАТРИЦА МАРШРУТИЗАЦИИ AUTOMATA PROCESSOR
Чтобы определить активные состояния, существующие реализации AP используют иерархические сети коммутации для матрицы маршрутизации. Например, Cache Automaton использует сеть, состоящую из глобальных и локальных коммутаторов. Если связь происходит внутри фрагмента, используется только локальная маршрутизация, противном случае также используется глобальная маршрутизация.
Активный вектор всегда разделен на несколько групп. У каждой группы есть несколько сигналов, которые поступают в глобальные коммутаторы, используемые для связи между ячейками. Выходы глобальных коммутаторов, объединенные с начальным вектором используются в качестве входных данных для локальных коммутаторов. Поскольку глобальные коммутаторы используются для формирования взаимосвязи между различными фрагментами сети, они страдают от длинных глобальных кадров.


Рис.7. Матрица коммутации AP

4.3.4. RERAM РЕАЛИЗАЦИЯ AUTOMATA PROCESSOR
Микросхема содержит 64 фрагмента, 8 глобальных коммутаторов и схему, обеспечивающую TDM - Time division multiplexing AP - (мультиплексор, демультиплексор и два буфера между ними). Основной модуль состоит из массива STE (содержащего 256 STE и декодер), локального коммутатора, вектора принятия, побитового логического элемента И и буфера (хранящего 256 бит). Размеры глобальных и локальных коммутаторов составляют 128 × 128 и 280 × 256 соответственно[6].
Массивы STE, глобальные и локальные коммутаторы и вектор принятия реализованы на массиве с одним транзистором ReRAM (1T1R). Эти массивы вычисляют произведение векторной матрицы, где двоичный вектор применяется в качестве входных данных для строк слова, а матрица двоичной конфигурации сохраняется в ReRAM. Предполагая, что коммутационная сеть работает в M фазах, MUX объединяет M входных потоков в один, выбирая в каждом цикле символ из входного потока циклическим образом.


Рис.8. ReRAM реализация AP

5. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ RERAM НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ СЕТЕЙ
Наблюдающееся в мемристоре явление гистерезиса позволяет использовать его в качестве ячейки памяти в компонентах коммутатора или сетевого адаптера, либо в других устройствах локальных сетей, использующих в своей архитектуре контроллеры — контроллеры адаптера, TxMAC или RxMAC Processors. Реализация таких компонент памяти по технологии ReRAM дает несколько преимуществ:
• Повышенная плотность информации (компактность, цена). Умение мемристоров «запоминать» заряд позволит отказаться от загрузки процессора маршрутизатора: в памяти процессора, отключённого от питания, будет храниться его последнее состояние. Это же свойство позволит отказаться от некоторых компонентов современных машрутизаторов, что позволит сделать их компактнее и дешевле. Производство мемристоров несложно и легко реализуемо при использовании современных технологий производства компьютерных чипов.
• Данные, записанные в мемристоры, могут храниться годами, а каждая ячейка, согласно расчетам, без потери информации сможет выдержать 1,000,000,000,000 циклов стирания-записи. Плотность хранения данных в мемристорных микросхемах памяти увеличится по сравнению с флэш-памятью минимум в два раза, а расход энергии уменьшится в 10 раз. И это при стоимости, такой же, как и стоимость флэш-памяти[6].
• Повышенная скорость. Преимущества мемристоров по сравнению с флэш-памятью огромны, время чтения информации из одной ячейки составляет 10 наносекунд, а время стирания и записи - 0.1 наносекунды. Скорость увеличивается в 10 раз.
Это означает, что всю память RAM, DRAM, NVRAM, Flash, используемую в современных коммутаторах или маршрутизаторах - таблицы маршрутизации, кэш протоколов, файлы конфигурации, коды команд, версии IOS Cisco и другое — можно заменить памятью ReRAM с соответствующими преимуществами.


Рис.9. Сравнение ReRAM ЭБ с другими видами памяти

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Прежде всего, использование ReRAM элементов позволит одному и тому же устройству выступать одновременно в качестве процессора и памяти. Современные компьютеры, как известно, помимо процессоров, содержат и дополнительные устройства памяти, как оперативной, так и постоянной. Совместив все эти компоненты в одном, можно избежать затрат времени на обмен данными между устройствами, таким образом, система на мемристорах будет работать намного быстрее и потреблять, при этом, существенно меньшее количество энергии.
Во-вторых, мемристоры могут иметь размеры, намного меньшие, чем размеры транзисторов. Как известно, законы квантовой механики ограничивают минимальные размеры транзисторов значениями, к которым вплотную подбираются современные технологические процессы. Использование мемристоров позволит соблюдать закон Гордона Мура еще достаточно длительное время, не прибегая к экзотическим и дорогостоящим уловкам, таким как графеновые транзисторы или квантовые вычисления.
И, наконец, мемристоры способны хранить многоразрядную информацию и сохранять состояние своей памяти даже без источника питания (энергонезависимого), в то время как их применение в электронике ускоряется благодаря дополнительным преимуществам, которые они предоставляют, таким как лучшее масштабирование области, низкое энергопотребление и CMOS-совместимость , Следовательно, мемристорные устройства считаются одним из наиболее многообещающих кандидатов для следующего поколения интегральных схем, систем(в том числе и локальных сетей) и архитектур.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1: А.Зенкевич, "Альтернативные концепции резистивной и сегнетоэлектрической памяти : статус и перспективы", МФТИ, https://sk.ru/news/m/skmedia/19333/download.aspx 2017
2: А.Петров, Л.Алексеева, "На пути к нейроморфной мемристорной компьютерной платформе", научно-технический журнал "НаноИндустрия", http://www.nanoindustry.su/journal/article/5127 2016
4: Hiro Akinaga, Hisashi Shima, "ReRAM technology; challenges and prospects", IEICE Electronics Express, https://www.jstage.jst.go.jp/article/elex/9/8/9_8_795/_pdf/-char/en 2012
5: Yu, Jintao, Du Nguyen, "Time-division Multiplexing Automata Processor", Test in Europe Conference Exhibition (DATE), https://pure.tudelft.nl/portal/files/47776262/tdm_automata_postprint.pd 2019
6: Georgios Papandroulidakis, Alexantrou Serb, "Practical Implementation of Memristor-Based Threshold Logic Gates", Electronic Materials & Devices Research, https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1810/1810.03333.pdf 2017
Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: vanin2013 (23.12.2019)
Просмотров: 302 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта