Российский Университет Дружбы Народов
Инженерная академия
Кафедра кибернетики и мехатроники
Курс «Введение в наноинженерию»
"Умная и разумная нанопамять"
Студент ИИб-201 (2 курс): Бигвава Г. Б.
Преподаватель: доцент Лапшинский В. А.
Москва 2016 г.
Аннотация
В этой работе рассказывается о памяти в целом, а также показан ее путь от обычной, аналоговой, до «разумной» памяти с ее элементной базой на примере мемристоров. Такие объекты имеют непосредственное отношение к наноинженерии и дальше, в частности, к компьютерам. В приложении содержатся дополнительные рисунки, таблицы и информация, сопряженная с данной в реферате, а также небольшой теоретический тест.
В работе: рисунков 18, таблиц 1, страниц 24, источников 12.
Глоссарий терминологии, сокращения и обозначения.
Нанотехнология (НТ) ‒ это область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Наноинженерия (НИ) ‒ научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных (наноструктурированных) объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий.
АЗУ ‒ (англ. CAM – Content-Addressable Memory) ассоциативное запоминающее устройство, информация из которого извлекается не по адресу, а по некоторым признакам, содержащимся в запросе.
Мемристор ‒ (англ. memristor, от memory ‒ память, и resistor ‒ электрическое сопротивление) ‒ пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы). Является элементом памяти.
ИМС ‒ интегральная микросхема. Это микроэлектронное устройство ‒ электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.
Криотрон ‒ это устройство, использующее свойства сверхпроводимости.
Трансфлюктор ‒ запоминающий элемент цифровых вычислительных машин, перераспределяющий магнитные потоки. Основным преимуществом является уменьшение влияния магнитных силовых линий сердечника на индуктивность обмотки.
Биакс ‒ (от лат. bis ‒ дважды, лат. axis ‒ ось) ‒ ферритовый запоминающий элемент с разветвленным магнитопроводом, в котором магнитные потоки замыкаются вокруг двух взаимно перпендикулярных отверстий с пересекающимися осями. В отличие от ферритовых колец, элемент позволяет многократно считывать записанную информацию без её разрушения.
Тонкая магнитная пленка ‒ поли- или монокристаллический слой ферромагнитного металла, сплава или магнитного окисла (феррита и др.) толщиной от 0,01 до 10 мкм. Находит применение в качестве запоминающих элементов в вычислительной технике и индикаторов при физических исследованиях.
АП ‒ ассоциативная память.
ЭП ‒ элемент памяти.
Биполярный транзистор ‒ трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей ‒ электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.
Кэш-память ‒ (англ. cache, от фр. cacher ‒ «прятать») ‒ промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше осуществляется быстрее, чем выборка исходных данных из более медленной памяти или удаленного источника, однако её объём существенно ограничен по сравнению с хранилищем исходных данных.
RAM – запоминающее устройство с произвольным доступом (сокращённо ЗУПД), также запоминающее устройство с произвольной выборкой (сокращённо ЗУПВ; англ. Random Access Memory, RAM) – один из видов памяти компьютера, позволяющий единовременно получить доступ к любой ячейке (всегда за одно и то же время, вне зависимости от расположения) по её адресу на чтение или запись.
PPM – миллионная доля.
Бит – единица измерения информации.
Трит – логарифмическая единица измерения в теории информации, минимальная целая единица измерения количества информации источников с тремя равновероятными сообщениями. Энтропию в 1 трит имеет источник информации с тремя равновероятными состояниями. Проще говоря, по аналогии с битом, который «уменьшает незнание» об исследуемом объекте в два раза, трит «уменьшает незнание» в три раза. Один трит равен log23 (около 1.58496) битам информации.
Квантовый хаос – (англ. quantum chaos, нем. Quantenchaos) – в физике: динамика квантовых систем, являющихся хаотическими в классическом пределе.
Кромка хаоса – проще говоря, приближение в ходе наноинженерных решений к таким микроскопическим объектам, которые подвластны квантовому взаимодействию непосредственно элементов материи: появляется коллективное взаимодействие. Суть проблемы в непредсказуемости свойств объектов, в которых такое взаимодействие проявляется особенно сильно.
Содержание
1. Введение……………………………………………………………………………………………стр.3
1.1. Память в истории, типы хранения данных…………………………………………………..стр.3
2. Основная часть……………………………………………………………………………………стр.6
2.1. Запоминающее устройство………………………………...………………………………..стр.6
2.1.1. ЗУ, типы и характеристики..…………………………………………………………...стр.6
2.1.2. История «умной памяти»…………………….………...................................................стр.8
2.2. АЗУ………………………………………………………………………………..……………стр.10
2.2.1. Понятие АЗУ………………………………………………………………………….....стр.10
2.2.2. Принцип работы и структура…………………………………………………………..стр.11
2.2.3. Области применения……………………………………………………………………стр.13
2.2.4. Актуальность и проблематика…………………………………………………………стр.14
2.3. Элементная база………………………………………………………………………………стр.15
2.3.1. История мемристора и принцип его работы..…………………………………………стр.15
2.3.2. О преимуществах новых разработок…………………………………………………..стр.18
3. Заключение…………………………………………………………………………………………стр.19
4. Список литературы………………………………………………………………………………..стр.20
5. Приложение…………………………………………………………………………………..…….стр.21
«Закопай глубоко,
Навали камней.
Всё равно отыщу
Кладбище костей.»
Загадка про память
ВВЕДЕНИЕ
Память в истории, типы хранения данных
Необходимость обмена информацией, сохранения письменных свидетельств о своей жизни и т. п. существовала у человека всегда. За всю историю человечества было перепробовано множество носителей информации. Так как носитель обладает рядом параметров, эволюция носителя информации определялась тем, какие требования к нему предъявлялись.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ЗУ (Запоминающее устройство)
ЗУ, типы и характеристики
Запоминающее устройство ‒ носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.
Классифицируют ЗУ по множеству различных параметров, а именно:
- По устойчивости записи и возможности перезаписи:
- Постоянные ЗУ (ПЗУ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, DVD-ROM). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации
- Записываемые ЗУ, в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, DVD-R)
- Многократно перезаписываемые ЗУ (например, DVD-RW)
- Оперативные ЗУ (ОЗУ) обеспечивает режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки
- По типу доступа:
- Устройства с последовательным доступом (например, магнитные ленты)
- Устройства с произвольным доступом (RAM) (например, оперативная память)
- Устройства с прямым доступом (например, жесткие магнитные диски)
- Устройства с ассоциативным доступом (специальные устройства, для повышения производительности БД)
- По геометрическому исполнению:
- Дисковые (магнитные диски, оптические, магнитооптические)
- Ленточные (магнитные ленты, перфоленты)
- Барабанные (магнитные барабаны)
- Карточные (магнитные карты, перфокарты, флэш-карты, и др.)
- Печатные платы (карты DRAM)
- По физическому принципу:
- Перфорационные (перфокарта; перфолента)
- С магнитной записью (ферритовые сердечники, магнитные диски, магнитные ленты, магнитные карты)
- Оптические (CD, DVD, HD-DVD, Blu-ray Disc)
- Использующие эффекты в полупроводниках (флэш-память) и другие
- А также по форме записанной информации выделяют аналоговые и цифровые запоминающие устройства
Рассмотрим поподробнее так называемые ПЗУ и ОЗУ.
Постоянное запоминающее устройство или ПЗУ предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.
В ПЗУ находятся: программа управления работой процессора, программа запуска и остановки компьютера, программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков, программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, информация о том, где на диске находится операционная система.
ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.
Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) ‒ предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кэш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.
ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера.
На сегодня наибольшее распространение имеют два вида ОЗУ: SRAM (Static RAM) и DRAM (Dynamic RAM).
SRAM ‒ ОЗУ, собранное на триггерах, называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти ‒ скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи.
DRAM ‒ более экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов). Есть и свои минусы. Во-первых, память на основе конденсаторов работает медленнее, поскольку если в SRAM изменение напряжения на входе триггера сразу же приводит к изменению его состояния, то для того чтобы установить в единицу один разряд (один бит) памяти на основе конденсатора, этот конденсатор нужно зарядить, а для того чтобы разряд установить в ноль, соответственно, разрядить. А это гораздо более длительные операции (в 10 и более раз), чем переключение триггера, даже если конденсатор имеет весьма небольшие размеры. Второй существенный минус ‒ конденсаторы склонны к «стеканию» заряда; проще говоря, со временем конденсаторы разряжаются. Причём разряжаются они тем быстрее, чем меньше их ёмкость. В связи с этим обстоятельством, дабы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов необходимо регенерировать через определённый интервал времени ‒ для восстановления. Регенерация выполняется путём считывания заряда (через транзистор). Контроллер памяти периодически приостанавливает все операции с памятью для регенерации её содержимого, что значительно снижает производительность данного вида ОЗУ. Память на конденсаторах получила своё название Dynamic RAM (динамическая память) как раз за то, что разряды в ней хранятся не статически, а «стекают» динамически во времени.
Таким образом, DRAM дешевле SRAM и её плотность выше, что позволяет на том же пространстве кремниевой подложки размещать больше битов, но при этом её быстродействие ниже. SRAM, наоборот, более быстрая память, но зато и дороже. В связи с этим обычную память строят на модулях DRAM, а SRAM используется для построения, например, кэш-памяти в микропроцессорах[8].
История «умной памяти»
Путь к умной, а далее к разумной, памяти на кафедре «Микроэлектроники» МИФИ берет начало в первой половине 70-х годов прошлого столетия. Там небольшой группой сотрудников велись интенсивные работы в области интегральных микросхем (ИМС) полупроводниковой памяти. В частности, в направлении разработки быстродействующих и сверхбыстродействующих ИМС на биполярных транзисторах.
Работы в области ИМС памяти на биполярных транзисторах, в основном, имели схемотехническую и архитектурную направленность. В области схемотехники главными достижениями являются разработка маломощного 4-х транзисторного элемента памяти (ЭП) с минимальной для того времени площадью на основе инжекционной логики. И, конечно, детально проработанной схемотехники больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС) оперативной памяти (ОЗУ) на его основе (и не только на основе данного ЭП).
(Рис.1 Элемент памяти с инжекционным питанием (а) и его топология (б))
Все эти разработки считались значимыми, что видно на следующем рисунке роста функциональных возможностей ИМС.
(Рис.2 Генезис роста функциональных возможностей ИМС памяти (из диссертации В.А. Лапшинского "Процессрно-ориентированная организация как метод повышения эффективности СБИС памяти, 1981 г.)
Что касается архитектурной составляющей научных разработок ИМС памяти, то была опубликована целая серия статей и обзоров. В них было показано и сделан уверенный вывод о том, что расширение функциональных возможностей и так называемая «процессорно-ориентированная» организация ИМС памяти, построенных практически на любой доступной элементной базе – это одно из главных направлений их совершенствования и эффективного применения. При этом тогда считалось, что типовые функции ИМС памяти – это хранение, запись и считывание данных. А дополнительные – возможность перестроения организации (в частности, в так называемых «базовых кристаллах памяти», в которых «настройка» происходила либо на этапе металлизации кристалла либо при его сборке в корпус. Причем настройка как матрицы памяти, так и схем или блоков обрамления, которые матрицей ЭП управляют. Например, предлагалось выполнять настройку различных способов разрядности ввода/вывода данных или адреса в «базовом» кристалле памяти. Кроме того, к дополнительным функциональным возможностям «умной» памяти тогда относились: самотестирование и самоконтроль, резервирование и саморезервирование как на уровне матрицы ЭП, так и для схем управления матрицей, саморегенерация (в случае квази- или псевдостатических ИМС ОЗУ). И прочие «само» путем создания специализированного процессора, встроенного в ИМС памяти. И это, не считая разработки принципов и конкретных схемотехнических и структурных решений для снижения потребления мощности ИМС памяти путем активно-пассивного питания.
(Рис.3 Дополнительные функциональные возможности ИМС "умной" памяти в 70-80 гг.)
Однако, во-первых, в те времена в отечественной периодике, монографиях и учебниках не было принято говорить и писать об ИМС памяти и системах полупроводниковых ЗУ с интеллектом или «умной» (smart) и, тем более, о «разумной» (intelligent) памяти, поскольку это считалось лишь привлекательным журналистским приемом. А во-вторых, в силу различных обстоятельств и борьбы людей за выживание работы в области ИМС памяти с расширенными функциональными возможностями и процессорно-ориентированной организацией на кафедре в 90-е годы были практически свернуты. Так и не удалось получить для испытаний хотя бы опытные образцы кристаллов памяти с процессорно-ориентированной организацией. Потому дальнейшее развитие этого сегмента технологий в основном лежит на зарубежных плечах.
В зарубежной литературе 90-х и 0-х гг. можно найти достаточно много примеров архитектурных и структурных решений, связанных и с расширением, и с процессорной ориентированностью массово производимых и используемых в различных системах ЗУ микросхем памяти разных типов: оперативных, полу- и постоянных ИМС ЗУ, ПЗС, флэш-памяти и т.д.
(Рис.4 Топология ИМС "умной" памяти с архитектурой IRAM и V-IRAM)
За рубежом исследования в области «умной» полупроводниковой стали набирать быстрые темпы. В 1996 г. в Бэркли стартовал проект «умной памяти» и векторного процессора на его основе. Более того, в 1996-97 гг. научной периодике и на престижных конференциях на Западе для «умной» памяти появились новые признанные термины. Например, i-RAM (intellegent random-access memory – интеллектуальное ОЗУ или ЗУ с произвольной выборкой) и/или PIM (Proccessor-In-Memory – «процессор-в-памяти»). Появились и другие термины с названиями для ИМС "умной" памяти и различных систем на их основе. А позже появляется ассоциативное запоминающее устройство[9].
АЗУ (Ассоциативное запоминающее устройство)
Понятие АЗУ
АЗУ (англ. CAM – Content-Addressable Memory, рус. Ассоциативное Запоминающее Устройство) ‒ это запоминающее устройство цифровых вычислительных машин, в котором выборка (запись) производится не по конкретному адресу, а по заданному сочетанию (ассоциации) признаков, свойственных искомой информации. Такими признаками могут быть: часть слова (числа), приданная ему для обнаружения среди других слов, некоторые особенности самого слова (например, наличие определённых кодов в его разрядах), абсолютная величина слова, нахождение его в заданных пределах и др[2].
(Рис.5 Стенд для испытаний ИМС АЗУ)
В отличие от обычной машинной памяти (памяти произвольного доступа, или RAM), в которой пользователь задает адрес памяти и ОЗУ возвращает слово данных, хранящееся по этому адресу, АП разработана таким образом, чтобы пользователь задавал слово данных, и АП осуществляла его поиск, чтобы выяснить, хранится ли оно где-либо в памяти. Если слово данных найдено, АП возвращает список одного или более адресов хранения, где слово было найдено (и в некоторых архитектурах, также возвращает само слово данных, или другие связанные части данных). Таким образом, АП ‒ аппаратная реализация того, что в терминах программирования назвали бы ассоциативным массивом[3].
Как и любое запоминающее устройство, АЗУ характеризуются:
- быстродействием
- емкостью памяти
- надежностью работы
- разрядностью
- методом доступа к данным
- стоимостью единицы памяти
Принцип работы и структура
Действие АЗУ основано на представлении всей информации в виде ряда зон в зависимости от свойств и характерных признаков. При этом поиск информации сводится к определению зоны по заданным признакам путём просмотра и сравнения их с признаками, хранимыми в АЗУ. Существуют 2 основных способа реализации АЗУ. Первый ‒ построение памяти, запоминающие ячейки которой обладают свойством одновременно выполнять функции хранения, неразрушающего считывания и сравнения. Такой способ реализации АЗУ называется схемным параллельно-ассоциативным, т. е. необходимые наборы признаков хранятся во всех ячейках памяти, и информация, обладающая заданным набором признаков, ищется одновременно и независимо по всему объёму. Прототипом такой АЗУ служат картотеки на перфорационных картах с краевой перфорацией. В качестве запоминающих элементов, схемно реализованных АЗУ, используются тонкоплёночные криотроны, трансфлюксоры, биаксы, магнитные тонкие плёнки и др.
(Рис.6 Структурно-логическая схема кристалла АЗУ)
Второй способ реализации АЗУ ‒ программная организация (моделирование), заключающаяся в том, что ассоциативные связи между хранящейся в памяти информацией устанавливаются путём упорядоченного расположения её в виде последовательных цепочек или групп (списков), связанных адресами связи, коды которых хранятся в тех же ячейках памяти. Этот способ наиболее удобен для практической реализации при больших объёмах информации, т. к. обеспечивает применение обычных накопителей с адресным обращением[2].
Так как устройство с ассоциативной памятью предназначено для повышения скорости доступа при работе с базами данных, то наиболее целесообразно выполнить его в виде отдельной платы расширения для компьютера. Впоследствии на основании этой платы может быть создан сопроцессор данных (SQL-сопроцессор).
Плата расширения с ассоциативной памятью должна обладать следующими конструктивными особенностями:
- Возможность адресного и ассоциативного доступа к хранящимся в памяти данным. Адресный доступ необходим для того, чтобы можно было бы работать с конкретной записью. Кроме того, при наличии адресного доступа становится возможным использование библиотек тестов, разработанных для адресной памяти.
- Модульная конструкция памяти. Так как заранее невозможно определить круг задач, решаемых устройством, то ассоциативная память должна быть максимально гибкой и допускать возможность настройки для решения различных задач.
- Устройство управления ассоциативной памятью должно при помощи микропрограмм выполнять не менее 90% запросов, направляемых к памяти. В остальных случаях с памятью работают как с обычной адресной памятью, или производят выборку на базе имеющихся микропрограмм с последующей обработкой результатов[5].
(Рис.7 Топология чипа АЗУ)
По типу можно разделить ассоциативную память на двоичную и троичную АП.
Двоичная АП ‒ простейший тип ассоциативной памяти, который использует слова поиска данных, состоявшие полностью из единиц и нулей. В троичной АП (Ternary Content Addressable Memory, TCAM) добавляется третье значение для сравнения «X» или «не важно», для одного или более битов в сохраненном слове данных, добавляя дополнительную гибкость поиску.
Например, в троичной АП могло бы быть сохранено слово «10XX0», которое выдаст совпадение на любое из четырех слов поиска «10000», «10010», «10100», или «10110». Добавление гибкости к поиску приходит за счет увеличения сложности памяти, поскольку внутренние ячейки теперь должны кодировать три возможных состояния вместо двух. Это дополнительное состояние обычно осуществляется добавлением бита маски «важности» («важно»/«не важно») к каждой ячейке памяти[3].
Области применения
Итак, для начала обозначим, что применение АЗУ значительно облегчает программирование и решение информационно-логических задач, в сотни (тысячи) раз ускоряет поиск, анализ, классификацию и обработку данных.
Адресуемая содержанием память часто используется в компьютерных сетевых устройствах. Например, когда сетевой коммутатор (switch) получает фрейм данных на один из его портов, это обновляет внутреннюю таблицу с источником MAC-адреса фрейма и порта, на который он был получен. Потом он ищет MAC-адрес назначения в таблице, чтобы определить, на какой порт фрейм должен быть отправлен, и отсылает его на этот порт. Таблица MAC-адресов обычно реализована на двоичной АП, таким образом порт назначения может быть найден очень быстро, уменьшая время ожидания коммутатора.
Троичные АП часто используются в тех сетевых маршрутизаторах, в которых у каждого адреса есть две части: (1) адрес сети, который может измениться в размере в зависимости от конфигурации подсети, и (2) адрес хоста, который занимает оставшиеся биты. У каждой подсети есть маска сети, которая определяет, какие биты ‒ адрес сети и какие биты ‒ адрес хоста. Маршрутизация делается путём сверки с таблицей маршрутизации, которую поддерживает маршрутизатор (router). В ней содержатся все известные адреса сети назначения, связанная с ними маска сети и информация, необходимая пакетам, маршрутизируемым по этому назначению. Маршрутизатор, реализованный без АП, сравнивает адрес назначения пакета, который будет разбит, с каждым входом в таблице маршрутизации, выполняя при этом логическое И с маской сети и сравнивая результаты с адресом сети. Если они равны, соответствующая информация направления используется, чтобы отправить пакет. Использование троичной АП для таблицы маршрутизации делает процесс поиска очень эффективным. Адреса хранятся с использованием бита «не важно» в части адреса хоста, таким образом поиск адреса назначения в АП немедленно извлекает правильный вход в таблице маршрутизации; обе операции ‒ применения маски и сравнения ‒ выполняются аппаратно средствами АП[3].
Плата расширения может быть использована для повышения производительности серверов (за счет обработки информации на этапе считывания из памяти, а также уменьшения нагрузки на шины) баз данных типа ORACLE и SQL SERVER, расположенных на машинах x86, а также для обработки графики, при этом применение платы расширения должно быть оправдано по критерию "стоимость ‒ эффективность" (то есть применение платы стоимостью 100-200$ приводит к увеличению производительности машины раза в полтора).
В дополнение к этому, станет невозможным несанкционированное копирование программ. Так как при работе программы постоянно происходит обращение к плате расширения, то без нее программа просто не запустится или будет работать в демо-режиме с соответствующими ограничениями. При этом количество одновременно работающих программ ограничено количеством устройств.
Вообще, стоит отметить, что использование специальных аппаратных средств для повышения производительности компьютера при выполнении узкоспециализированных задач ‒ достаточно традиционный подход к решению проблемы. Если вспомнить историю, то в начале 80-х годов для ускорения расчетов был создан математический сопроцессор, а в середине 90-х для ускорения вывода графики ‒ 3D ускоритель (видеопроцессор)[5].
Актуальность и проблематика
Одной из потенциальных проблем с уверенностью можно назвать неотвратимое движение искусственной памяти к кромке квантового хаоса.
Т.е. туда, где «формируется и саморганизуется материя», осуществляется квантовое взаимодействие элементов материи (например, электронов) и начинает сказываться их коллективное взаимодействие. Порой парадоксальное и пока не всегда необъясненное. Об этом говорят давно и не так давно открытые разнообразные эффекты и свойства материалов и новой элементной базы, которые используются в наноэлектронике.
Все это означает, что сложность систем памяти уже будет нельзя свести к простому суммированию составных частей. Сложность будет расти нелинейно.
Поэтому традиционный подход, уже сложившийся на основе анализа эволюции «умной» памяти путем последовательных уточнений деталей ее архитектуры, не позволит выйти из плоскости процессорной ориентированности, сочетания видимых и невидимых программному обеспечению функциональных возможностей. Нужны новые подходы и архитектурные, структурные и схемотехнические решения, которые ориентированы самоорганизацию памяти. По крайней мере, на уровне ее элементной базы.
Пока таких моделей «самоорганизованной критичности» и областей их применения не так уж много. Во всяком случае, для наноэлектронной памяти их найти не удалось. Значит, такие модели нужно создавать. Чтобы помимо развития архитектуры «умной» памяти вширь началось ее развитее вглубь – к «разумной» памяти. Поле для исследований представляется большим. Молодым исследователям еще многое предстоит.
Создание моделей самоорганизованной и новых архитектурных решений для наноэлектронной памяти поможет расширить пределы предсказуемости и горизонт прогноза[9].
Ко всему прочему, возвращаясь к ассоциативной памяти, прогресс не стоит на месте, и АЗУ становится все более востребованным элементом в области хранения данных, как теоретически очень удобный способ хранения, передачи и извлечения информации. Однако проблема быстрого доступа к данным на машинах с адресной памятью до сих пор не решена. При работе с адресной памятью трудно добиться существенного повышения скорости доступа на аппаратном уровне, так как при обращении к памяти всегда необходимо указывать адрес данных, и за один цикл можно обратиться только к одной ячейке памяти. В настоящее время ускорение доступа происходит благодаря программному обеспечению, которое фактически создает виртуальную ассоциативную память на машинах с адресной памятью, что не очень эффективно.
Существенно повысить скорость доступа к данным можно если включить в состав компьютера память с адресацией по содержанию (ассоциативной памяти). Применение ассоциативной памяти позволяет существенно повысить скорость выборки и упростить доступ к данным. Так как при выборке происходит ряд логических операций по отбору данных, то отпадает необходимость в специальных программных конструкциях по ускорению доступа: сортировках и хешировании, а индексы потребуются только для обеспечения уникальности записей и задания связей между таблицами. Уже создан ряд микросхем ассоциативной памяти, их применение позволяет существенно повысить производительность[5].
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА
Все сложное состоит из многообразия простых деталей.
История мемристора и принцип его работы
АЗУ, как и любое устройство, должен иметь некую элементную базу. Таких баз для запоминающих устройств существует множество, но мы рассмотрим одну – мемристор.
Мемристор (англ. memristor, от memory ‒ память, и resistor ‒ электрическое сопротивление) ‒ пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы). Является элементом памяти.
Может быть описан как двухполюсник с нелинейной вольт-амперной характеристикой, обладающий гистерезисом[6].
Леон Онг Чуа (Цай Шаотан) профессор кафедры электротехники и вычислительных систем при Калифорнийском университете в Беркли (University of California, Berkeley), предсказал появление нового электронного двухэлектродного элемента, названного мемристор. Новый элемент, благодаря уникальному набору электрических характеристик, должен был заполнить пустующее четвёртое место среди базовых пассивных компонентов электронных схем – резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. Полноценная теория была создана им в 1971 году.
(Рис. 8 Базовые пассивные компоненты электронных схем)
На самом деле, слово "мемристор" является своеобразным "наследником" придуманного ещё в 1960 году слова "мемистор", которым Бернард Уидроу назвал 3-электродный базовый компонент для искусственных нейронных сетей ADALINE (ADAptive LInear NEuron), однако именно в работе "Memristor – The Missing Circuit Element" (Мемристор – недостающая деталь схемы), Леон Чуа впервые подробным образом описал свойства 2-электродного устройства.
Уникальность мемристора отражена непосредственно в названии, полученном при синтезе двух слов – memory (память) и resistor (резистор, сопротивление). Мемристор, подобно резистору, оказывает сопротивление проходящему через него электрическому току, однако при этом также обладает памятью, при этом сопротивление мемристора зависит от последней величины приложенного к нему напряжения.
Иными словами, ключевое свойство мемристора – мемристичность (обратите особое внимание: речь идёт не о зависимости между приложенным напряжением и полученным количеством электричества, зарядом, но о зависимости между изменением напряжения и зарядом), на практике можно использовать для запоминания потенциала последнего приложенного напряжения.
(Рис.9 «Мемристор никогда не забывает»)
Теперь попробуем вспомнить, как современная наука представляет себе принцип работы головного мозга. Согласно современным представлениям, электрические свойства синапса – своеобразного "сигнального провода" между нейронными клетками, напрямую зависят от условий его активности. То есть, чем меньше временной промежуток последнего взаимодействия между двумя нейронами, тем проще синапсу будет отреагировать на следующее "сообщение". Практически, полная аналогия с мемристором, сопротивление которого хранит "весточку" о последнем приложенном к нему напряжении.
Никакое сочетание классических RLC-компонентов просто не в состоянии копировать работу нейронов и синапсов, так что до недавнего времени эмуляция работы головного мозга производилась с помощью громоздкого программно-аппаратного комплекса. Изобретение мемристора вызвало практически революцию в этой отрасли.
Вернемся к теории, чтобы подробнее объяснить названное выше свойство. Теория Леона Чуа устанавливает отношения между интегралами по времени силы тока, протекающего через элемент, и напряжением на нём. Радикальное отличие такого теоретического устройства от других фундаментальных кирпичиков электросхемы заключалось в том, что только гипотетический мемристор несет в себе память о своем прошлом. На практике это означало бы, что элемент действует как резистор, у которого значение сопротивления изменяется в соответствии с током, через него проходящим, причем это значение запоминается даже после того, как ток в цепи исчезает.
Долгое время мемристор считался теоретическим объектом, который нельзя построить. Прошло целых 37 лет, пока в 2008 году не был создан лабораторный образец запоминающего элемента, демонстрирующего некоторые свойства мемристора. Произошло это в лаборатории Hewlett-Packard Labs в Пало-Альто, Калифорния, благодаря Стэнли Вильямсу. Запоминающий элемент был сделан из крохотной частицы диоксида титана, хорошо всем известного в качестве основного красящего вещества в составе многих солнцезащитных и белых красок.
Уже самый первый мемристорный переключатель представлял собой устройство наномасштабов: площадка из диоксида титана размерами 50*50 нм помещалась между двумя нанопроводниками. В отличие от традиционной компьютерной логики, способной принимать только два логических положения – 0 или 1, мемристорный переключатель может принимать любые значения в этом промежутке – например, 0,2, 0,5 или 0,9. По сути своей, мемристор – это самая настоящая энергонезависимая память, отличающаяся от всех иных видов RAM способностью работать как в цифровом, так и в аналоговом режимах, в зависимости от потребностей конкретной задачи[10].
В реальности, в отличие от теоретической модели, первое полученное устройство не накапливало заряд, подобно конденсатору, и не поддерживало магнитный поток, как катушка индуктивности. Работа такого устройства обеспечивается за счет химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке диоксида титана. Один из слоев пленки слегка обеднен кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под действием приложенного к устройству электрического напряжения. Данную реализацию мемристора следует отнести к классу наноионных устройств[6].
О преимуществах новых разработок
На основе данного феномена начали создавать новаторское запоминающее устройство ‒ как специфическую разновидность резистивной памяти RAM. Точнее, такой замечательной памяти, которая работает быстрее, чем обычная оперативная, но при этом при выключении питания запоминает свое состояние ‒ как память внешняя. То есть компьютер с мемристорной памятью может не только потреблять в десятки раз меньше электроэнергии, но при этом еще и обходиться без перезагрузок ‒ при выключениях/включениях всегда запоминая и возвращая свое последнее рабочее состояние.
Разработчики компьютеров на основе мемристоров отмечают, что состояния мемэлементов (элементов мемристора) подстраиваются под входные сигналы и обеспечивают аналоговые возможности, недоступные в стандартных элементах электроники. А это приводит к адаптивной схемотехнике, обеспечивая эффективную аналогию для массивно-параллельных вычислений[7].
Теоретически мемристорные запоминающие элементы могут быть более плотными и быстрыми, чем современная флеш-память. Также блоки из них могут заменить ОЗУ. Умение мемристоров «запоминать» заряд позволит впоследствии отказаться от загрузки системы компьютера: в памяти компьютера, отключённого от питания, будет храниться его последнее состояние. При поддержке со стороны программного обеспечения компьютер можно будет включить и начать работу с того места, на котором она была остановлена при выключении.
Мемристоры могут быть использованы не только для хранения данных. Так, М. Ди Вентра и Ю. В. Першиным была предложена концепция вычислительных машин, в которых хранение и обработка информации осуществляется одним и тем же физическим устройством, основанным на мемристорах[6].
Работя в цифровом режиме в качестве запоминающего устройства, мемристорные изделия очень скоро могут отправить на свалку не только жёсткие, но и твердотельные диски, поскольку работают быстрее, а стоят при этом гораздо меньше. В фото- и видеокамерах мемристорные накопители будут попросту "проглатывать" снимки и ролики без малейшей задержки, а в компьютере такая память, заменив собой и накопители, и оперативку, будет потреблять энергию только в процессе перезаписи. Габариты ячейки, изначально измеряемые в нанометрах, позволят хранить сотни гигабайт и даже терабайты данных в очень компактном исполнении[10].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наука не стоит на месте, а вместе с ней наша повседневная жизнь. Все больше открытий находят применение в быту. Человечество развивается с необычайной скоростью, но вместе с тем возрастает необходимость хранить, передавать и вовремя извлекать информацию обо всем, что происходит. В этом нам постепенно начинают помогать новые устройства, одно из которых ‒ ассоциативное запоминающее устройство ‒ АЗУ, за которым несомненно стоит будущее информационных технологий. В то же время этот сегмент в области науки требует больших средств, ведь скорость в гонке постоянного усложнения технологий растет пропорционально потребностям человека. А человек, как известно – существо вечно голодное.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Статья «Нужна ли ассоциативная память?» на основе следующей литературы: 1)учебное пособие "Введение в Oracle: SQL, SQL*Plus, и PL/Plus" 2)Кохонен Т. "Ассоциативные запоминающие устройства". Москва, "Мир", 1982 г. http://www.ixbt.com/mainboard/associative-memory.shtml
7. Пользователь Берд Киви: статья «Мемристоры. Пора ли переписывать учебники?», 2014 г. http://www.3dnews.ru/906763
Теоретический тест
Предлагаю вашему вниманию небольшой теоретический тест по предоставленному материалу.
- Как расшифровывается АЗУ?
- Аналоговое Запоминающее Устройство
- Ассоциативное Запоминающее Устройство
- Ассоциативное Зрительное Устройство
- Аналитическое Запоминающее Устройство
- Какое утверждение о ПЗУ неверно?
- Данные заносятся при изготовлении ПЗУ
- Эта память энергонезависима
- В ПЗУ не находятся программы управления работой процессора
- Информацию можно исключительно считывать
- Какое Запоминающее Устройство является вымышленным?
- Dynamic RAM
- Content-Addressable Memory
- Static RAM
- High-Speed RAM
- Каким дополнительным возможным состоянием, в отличие от бита, обладает трит?
- 2
- Красный
- 11
- Важно/неважно
- Что не является базовым пассивным компонентом электрической схемы?
- Транзистор
- Индуктор
- Резистор
- Конденсатор
- Мемристор
- Кто предсказал появление мемристоров?
- Норио Танигучи
- Ричард Фейнман
- Леон Онг Чуа
- Гордон Эрл Мур
- Кто сформулировал эмпирическое правило о том, что показатели производительности компьютеров удваиваются примерно каждые два года?
- Леон Онг Чуа
- В.А.Лапшинский
- Гордон Эрл Мур
- Стэнли Вильямс
- В каком году создан первый опытный образец мемристора?
- 2003
- 2006
- 2008
- 2010
| 
