Реферат: Машинная память

Ульяновскийгосударственный технический университет

Кафедра:«Вычислительная техника»

Введение

Внедрение в практику техники переработкиинформации различных классов вычислительных машин является характерной чертойсовременного этапа научно-технического прогресса. Область применениявычислительной техники непрерывно возрастает, разрабатываются новыевычислительные машины с улучшенными параметрами. В них уже сегоднязакладываются некоторые принципы, характерные для построения и работы мозга — самого сложного и загадочного из известных нам творений природы.

Электронные вычислительные машиныследующих поколений по своим функциональным характеристикам, возможно, снекоторыми допущениями будут сравнимы с памятью человека. Такой машине будетдостаточно поставить задачу, и она сама определит, как её решать. Критериями её«умственных способностей» будут объём памяти, возможности образованиялогических цепей, способность к целенаправленному поведению в незнакомойинформационной среде и другие не менее важные качества. Такие машины можнобудет сравнивать с мозгом человека не только по принципу построения, но и поколичеству запоминаемой информации.

Сегодня совершенствование вычислительныхмашин находится в прямой зависимости от развития и совершенствования устройствпамяти, основными показателями которой являются ёмкость, быстродействие,надежность работы, экономичность.

При создании любой вычислительнойсистемы наиболее сложной и, как правило, проблемной задачей является созданиеустройств как внутренней, так и внешней памяти. В последние годы в этой областибыли достигнуты значительные успехи благодаря разработкам новых электронныхприборов, новых структур вычислительных устройств и систем математическогообеспечения.

Своими успехами техника хранения иобработки информации в значительной степени обязана успехам в областимикроэлектроники и в особенности в разработке больших и сверхбольшихинтегральных схем. Однако, как это можно проследить на примереполупроводниковой техники, только интеграция элементов в силу ряда причин необеспечивает положительного результата. Микроэлектроника в своём развитии можетвскоре столкнуться с рядом проблем, которые станут своеобразным тормозом напути дальнейшего развития интегральных схем памяти, надежности их работы.Очевидно, перспективы развития элементной базы устройств хранения информациидолжны быть связаны и с использованием новых сред, новых физических принципов иявлений, которые могу быть положены в основу создания устройств с качественноиными, более высокими технико-экономическими показателями.

В настоящее время существуют различныевиды машинной памяти. Одни конструктивно-технологически хорошо развиты, другиенаходятся на стадии становления. В то же время информация об особенностяхпостроения и функционирования элементов памяти различных типов запоминающихустройств рассредоточена в отдельных публикациях, монографиях, а также вотдельных главах книг по вычислительной технике. Такое положение затрудняетознакомление с состоянием и перспективами развития этого важного направленияинформатики и вычислительной техники.

В данном реферате сделана попыткаобобщить и систематизировать наиболее важные сведения о принципах действия,физических особенностях построения и информационных возможностях различныхтипов запоминающих устройств.

Общие сведения о памяти и запоминающих устройствах

Информация и память

Одна из удивительнейших способностейживого организма — способность воспринимать, хранить и обрабатыватьразнообразную информацию. Поиск аналогичных качеств, присущих в одинаковойстепени и искусственным системам, привел к созданию новой науки — кибернетики.

Кибернетика в момент своего рождения (вконце сороковых — начале пятидесятых годов нашего столетия) привлекла всеобщеевнимание главным образом потому, что указала на подобие процессов управления исвязи в машинах и живых организмах, подчеркнула, что эти процессы имеютинформационный            характер. Объект управления (будь то машина,биологическая система или коллектив людей) и управляющее устройство (нервнаяткань живого организма, автомат) обмениваются между собой информацией.

Между отдельными элементами какой-либокибернетической системы и между различными системами существуют связи,посредством которых они взаимодействуют друг с другом. Эти связи могут состоятьв обмене энергией или веществом между взаимодействующими объектами. Однакосвязи могут быть и такими, когда на передний план выступает на преобразованиеэнергии, а информационное их содержание, т.е. сведения, получаемые даннымобъектом о состоянии других объектов.

Понятие информации, таким образом, можетбыть использовано для описания поведения системы: процессы в системе могут бытьописаны как процессы преобразования информации. Такой способ описания не тольковозможен, но даже вполне естествен и оправдан. Информация — это физическаявеличина, такая же, как, например, энергия или скорость. Определенным образом ив определенных условиях информация равным образом описывает как процессы,происходящие в естественных физических системах, так и процессы в системах,искусственно созданных. При этом информационные связи осуществляютсяпосредством сигналов, циркулирующих в системах. Сигнал — физический носительинформации.

Разумеется, в разных системах могут бытьразличными по своей природе носители информации: звуковые, световые,электрические, механические и др. Однако независимо от материального носителяинформации процессы её передачи подчиняются общим количественнымзакономерностям.

Передача информации по каналу связи.Любой канал связи можно рассматривать как некоторую систему, по которойпередаётся информация — от входа к выходу (рис. 1). При передаче информации поканалу связи на неё воздействуют помехи Р. В общем случае количество входов ивыходов может быть неограниченно большим.

/>

Рис. 1.

Пусть на вход поступает некоторый сигналSt. Система реагирует на это воздействиепоявлением на выходе сигнала S,который обязательно будет запаздывать по отношению к входному сигналу нанекоторое время  — время задержки всистеме — и обязательно подвергнется некоторой модификации. Время задержки  является, как правило, нежелательным свойством канала и должнобыть по возможности минимизировано. С другой стороны, любое устройство храненияинформации можно рассматривать как канал связи, также осуществляющий передачуинформации со входа на выход, но одновременно обеспечивающий задержку этойинформации на  некоторой, желательно регулируемое время, которое можно назватьвременем хранения информации.

Накоплениеинформации.

Способность к накоплению и хранениюинформации, т.е. наличие памяти, — одной из важнейших свойств любойкибернетической системы, без которого немыслимо её целесообразноефункционирование.

Физическую систему называют запоминающимустройством (ЗУ) или, в информационном смысле, каналом накопления, если онаобладает способностью обеспечивать достаточно длинный временной интервал междумоментами прихода и использования информации.

Это значит, что сигнал St,относящийся к моменту времени t, может быть воспроизведен с помощью такойсистемы в любое произвольное время  в виде сигнала S

Простейшая системная модель, обладающаясвойством памяти, состоит из запоминающей среды, которая включает в общемслучае множество элементов, связанных так или иначе с каналом ввода и выводаинформации. Основное свойство такой среды заключается в способности фиксироватьи сохранять во времени следы информационных воздействий, а затем приопределённых условиях частично или полностью воспроизводить их. Для этогонеобходимо иметь некоторую систему элементов, состояние которых можно было быизменить желаемым образом. Эти изменения могут происходить либо непрерывно,либо скачкообразно. В первом случае говорят о запоминающих элементаханалогового типа, во втором — об элементах дискретного типа.

Необходимый элементный составзапоминающей среды определяет способ представления информации. В вычислительнойтехнике используются элементы памяти дискретного типа, пригодные длязапоминания двоичного кода. Такой выбор кода записи обусловлен тем, что в физическоммире наиболее просто реализуются системы, обладающие двумя устойчивымисостояниями. Соответственно запоминающая среда должна содержать наборбистабильных элементов, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.В основе действия таких элементов — принцип статического хранения за счётвынужденного перехода элемента из одного состояния в другое и последующегодлительного сохранения этого состояния.

Таким образом, среда — носительинформации — должна хранить в виде следа навязанное ей состояние, которое видеальном накопителе должно остаться неизменным в течение всего данногопромежутка времени хранения. Однако под влиянием внешних воздействий, а такжевнутренних процессов, свойственных всякой системе, к началу считыванияинформации состояние среды неизбежно изменяется.

Воспроизведениеинформации.

Считывание (воспроизведение) информации- заключительный этап процессов памяти. При нарушении воспроизведения поведениесистемы меняется так, как если бы память в ней отсутствовала.

Для воспроизведения информации из памятинеобходимо активировать определённую группу запоминающих элементов,составляющих ячейку памяти. При этом активирующее воздействие должно иметьтакую природу, чтобы запоминающие элементы под его влиянием вырабатыватьсигнал, соответствующий его состоянию. Кроме того, оно должно бытьиндифферентным — одинаковым для любой ячейки независимо от их содержимого. Еслисостояние запоминающих элементов однозначно соответствует сигналу, пришедшемуна вход записи, то эта информация будет воспроизведена.

При использовании некоторых физическихсред считывании приводит к разрушению хранящейся в ячейке информации. В этомслучае после каждого считывания необходимо производить запись той же самойинформации в ту же ячейку.

Запись информации в какую-либо ячейку иеё считывание (с восстановлением) из какой-либо ячейки памяти производится завремя, называемое периодом обращения. Время, необходимое для считыванияинформации из ячейки памяти, называют временем выборки.

Одной из характеристик систем памяти являетсяметод поиска информации.

Поиск информации, по сути дела, сводитсяк поиску соответствующих запоминающих элементов (ячеек).

Тип поиска, при котором происходитобращение к какой-либо ячейке ЗУ по её номеру независимо от содержания искомойинформации, называется адресным. В машинной памяти адресный принцип получилсамое широкое распространение. Но это не единственный способ описка отдельныхобъектов информации.

Информация может быть выбрана и понекоторым её признакам или по некоторой известной её части. Такой принциппоиска — его можно назвать ассоциативным — характерен, в частности, длябиологических систем. При этом на входе появляется некоторый ключ — стимул, ана выходе памяти формируется специальная ответная реакция, связанная с ключом.Как стимул, так и ответная реакция представляют собой сложные сигналы — образы.Помимо этого на входе может быть указана дополнительная информация, с помощьюкоторой можно долее точно конкретизировать элемент, подлежащий выборке. Ссозданием ассоциативных ЗУ коренным образом меняется структура вычислительныхмашин и по-новому осуществляется управление сложными сигналами.

Мозг и машина

В ходе эволюции мозг человека достигвысочайшей степени совершенства как чрезвычайно эффективная информационно-управляющаясистема с исключительной надежностью функционирования. Поэтому естественны изакономерны предпринимаемые попытки использовать достижения современной техникии технологии для моделирования работы мозга и создания на этой основепринципиально новых систем обработки и хранения информации. Следует ли ожидать,что со временем люди смогут наделить управляющие машины искусственным мозгом,таким же, как головной мозг человека?

Уже созданные и вновь разрабатываемыемашины во многом уступают человеку. Хотя они и начинают уже выполнять некоторыефункции интеллекта человека, они не способны мере мыслить как человек, не могуткак человек ставить цели, которые в дальнейшем должны быть достигнуты.

Но вместе с тем уже сейчас онизначительно превосходят человека по скорости выполнения вычислительных илогических операций при большом числе логических переменных. Очень важно, чтосовременные ЭВМ способны воспринимать и перерабатывать не только числовую, но исимвольную информацию. С тех пор, как машины начали оперировать с символьнойинформацией, оказался открытым путь для развертывания работ по приданию машинеспособности к выполнению функций мыслящего человека. В этом смысле и название«вычислительные» по отношению к ЭВМ является сейчас по меньшей мереусловным, не отражает всех их возможностей.

Сопоставим возможности современнойвычислительной техники и мозга человека. Сравнение проведем по трём важнейшимпараметрам: скорости обработки информации, ёмкости памяти и надёжностифункционирования. Для ЭВМ, использующих цифровой механизм обработки информации,эти параметры определяются количеством арифметических операций в секунду,объёмом (количеством) хранимой информации в битах и вероятностью сохраненияосновных параметров в заданных пределах в течении заданного промежутка времени.

Что касается работы мозга, то датьсколько-нибудь точную количественную оценку этих параметров не представляетсявозможным. Вся информация, которая вводится в память машины при условии еёисправного функционирования, запоминается, сохраняется и может бытьвоспроизведена, т.е. отношение количества воспроизведенной информации кпринятой равна единице. У человека же количество воспроизведенной информации,как правило, оказывается меньше воспринятой, т.е. наблюдаются некоторые потериинформации, особенно при её фиксации. С другой стороны человек никогда несталкивается с ситуацией, когда его память настолько загружена, что он неспособен воспринимать новые порции информации. Мозг, который заключён вограниченном объёме и содержит пусто очень большое, но конечное числоэлементов, никогда не переполняется информацией, непрерывно поступающей изокружающей среды. Это свойство объясняется, конечно, не беспредельной ёмкостьюпамяти, а спецификой механизмов, предохраняющих человеческую память от «переполнения».

По быстродействию (скорости записи ивоспроизведения информации) машинная память значительно превосходит памятьчеловека.

Скорость срабатывания элементов, наоснове которых строятся современные ЗУ, определяется в конечном счете скоростьюпротекания электронных процессов, в то время как скорость срабатываниябиологических элементов — нервных клеток — определяется скоростью протеканиязначительно более инерционных процессов.

Однако простое сравнение побыстродействию мозга человека с машиной едва ли можно назвать достаточнонаглядным, учитывая то обстоятельство, что они характеризуются совершеннонесоизмеримыми информационными ёмкостями. Поэтому будем считать вычислительнуюмощность мозга равной мощности ЭВМ, которая потребуется, чтобы смоделировать егоработу, а объём памяти — равным памяти ЭВМ, в которой можно записать всюинформацию, хранимую в нейронных связях мозга. В память машины записываютсяадреса конца и начала каждой связи между нейронами, степень влияния данноговхода на состояние нейрона, пороги возбуждения нейронов и т.д.

Для упрощенной модели нейрона (рис. 2)передаточная

/> 

Рис. 2

функция может быть записана в виде S = Sф + iSi, где параметры i<sub/>характеризуютактивность синапсов; Sф — фоновая активность. При передаче сигнала по межнейронной связи выполняется однааналоговая операция умножения. Затем сигналы суммируются с остальными на входенейрона. Таким образом, на каждый акт прохождения сигнала по межнейронной связиприходится одна операция умножения и одна — сложения. Число одновременновыполняемых операций при работе всего мозга равно числу его межнейронныхсвязей, а общая вычислительная мощность равна числу межнейронных связей,умноженному на частоту повторения сигнала. При моделировании работы мозга наЭВМ все эти операции выполняются цифровым способом. Необходимая для этогомощность машины должна быть не менее вычислительной мощности мозга. Еслипринять число межнейронных связей равным 1014, а частоту повторениясигнала — 102 с-1, то эквивалентная вычислительнаямощность мозга равна 1016 операций в секунду.

Обычная вычислительная мощность ЭВМпорядка 108 операций в секунду, а мощность отдельных уникальныхмашин приближается к 109 операций в секунду. Значения 109и 1016 отражают не столько количественную разницу, сколькокачественный скачок в технологии обработки информации. Для реализациипараллельных алгоритмов обработки информации, как в мозге человека, требуютсяпринципиально новые технические средства, во много раз более мощные, чемсуществующие.

Рассмотрим теперь другую проблему.Расширение функциональных возможностей систем хранения и обработки информациисвязано с усложнением их структур и увеличением количества их элементов.Основным препятствием при увеличении числа элементов системы служит проблема еёнадёжности. Мозг же представляет собой супермногоэлементную систему, но тем неменее безотказно служит человеку всю жизнь. По-видимому, природа каким-тоспособом нашла возможность обойти закон жёсткой обратной зависимости надёжностиот число активных элементов.

Технические элементы памяти строятся наоснове высоконадёжных запоминающих элементов. Но для сложной системы,содержащей большое количество элементов, это может оказаться недостаточным.Работоспособность системы памяти определяется как физическими особенностяминосителя информации, так и его информационной структурой. Надёжность нейроновзначительно ниже надёжности электронных элементов ЗУ, однако биологическаясистема сохраняет способность функционировать, запоминать и выдавать информациюдаже при серьёзных повреждениях, когда выводятся из строя миллионы нервныхклеток. Поэтому необходимо строить систему машинной памяти так, чтобы нарушениеработы какого-либо элемента или части её элементов не было критическим, не привелок нарушению нормального её функционирования. Задача построения надёжноработающих систем на недостаточно надёжных элементах — одна из главных задач вкибернетике. 

Существуют различные способы обеспечениянадёжного функционирования сложных систем. Одним из них является построениесистем с избыточным числом элементов, в которой в случае нарушения работынекоторых элементов их функции берут на себя другие, автоматически включающиесяв работу. Так часто происходит в живой природе как на уровне клеток, так ицелых органов. В технических системах при наличии в них избыточных элементовзамена ими вышедших из строя производится сравнительно легко при условии, чтосистема строится на базе так называемых однородных структур. Имеется большоеколичество однотипных ячеек, являющихся первичными элементами, и при отказе вработе одной из них автоматически включается другая, к этому времени незанятая.

Весьма эффективным способом повышениянадёжности сложных систем является преобразование информации, при которомпереходят от обычной, естественной пространственно-временной формы еёпредставления к частотно спектральной форме, в которой далее она хранится,обрабатывается и передаётся по каналам связи. Очень важно, что структурнаяизбыточность дополняется различными видами функциональной, в частностивоспроизведение этих свойств в технических средах позволяют высоконадёжныеинформационно-перерабатывающие самоорганизующиеся адаптивные системы переменнойструктуры, обладающие способностями к приспособлению.

Основные характеристики, классификация и иерархия ЗУ

В современных электронных вычислительныхсистемах около 70% объёма и стоимости приходится на долю запоминающих устройств(ЗУ), которые представляют собой комплекс технических средств, предназначенных,для записи, хранения и выдачи информации. В ЗУ в двоичном коде хранятсяпрограммы вычислений, исходные данные, промежуточные результаты и команды.

Характеристики запоминающего устройства(ЗУ) определяют качество и целесообразность его применения в той или инойвычислительной машине или системе. Основными характеристиками ЗУ являютсяинформационная ёмкость, быстродействие и надёжность.

Информационная ёмкость ЗУ определяетсяколичеством двоичных единиц информации (бит), которое может храниться в нём(иногда ёмкость выражается в байтах. Обычно один байт равен восьми битам). ЕслиЗУ рассчитано на хранение Nчисел, каждое из которых имеет р разрядов, то информационная ёмкость М = N*p.

Возможность решения на ЭВМ той или инойзадачи в значительной степени зависит от ёмкости ЗУ машины.

Быстродействие ЗУ характеризуется еговременными характеристиками, к которым относятся: время обращения к ЗУ призаписи и считывании информации, время записи информации, время считывания иливыборки информации. Время обращения (время цикла) характеризуем максимальнуючастоту обращения к данному ЗУ при считывании или записи информации. Времясчитывания или выборки информации — интервал времени обращения к ЗУ дополучения выходного сигнала от подачи сигнала считывания. Время записи информации- интервал времени от момента подачи сигнала обращения к ЗУ до моментаготовности информации к считыванию.

Надёжность ЗУ определяется числовымизначениями параметров конструктивной и информационной надёжности. Подконструктивной, или элементной, надёжностью понимают вероятность безотказнойработы всех элементов или устройства в заданном интервале времени и заданныхусловиях эксплуатации. Таким образом понятие конструктивной надёжностисовпадает с общепринятым определением надёжности радиоэлектронных устройств.

Количественно конструктивную надёжностьможно выразить произведением

Р = qгqб,

где qг — готовность устройства к работе, т.е. вероятность его исправности к началуработы

qг =(1 + tрем)-1

qб — вероятность безотказной работы устройства в течении заданного промежуткавремени, т.е. вероятность невыхода его из строя:

qб =(1 +tраб)-1,  i.

- интенсивность отказов,или средняя частота отказов в час; n — количество элементов устройства, а i<sub/>- средняя частота отказов отдельных элементов; tрем — среднее время нахождения и устранения отдельных неисправностей;tраб — время работы системы. Среднее время безотказной работыустройства Tср = 1/.

Информационная надёжность ЗУ определяетспособность устройств сохранять, принимать и выдавать требуемую информацию безеё искажения. Численно информационная надёжность может быть оцененасоотношением амплитуд информационных и сигналов помех в моменты записи исчитывания информации. Большое отношение амплитуд сигналов и помех гарантируетвысокую информационную надёжность.

Важными характеристиками ЗУ, как илюбого другого устройства машины, являются также габариты, масса, потребляемаямощность и стоимость. Кроме того, к специальным ЗУ предъявляют особыетребования по параметрам механических и климатических воздействий.

Классификация ЗУ. Запоминающиеустройства можно классифицировать в зависимости от особенностей их построения ифункционирования по назначению, адресации информации, характеру храненияинформации, по кратности считывания, физическим принципам работы запоминающихэлементов, технологии изготовления запоминающих элементов.

 По назначению ЗУ делятся накратковременные и долговременные. В свою очередь, ЗУ с долговременным хранениемделятся на постоянные ЗУ (ПЗУ) и полупостоянные ЗУ (ППЗУ). Характерной чертойПЗУ и ППЗУ является сохранение информации при отключении источников питания.При этом в ПЗУ возможна лишь однократная запись информации, производимая либо апроцессе производства, либо в результате программирования. В ППЗУ возможномногократное изменение хранимой информации при эксплуатации.

ЗУ с кратковременным хранениеминформации используются для хранения оперативной часто меняющейся информации. Вэтих ЗУ отключение источников питания, как правило, приводит к потере хранимойинформации. Следует отметить, что ППЗУ при сокращении длительности цикла записимогут быть использованы и для хранения оперативной информации. Разумеется, ППЗУмогут быть в большинстве случаев использованы и в качестве ПЗУ.

По адресации ЗУ могут быть спроизвольной, последовательной и ассоциативной выборкой. В ЗУ с произвольнойвыборкой (или доступом) время обращения не зависит от адреса числа вустройстве. В ЗУ с последовательной выборкой для нахождения числа поопределённому адресу необходимо последовательно просмотреть все ячейки,предшествующие заданной. Очевидно, что в этих устройствах время обращениязависит от адреса. Для поиска определённой информационной единицы в таком ЗУнеоходимо сначала отыскать соответствующий массив, а затем информационнуюединицу в этом массиве.

В ассоциативных ЗУ (АЗУ) поиск иизвлечение информации происходят не по местонахождению (адресу), а по некоторымпризнакам самой информации, содержащейся в ячейке. Такая память, в сущности,состоит из адресуемых ячеек, однако в системе предусмотрен также механизмпроверки или сравнения ключевой информации со всеми записанными словами.

По характеру хранения информации ЗУделятся на статические и динамические. В статических ЗУ кодирующее информациюфизическое состояние остаётся неподвижным относительно носитель информации,тогда как в динамических ЗУ кодирующее информацию физическое состояниеперемещается периодически по отношению к среде носителя информации.

По кратности считывания различают ЗУ сосчитыванием без разрушения информации и ЗУ со считыванием с разрушениеминформации. В последнем случае для сохранения информации необходимовосстанавливать (регенерировать) считанную информацию в каждом цикле обращенияк ЗУ, чтобы иметь возможность её последующего использования.

По физическим принципам работы запоминающихэлементов ЗУ делят на магнитные, полупроводниковые, сверх проводниковые и т.д.в современных ЭВМ наиболее широко используют двоичную систему счисления.Поэтому для кодирования и хранения информации могут использоваться различныефизические процессы, определяющие два различных состояния вещества, напримерразличные состояния намагниченности магнитных материалов, наличие илиотсутствие заряда в данной области полупроводника или диэлектрика, конечноеэлектрическое сопротивление участка цепи и нулевое сопротивление этого жеучастка, возникающее вследствие эффекта сверхпроводимости некоторых веществ, ит.д.

Создание блоков памяти, обладающихдостаточно большой ёмкостью и в то же время приемлемых по габаритам иэкономичности, может быть реализовано только при условии максимальнойминиатюризации как всего блока памяти в целом, так и основной его части — накопителя информации. Наибольшие успехи в микро миниатюризации в настоящеевремя достигнуты при использовании полупроводниковых элементов, выполняемых поинтегральной технологии, что в значительной мере и определило широкоеприменение их в системах памяти современных ЭВМ.

Иерархия запоминающих устройств

Совершенствование современных системобработки информации связано с совершенствованием их памяти, т.е. с созданиемпамяти, обладающей большой информационной ёмкостью, высоким быстродействием инадёжностью и низкой стоимостью. Так как требуемое сочетание всех параметров водном типе ЗУ получить не представляется возможным (с увеличением ёмкости ЗУснижается его быстродействие), то единственный путь решения этой проблемы — объединение в систему различных (а иногда и однотипных) ЗУ в целях получениятакой структуры памяти, которая максимально удовлетворила бы приведённым вышетребованиям.

Структура памяти, в которой можновыделить несколько различных по характеристикам уровней, называетсяиерархической. При иерархической организации структуры памяти обычно каждыйуровень (ступенька) памяти с большим быстродействием имеет меньшую емкость ЗУ,использующиеся на самом высоком уровне иерархии, имеют наименьшуюинформационную ёмкость и наибольшее быстродействие. Эту память часто называютнабором регистров и иногда относят к устройствам обработки, она позволяетвыполнять некоторые логические и арифметические операции.

На следующей ступени иерархии ЗУ ЭВМнаходятся сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) — устройства, имеющие быстродействие,соизмеримое с быстродействием процессора, и служащие для хранения информации(чисел и команд), которая наиболее часто встречается в процессе решения задач.

На третьей ступени иерархии находитсябольшая быстрая память, называемая оперативной. Оперативные ЗУ (ОЗУ) имеютболее значительную информационную ёмкость и работают с циклом, в несколько разбольшим цикла процессора. Для увеличения скорости обмена информацией междупроцессором и ОЗУ последние иногда разделяют на несколько модулей (блоков илисекций) и обращаются к различным блокам непосредственно или через СОЗУ.

На самом нижнем уровне иерархиинаходится относительно медленная, но вместительная внешняя память. Во внешнемЗУ (ВЗУ) обычно хранится вся вводимая в машину информация. Чтобы избежатьусложнения конструкции системы, к внешним ЗУ не предъявляются требования побыстродействию. ВЗУ являются наиболее экономичными для хранения большихмассивов информации.

Данные, хранящиеся во внешнем ЗУ,непосредственно не используются в вычислительном процессе, что и отражается вих названии (внешние). Для использования этой информации необходимо переместитьеё из ВЗУ в оперативные ЗУ, образующие внутреннюю память системы. Для повышенияэффективности обмена информацией между устройствами используют буферную память.Буферное ЗУ (БЗУ) занимает промежуточное положение между внутренним и внешнимЗУ. Оно предназначено для расширения внутренней памяти при условии сохранениябыстродействия ЭВМ.

При иерархическом принципе построения ЗУлогическая организация потоков информации производится таким образом, чтобы всевместе взятые типы ЗУ выступали в виде единого ЗУ, имеющего большуюинформационную ёмкость (за счёт внешних ЗУ) и высокое быстродействие (за счётвнутренних ЗУ). Такое абстрактное ЗУ называют виртуальным. Так, например, придвухступенчатой организации ЗУ, содержащего ОЗУ и СОЗУ, среднее время обращения

t = (1 + T/T1)T1,

где T1 — время обращения к СОЗУ; T — время обращения к ОЗУ;  — коэффициент, учитывающий долю обращений к ОЗУ. Из этой зависимости следует, чтопри правильном выборе параметров ОЗУ и СОЗУ и соответствующем выбореинформационных потоков общие характеристики виртуального ЗУ будут такими, какесли бы оно имело цикл работы СОЗУ, а информационную ёмкость — ОЗУ.

Магнитные устройства памяти

Магнитная запись

Необходимость хранения больших массивовинформации привела к использованию в ЗУ известного в технике принципа записисигналов на магнитную поверхность.

Физической основой магнитной записисигналов является свойство ферромагнитных материалов сохранять состояниеостаточной намагниченности.

Основные принципы записи информации.Магнитная запись основана на взаимодействии магнитного носителя информации имагнитной головки при  их относительном перемещении. При записи изменяющийся вовремени электрический ток преобразуется в локальные изменения намагниченностиносителя.

В качестве записывающей или считывающейголовки используется специально сконструированный, чаще всего кольцевой,электромагнит с щелью, по обмотке которого пропускают импульсный ток. Дляуменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод собирают из тонких пластинмагнитомягких сплавов или делают из феррита. Считывание производится безразрушения хранящейся информации и может выполняться многократно.

Характерной особенностью магнитнойзаписи является то, что она не нуждается в какой-либо промежуточной обработке иможет быть воспроизведена немедленно. Запись легко может быть«стерта».

Такой процесс осуществляется отдельнойстирающей головкой, через обмотку которой обычно пропускается ток высокойчастоты. Высокочастотное поле многократно меняет ориентацию диполей, приводя ктому, что их ориентация вновь становится хаотической.

При магнитной форме записи информация вцелях увеличения ёмкости запоминающих устройств стремятся как можно полнееиспользовать рабочую поверхность носителя. Степень её использованияопределяется плотностью записи информации, т.е. количеством двоичных знаков,размещающихся на единице площади носителя. Плотность записи зависит отхарактеристик магнитного носителя, конструкции головки, величины зазора междуносителем и головкой, используемого способа записи и других факторов.

Теоретический предел плотности записиинформации на магнитных носителях равен 1010 — 1011бит/мм2. Реализуемая плотность записи информации 400 — 1000 бит/мм2,что более чем на семь порядков ниже теоретического. Использование новых методовзаписи — считывания информации, таких, например, как магнитооптические,позволит значительно улучшить характеристики ВЗУ на магнитных носителяхинформации.

Накопители на магнитных барабанах, дисках, лентах, картах

Хотя характеристики и конструкции ЗУ, вкоторых используется магнитная запись, могут быть очень разными, в основепроцесса хранения для каждого из них лежит запоминание 0 или 1 на небольшомучастке магнитного материала. В каждом случае запоминающая среда динамическая, таккак носитель информации перемещается относительно считывающего илизаписывающего устройства.

ЗУ с магнитной записью информации широкоиспользуется в качестве внешней памяти ЭВМ, что объясняется их большой ёмкостьюпри относительно небольших размерах, возможностью многократного примененияносителя информации при стирании старой записи, большим сроком хранениязаписанной информации без её искажения, относительно высокой скоростью записи ивоспроизведения информации.

Накопители на магнитном барабане.Магнитные барабаны были одним из первых недорогих средств хранения большихмассивов информации со сравнительно небольшим временем доступа.

Магнитный барабан представляет собойполый вращающийся цилиндр, поверхность которого покрыта слоем материала спрямоугольной петлей гистерезиса. Вдоль поверхности барабана устанавливаетсяряд головок, производящих запись и считывание информации.

При вращении барабана небольшой участокего поверхности непрерывно проходит под одной из головок. Этот участокназывается дорожкой. Каждая дорожка делится на ячейки, а каждая ячейка можетзапомнить один бит информации. Такого вида память называют памятью сциклическим доступом. Так как каждая ячейка при вращении барабана периодическипроходит под головками.

Размеры и ёмкость памяти магнитныхбарабанов весьма разнообразны от небольших барабанов емкостью менее 200 000 битдо очень больших барабанов, которые могут хранить до 109 битинформации.

Накопители на магнитных дисках. Памятьна магнитном диске очень напоминает по действию память на магнитном барабане.Носителем здесь является диск, покрытый с обоих сторон тонким слоем ферролака инемагнитной связки.

При одинаковом физическом объемеинформационная емкость на магнитных дисках более чем в 20 раз превышает емкостьнакопителей на магнитных барабанах. Внешняя память на магнитных дисках способнахранить более 1010 бит информации.

Накопители на магнитной ленте. Магнитнаялента представляет собой гибкую пластмассовую пленку, на поверхность которойнанесен тонкий слой. Этот материал имеет петлю гистерезиса, близкую кпрямоугольной, и отличается высокой однородностью параметров. Плотность записидо 64 бит/сек.

Накопители на магнитных картах.Магнитная карта представляет собой прямоугольный отрезок носителя с магнитнымпокрытием. Карты помещают в специальное хранилище — магазин. При обращении к ЗУс целью записи или считывания информации специальное устройство осуществляетвыбор или подачу из магазина заданной карты.

Память на магнитных сердечниках

В качестве элементов храненияинформации, записанной в двоичном коде, широко используют кольцевые(тороидальные) сердечники из феррита с прямоугольной петлей гистерезиса.

Элемент памяти на ферритовом сердечнике.Возможность записи информации на ферритовом сердечнике основана на гистерезисепроцесса перемагничивания. Запоминающий элемент представляет собой сердечник сдвумя обмотками: записи и считывания. В зависимости от направления тока,протекающим через входную обмотку.

Интегральные магнитные элементы памяти

Изготовление сердечников малых размероми их прошивка проводами сопряжены с определенными трудностями. Уменьшениетолщины стенок делает сердечник хрупким, а разброс параметров существенновозрастает. Прошивка проводами сердечников — трудоемкий процесс, плохоподдающийся автоматизации. Эта операция в значительной степени выполняетсявручную и поэтому не может быть.

Преодоление трудностей изготовленияблоков памяти достигается применением методов интегральной технологии. При этомнаряду с уменьшением размеров элементов памяти могут быть увеличением емкостиблока памяти и повышено быстродействие.

Практика реализации магнитныхмикроэлектронных устройств показывает, что обычно для каждого типа устройстваимеется область применения, где оно дает наиболее оптимальные результаты.Поэтому, как правило, в практических разработках находят применение почти всетипы магнитных микроэлектронных устройств. Это такие типы устройств как:

Многоотверстные ферритовые пластины;

Тонкие магнитные пленки;

Плоские тонкие магнитные пленки;

Цилиндрические тонкие магнитные пленки.

Устройства памяти на основе управляемого движения магнитныхдоменов

Попытки дальнейшего повышения плотностиразмещения информации в интегральной магнитной структуре привели к использованиюдля хранения информации отдельных магнитных доменов. В сплошной магнитнойсреде, намагниченной в одном направлении, для фиксации информации создаютсяотдельные домены, намагниченные в обратном направлении. По существу, речь идетуже не об отдельных магнитных элементах, а о физически однороднойинформационной среде, в которой переработка и хранение информацииосуществляется в результате перемещения и взаимодействия доменов.

В настоящее время существует два типамагнитной запоминающей среды на подвижных доменах: тонкие магнитные пленки сплоскими магнитными доменами (ПМД) и магнитные (или аморфные) пленки сцилиндрическими магнитными доменами (ЦМД).

Полупроводниковые устройства памяти

Элементы полупроводникоывх интегральных схем

В настоящее время разработаны различныевиды машинной памяти. Одни конструктивно-технологически хорошо развиты, другиенаходятся на стадии снятия с производства. Появляются и новые типы машиннойпамяти, такие, как акустическая, магнитоэлектронная, электронно-оптическая,некоторые из них уже входят в стадию промышленной эксплуатации, например памятьна цилиндрических магнитных доменах.

Однако основным видом машинной памяти посовокупности признаков в настоящее время является полупроводниковая память наинтегральных схемах (ИС).

Это объясняется рядом причин.

По универсальности применения и удобствуподключения полупроводниковые ИС нельзя сравнить ни с какими другими ячейкамипамяти. Немаловажно и то, что полупроводниковая технология имеет в своемарсенале достаточно средств для перевода на интегральную основу любых известныхсхемотехнических решений и создания новых схем.

В конструктивном отношенииполупроводниковые ИС представляют собой полупроводниковый кристалл, в объемеили на поверхности которого сосредоточены изолированные друг от друга элементы,соединенные согласно электрической схеме. Обычно каждому элементу схемысоответствует локальная область материала, свойства и характеристики которойобеспечивают выполнение определенных функций. Основу составляет транзисторнаяструктура, которая является базовой для реализации всех входящих в схемуактивных и пассивных элементов.

Для построения полупроводниковых ЗУиспользуются ИС на биполярных транзисторах и на полевых транзисторах соструктурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП-транзисторы).

В настоящее время четко обозначились дванаправления: в ИС на полевых транзисторах стремятся достичь максимальныхстепеней интеграции при умеренном быстродействии и малой потребляемой мощностью,тогда как на биполярных транзисторах строятся сверхскоростные ИС, которые можнобыло использовать как элементную базу сверхбыстродействующих ЭВМ.

Скорость переключения биполярноготранзистора из одного состояния в другое, а значит и быстродействие ЗУ,определяется как параметрами самого прибора, так и схемой его включения.Практическая скорость срабатывания современных серийных элементов на биполярныхтранзисторах составляет 10-9 — 10-8 с. Минимальное времяпереключения определяется временем, в течение которого носители заряда проходятчерез базу транзистора бьлагодаря процессу диффузии.

В настоящее время наиболеераспространенным материалом транзисторов является кремний. Подвижностьэлектронов в кремнии ~ 0,1м2/(В*с). Наиболее перспективный материалдля изготовления биполярных транзисторов ближайшего будущего — арсенид галлия (GaAs) — обладает подвижностью электронов около 1 м2/(В*с).

Полевые транзисторы имеют некотороепреимущество перед биполярными приборами. Они обладают высоким входным сопротивлениеми могут работать при больших напряжениях на входе. Кроме того, управляемый токв полевом транзисторе — это ток основных носителей заряда, который гораздолучше реагирует на быстрые внешние сигналы.

Различные типы полевых транзисторовотличаются друг от друга принципом действия затвора. Существуют транзисторы, вкоторых роль затвора играют контакт металл-полупроводник, структураметалл-диэлектрик-полупроводник (МДП) и т.д.

Характерной особенностьюМДП-транзисторов является чрезвычайно высокое сопротивление между электродами.Это позволяет использовать электроды транзистора в качестве емкостныхнакопительных элементов, потенциал которых сохраняется на определенном уровне втечение продолжительного времени после отключения внешнего источника. Практическаяскорость срабатывания МДП-ячейки составляет 5*10-9 с.

Элемент памяти — триггер. Транзисторы илогические схемы на их основе сами по себе элементами памяти быть не могут, таккак после прекращения действия входного импульса сразу возвращаются в исходноесостояние.

Для элемента памяти нужно устройство,которое под действием входного сигнала могло бы переключаться из состояния 0 всостояние 1 и обратно и при этом после прекращения действия входного импульсазапомнило бы свое состояние и могло находиться в нем неопределенно долго (доприхода следующего переключающего входного сигнала). Такие электронные схемы,имеющие два равнозначных варианта устойчивых значений, называют бистабильнымиячейками или триггерами.

Так как входной сигнал кратковременный,а устойчивое состояние триггера сохраняется как угодно долго (при условии, чтоне происходит отключения питания схемы), то триггер тем самым выполняетлогическую функцию запоминания.

Запоминающие элементы на ТТЛ-схемах(транзисторно-транзисторная логика на биполярных транзисторах) хорошоприспособлена к технологии больших интегральных схем (БИС). Их преимущество — высокая степень интеграции. ТТЛ-элементы могут быть совмещены с элементами,построенными на транзисторных переключателях тока.

Функциональные биполярные приборы в ИСпамяти. Подавляющее большинство биполярных ИС памяти строится на приборах,функционально более сложных, чем традиционный транзистор.

Основу ИС памяти на ТТЛ-схемахсоставляют многоэмиттерные транзисторы. В первом приближении многоэмиттерный транзистор(МЭТ) можно рассматривать как совокупность отдельных транзисторов соединенныхбазами и коллекторами.

Очень часто транзистор сочетают с диодомШотки. Диод Шотки в интегральном исполнении представляет собой контактполупроводник (n-типа) — металл, на которомобразуется так называемый барьер Шотки. Транзистор с барьером Шоткихарактеризуется большим коэффициентом усиления, малым инверсным коэффициентомпередачи и значительным быстродействием.

Широкое распространение в логических изапоминающий устройствах получили интегральные схемы инжекционного типа. Ихособенность — совместимость с технологией биполярных транзисторов, простотатопологии и высокая плотность упаковки. На элементах инжекционной логики (И2Л)можно создавать компактные бистабильные триггерные схемы, а для повышениябыстродействия в качестве коллекторов — использовать диоды Шотки.

Элементы памяти на МДП-транзисторах.Запоминающие элементы на биполярных и МДП-транзисторах обладают темсущественным недостатком, что даже кратковременное отключение питания приводитк разрушению записанной информации. Это затрудняет построение надежныхполупроводниковых устройств памяти с электрической перезаписью информации.Поэтому большое значение приобретают бистабильные МДП-структуры, позволяющиесоздавать запоминающие элементы с электрической перезаписью и не разрушаемойпри отключении питания информацией.

Принцип действия бистабильныхМДП-транзисторов заключается в создании в слое диэлектрика объемного заряда,изменяющего пороговое напряжение. Этот заряд в диэлектрике может достаточнодолго храниться при отсутствии на электродах транзистора напряжения. Длялокализации заряда в структуре может быть использована граница раздела двухдиэлектриков или созданный в диэлектрике специальный плавающий затвор. Бистабильнымэлементом первого типа является транзистор со структуройметалл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП). В основе работы МНОП-транзисторалежит накопление заряда на границе нитридного и оксидного слоев, что являетсярезультатом неодинаковых токов проводимости в том и другом слоях. Другой типбистабильных МДП-транзисторов — это транзисторы с однослойным диэлектриком,внутри которого на небольшом расстоянии от поверхности расположен не имеющийвнешнего вывода «плавающий» затвор. Информация хранится в виде зарядана изолированном затворе. Для стирания информации необходимо зарядить затвор — удалить инжекционный заряд.

Статические запоминающие элементы обычностроятся на основе триггеров. Они не требуют регенерации информации, могутнеограниченно долго хранить ее при включенном питании и обладают высокимбыстродействием. Их недостатки — достаточно большое постоянное потреблениеэнергии и значительное количество приборов для построение ЗУ.

В схемах на МДП-транзисторах с каналамиодного типа в режиме хранения информации практически полностью отсутствуетпотребление мощности (измеряется нановаттами). Существенное потреблениемощности происходит только в режиме переключения.

Динамические запоминающие элементы.МДП-ячейки обычно используют в качестве основы для создания динамических системпамяти.

Информация хранится здесь в виде зарядана конденсаторе, включенном между электродом информационного МДП-транзистора иобщей точкой схемы. В качестве такого запоминающего конденсатора используетсяемкость затвора информационного транзистора и включенные параллельно ейсоответствующие паразитные емкости.

Поскольку всегда имеется некотораяутечка заряда конденсатора, необходимо периодическое восстановлениеспециальными восстанавливающими импульсами. Отсюда и название — динамическаяпамять.

Существует несколько вариантовпостроения динамической памяти. Они различаются между собой количествомтранзисторов, числом и функциональным назначением информационных шин,последовательностью и характеристиками тактовых импульсов и, как следствие,быстродействием, потребляемой мощностью и площадью, занимаемой на кристалле.

Запоминающие устройства на приборах с зарядовой связью

Особым классом приборов со структуройметалл-диэлектрик-полупроводник являются приборы с зарядовой связью (ПЗС),представляющие собой совокупность взаимодействующих МДП-структур.Взаимодействие обеспечивается общностью полупроводникового слоя и малымрасстоянием между МДП-структурами.

Действие прибора основано на хранениизаряда неосновных носителей в потенциальных ямах, создаваемых внешнимэлектрическим полем у поверхности полупроводника, и движения этого заряда вдольповерхности полупроводника при движении потенциальных ям. На этом принципереализуются устройства, функционирующие подобно сдвиговым регистрам.Информация, вводимая в такие регистры в виде заряда неосновных носителей,сдвигается под действием тактовых импульсов в соответствующих потенциальныхямах вдоль цепочки ПЗС.

На рис. 3 изображена цепочкаМДП-конденсаторов, конструктивно реализованная в виде ПЗС-прибора.Металлические электроды конденсаторов отделены от полупроводника слоемдиэлектрика. Если на электрод (затвор) такого МДП-конденсатора податьнапряжение соответствующего значения и полярности (отрицательное для подложки n-типа и положительное для р-типа),

/>Рис. 3

то основные носители уйдут в объем,образуя под электродом область, обедненную основными носителями. Эта область — своего рода “карман” или потенциальная яма, в которую могут “скатываться”неосновные носители, образующие зарядовый пакет и являющиеся информационнымсигналом.

Характерной особенностью элементов наПЗС, является их функционирование только в нестационарном состояниипотенциальных ям, поэтому ЗУ на них относятся к устройствам динамического типа.

Ввод информации в систему на ПЗС можетбыть осуществлен с помощью электрических или оптических методов.

Существуют различные способы организацииПЗС ЗУ. Они преследуют одну цель — создание конструкции, обеспечивающей припоследовательном характере обработки информации увеличение эффективной скоростивыборки.

Предполагается, что широкое применениеЗУ на ПЗС найдут в качестве внешних ЗУ специализированных и универсальных ЭВМ,а также в роли буферных устройств, включаемых между “медленной” внешней памятьюсверхбольших емкостей и быстродействующим оперативным ЗУ в универсальной ЭВМ.Перспективной областью использования ПЗС считают также малые и средние(емкостью до 1 Мбит) ЗУ с невысоким быстродействием, применяемые в мини-ЭВМ илив сочетании с микропроцессором. Возможна, например, следующая архитектурапамяти ЭВМ: оперативная память на МДП-транзисторах емкостью 4К; буферная памятьна ПЗС емкостью до 64 К; внешнее ЗУ на магнитных дисках или лентах.

Постоянные запоминающие устройства

Особенностью постоянных ЗУ является то,что из них в процессе работы можно только считывать информацию, а записыватьнельзя. В зависимости от возможности изменения хранимой информации различаютпостоянные ЗУ (ПЗУ) и полупостоянные, или программируемые ЗУ (ППЗУ).

Записанная первоначально в ПЗУинформация сохраняется в течение всего периода использования и не может бытьизменена в процессе эксплуатации. Естественно, что это позволяет намногоупростить необходимые коммутационные устройства и сами элементы памяти. Приэтом уменьшается также рассеиваемая мощность, поскольку отпадает необходимостьв восстановлении информации, повышаются быстродействие и надежность работы.

Основу ПЗУ составляет двухкоординатнаяматрица элементов памяти (запоминающее поле). В качестве таких элементовиспользуются диоды Шотки, биполярные и МДП-транзисторы. Обычно на кристаллевместе с матрицей запоминающих элементов располагаются схемы записи, дешифраторы,усилители, входные и выходные схемы, обеспечивающие согласование ЗУ с внешнимиустройствами.

Типичная схема диодного ПЗУ показана нарис. 4. Структура — матричная: строки образуются адресными шинами, а столбцы — разрядными. Каждая шина хранит определенный код: 0011, 0100 и т. д. Записьосуществляется с помощью диодов, которые присоединены между адресными шинами итеми разрядными шинами, на которых (при считывании) должна быть логическая 1;подобные соединения отсутствуют там, где должны появиться нули. Схема работаетследующим образом. В любой момент времени только на одной выходной линиидешифратора может быть высокий уровень напряжения. Ток с этой линии течет лишьна те выходные линии, с которыми эта линия соединена диодом.

 />                 />

Рис. 4. Схема диодного постоянного ЗУ      Рис.5. Ячейки ПЗУ на биполярных (а) и МДП-транзисторах (б)

В качестве диодов чаще всегоиспользуются транзисторы. На рис. 5. показаны типичные ячейки полупроводниковыхПЗУ, использующих биполярные и МДП-транзисторы. Принципы построения остаютсятеми же, но транзисторы могут совмещать в себе функции элемента связи иусилительного элемента.

Если ПЗУ изготовлено таким образом, чтопользователь может электрическим (или каким-либо иным) способом записыватьинформацию в память, то такое ПЗУ является программируемым. Часто используюттакую схему, где в каждой ячейке памяти предварительно установлены единицы: накаждом пересечении матрицы имеются плавкие перемычки или их аналоги. Запись илипрограммирование ППЗУ производится “пережиганием” этих перемычек электрическимтоком определенной величины. Иногда память в начальном состоянии во всехячейках содержит нули, а единицы вводятся пользователем.

Специфика работы ППЗУ заключается в том,что содержимое памяти может быть установлено по желанию пользователя, а позднееэту информацию можно стереть и записать новую. Разработаны типы ППЗУ состираемой информацией, позволяющие неоднократно записывать требуемуюинформацию. Стирание можно производить электрическим током или ультрафиолетовымизлучением. Как правило, ППЗУ выдерживают более тысячи циклов записи-стираниядо возникновения необратимых изменений пороговых напряжений и проводимостиканала запоминающих элементов.

При использовании для созданияпрограммируемой памяти бистабильных МДП-транзисторов матрица запоминающихэлементов в исходном состоянии содержит транзисторы с одинаковыми пороговыминапряжениями. Запись информации осуществляется в результате инжекции носителейзаряда в слой подзатворного диэлектрика, что приводит к изменению пороговогонапряжения заданных транзисторов.

В случае бистабильных МДП-транзисторов сплавающим затвором программирование ячейки осуществляется путем зарядаплавающего затвора. Прикладывая к затвору достаточно большое напряжение,вызывают лавинный пробой в диэлектрике, в результате чего в нем накапливаютсяэлектроны. Соответственно меняется пороговое напряжение. Заряд электроновсохраняется в течение длительного времени, и записанную информацию можновоспроизводить многократно, обследуя (в процессе коммутации) проводимость междуистоком и стоком. Стирание записи (нейтрализация заряда) производится приоблучении матрицы ультрафиолетовым (или рентгеновским) излучением.

В ППЗУ на МНОП-транзисторах введение ивыведение зарядов в диэлектрик осуществляется с помощью коротких высоковольтныхимпульсов разной полярности, подаваемых на затвор.

Проблема миниатюризации в устройствах полупроводниковой памяти

Современные ИС с высокой степеньюинтеграции представляют собой ансамбль огромного числа элементов(транзисторов), каждый из которых состоит из микроскопических областейполупроводника с вполне определенными свойствами. Все эти микроскопическиеобласти эмиттеров, баз, коллекторов, истоков, стоков, каналов, межсоединений ит. п. можно рассматривать как статические неоднородности в непрерывной средекристалла, созданные с помощью технологических процессов. Обработка информацииосуществляется ее продвижением из области одной статической неоднородности вдругую, при этом происходит непрерывное изменение таких физических величин, какнапряженность электрического поля, потенциалы, концентрации носителей и т. д.Размеры областей статических неоднородностей весьма малы, а с возрастаниемстепени интеграции они непрерывно уменьшаются.

В истории микроэлектроники прогресс втехнологии выражался в постепенном уменьшении размеров транзисторов от 25-50мкм до 2-3 мкм (для серийно изготовляемых схем). Расчеты показывают, чтоуменьшение размеров элементов ИС неизбежно приводит к целому ряду ограничений.

Проблема межсоединений. Плотностьразмещения транзисторов в ИС определяется геометрическими (топологическими) ифизическими факторами. Топологическая задача при создании ИС заключается вразмещении транзисторов и соединений между ними на части поверхности пластины.При большом числе транзисторов в ИС сетка соединений необычайно сложна и,очевидно, будет занимать значительную часть площади поверхности пластины (до85% для БИС).

Показано, что даже при оптимальномразмещении и пренебрежимо малых размерах элементов существует предел дляповышения степени интеграции N БИС и СБИС, определяемый монтажной площадьюмежэлементных связей на кристалле: Nmax=(L/hт)5/6, где L=(L1+L2)/2= sqrt(Sкр) — усредненный линейный размер; L1+L2 — периметр кристалла; Sкр — площадь кристалла; hт — шаг трассировки.

Один из путей уменьшения занимаемоймежсоединениями площади кристалла — это переход на многоуровневую разводку,например 12-уровневую вместо стандартной трехуровневой (внутриячеечныесоединения, межъячеечные соединения, питание). Подсчитано, что уже при 20—25тыс. вентилей на кристалле и 12-уровневой разводке полезно используемая площадьбудет составлять около 50%. Однако надежность таких схем резко падает из-занеудовлетворительных контактов между уровнями, наличия ложных контактов черезслучайные поры в тонких слоях диэлектрика. Особенно высокие требованияпредъявляются к металлическим линиям и к межуровневому диэлектрику. Толщинаметаллических и особенно диэлектрических слоев не должна быть меньше 0,05 мкм.

Проблема межсоединений не сводитсятолько к размеру занимаемой ими площади кристалла. Уменьшение топологическихразмеров существенно уменьшает сечение токоведущих линий и увеличиваетотношение их длины к сечению. Следствием этого является увеличениесопротивления соединительных проводников и другие нежелательные явления. Вчастности, возрастают напряженности электрического поля, и приходится считатьсяс возможностью объемного или поверхностного пробоя диэлектрика.

Тепловые ограничения. Одним изфизических факторов, ограничивающих плотность размещения транзисторов наповерхности кристалла, является отвод теплоты, выделяемой при работе ИС. Из-заэнергетических ограничений предельные значения уровня интеграции ибыстродействия не могут быть реализованы одновременно.

Быстродействие транзистора определяетсявременем переключения транзисторных ключей, или вентилей, , которое обратно пропорционально потребляемой мощности Р:  =А/Р. Здесь А — работа ключа на однопереключение. Повышение мощности в целях ускорения переключения, как правило,требует увеличения расстояния между отдельными элементами схемы для соблюдениянеобходимого теплового режима, что приводит к уменьшению плотности размещенияэлементов и увеличению задержки на распространение сигнала по линиям.

Мощность, рассеиваемая в кристалле ввиде теплоты, должна быть меньше тепловой мощности, которая может бытьотведена.

При воздушном обдуве с площади 1 см2относительно легко отводится мощность порядка 2 Вт (в охлаждающей жидкости —окоо 20 Вт). Если один транзистор занимает на поверхности пластины площадьпорядка 100 мкм2, то на площади 1 см2 разместится 106транзисторов, причем каждый из них может выделить при работе мощность не более2 мкВт. Допустим, что А=10-12 Дж, т=1 нс; при таком быстродействиина каждом вентиле в схеме мощность потерь достигнет 10 мВт. Степень интеграцииИС такого высокого быстродействия будет ограничена 200 вентилями.

Легко видеть, как сильно снижаетпредельную степень интеграции сверхскоростных ИС ограниченность отвода теплотыи насколько важны поиски путей снижения потребляемой мощности в ИС.

Масштабирование (скейлинг параметров). Внастоящее время наиболее распространенным методом уменьшения элементов икристаллов ИС является масштабирование. Существует достаточно большая областьгеометрических размеров, где возможны преобразования при миниатюризации сиспользованием простых масштабных преобразователей, или скейлинга. Суть масштабированияв определении масштабных множителей F(K), с помощью которых параметры прибора, будучи уменьшены в К раз,выражаются через соответствующие параметры исходного прибора. Это позволяет, неизменяя технологических процессов и топологии ИС, улучшить параметры ИСпропорционально масштабу этого уменьшения.

При уменьшении размеров активныхэлементов их параметры улучшаются, а такое же масштабирование межсоединенийприводит к ухудшению параметров: все значительнее проявляются такиенежелательные явления, как электромиграция вещества (процесс перемещения атомовпроводника), увеличение волнового сопротивления, возрастает роль краевыхемкостей межсоединений.

Таким образом, стратегия одинаковогоуменьшения всех линейных размеров ИС не является оптимальной. В практическиважных случаях различным величинам придают различные масштабные коэффициенты.Масштабирование удачно применяется при уменьшении размеров элементов от 10 доединиц микрометра. Однако при переходе к длинам менее 1 мкм масштабированиенеэффективно, необходимо учитывать ограничения, связанные с физическимиэффектами, возникающими при малых геометрических размерах.

При заданном напряжении питания суменьшением размеров растут электрические поля в диэлектрике и в обедненныхобластях полупроводника, что может привести к пробою р-n-переходови диэлектрика, появлению “горячих” электронов и туннелированию их вдиэлектрический слой.

Существует минимальная толщинадиэлектрика или обедненного слоя, при которой электрическое поле еще непревышает поля пробоя или не является причиной других нежелательных эффектов.Эта минимальная толщина определяет минимум всех других размеров прибора и,таким образом, ставит предел миниатюризации приборов такого типа.

Трехмерные интегральные схемы. Общаятенденция неограниченного роста степени интеграции ИС диктует поискиконструктивных решений, альтернативных возрастанию площади кристалла ИС иуменьшению размеров элементов в двухмерных ИС. Начиная с некоторой степениинтеграции может оказаться более выгодным переход к трехмерным ИС, в которыхактивные элементы располагаются в несколько слоев.

Трехмерные ИС имеют многослойнуюструктуру с диэлектрической изоляцией. Такая многоэтажная конструкция можетэффективно использоваться для изготовления на разных этажах схемы приборовразличных типов и их интеграции в составе ИС. Такое объединение, как правило,дает выигрыш в качестве ИС.

Существенные преимущества могут бытьполучены при использовании трехмерной конструкции ИС и за счет упрощения схемысоединений. Число соединений может уменьшиться, и длина их будет меньше, чтоприведет к экономии полезной площади кристалла, уменьшению потребляемоймощности, а также позволит уменьшить задержки на соединениях и увеличитбыстродействие ИС.

Идея создания трехмерных структурвозникла сравнительно недавно и в настоящее время активно разрабатывается.Одним из шагов в этом направлении является создание схемы ЗУ, выполненной потехнологии трехмерной поперечной инжекции с формированием двух электродов. Этасхема имеет сходство со схемами, включающими элементы с плавающим затвором,которые используются в ППЗУ, но имеет дополнительный транзистор в тонком слоеполикремния. Этот транзистор предназначен для управления процессом подачизаряда записи на накопительное устройство — протяженный затвор.

Перспективы и преимущества трехмерныхструктур несомненны. Однако здесь еще много нерешенных проблем. Можно ожидать,что в относительно близком будущем такие ИС станут реальностью, что откроетновые возможности  для увеличения степени интеграции и совершенствования функцииИС.

Оптические устройства памяти

Принципы оптической памяти

В последнее время использованиеоптических методов хранения и обработки информации рассматривается как одна изпривлекательных альтернатив обычным запоминающим устройствам. Принципиальноепреимущество оптической памяти заключается в том, что оптика делает возможнымсоздание ЗУ большой емкости с плотно “упакованными” данными. Плотностьпредставления информации в оптических ЗУ, по существу, ограничена толькодифракционным пределом.

Преимуществом оптической памяти являетсятакже возможность параллельной обработки информации и быстрый доступ кмассивам. Все это в сочетании с потенциально высокой надежностью и приемлемымиэнергетическими характеристиками делает оптическую память одной изперспективных замен полупроводниковой и магнитной памяти.

Два типа оптической памяти.Принципиально возможны два способа записи информации в оптическом ЗУ: побитовыйи голографический. В первом случае любому элементарному участку информационногоносителя соответствует один бит информации, во втором — вся поверхностьнекоторого участка носителя равномерно обеспечивает хранение массиваинформации, т.е. любая область, входящая в этот участок, хранит с той или инойдостоверностью информацию обо всем массиве сразу.

Для побитовой записи информации можноиспользовать любой источник излучения. Однако более предпочтительны источникикогерентного света — лазеры, плотность потока энергии и возможности фокусировкиизлучения которых многократно превосходят соответствующие параметры всех другихисточников.

Голографическая запись — представлениеинформации в интерференционной форме. Здесь обязательно требуется использованиекогерентного источника излучения и предъявляются определенные требования кстепени его пространственной и временной когерентности. Информационную нагрузкупри голографической записи несет один из двух световых пучков, на которыеделится световой поток источника излучения, — его называют сигнальным илиобъектным. Пространственная структура сигнального излучения, т. е. характерраспределения энергии в плоскости поперечного сечения пучка, однозначно связанас емкостью массива, записываемого на носитель, и распределением в неминформации. Оба пучка — информационный (сигнальный) и вспомогательный (опорный)- интерферируют в плоскости носителя информации.

Обобщенная структурная схема оптическойпамяти. Характерная особенность оптических ЗУ — большое число оптическихэлементов и блоков, часть которых обязательно используется во всехразновидностях оптической памяти, а другие специфичны лишь для некоторых еетипов. В частности, любая оптическая система содержит три основных блока:модулятор, процессор и приемное устройство.

В модуляторе световая волна“нагружается” информацией. Здесь в результате пространственной модуляции волныформируется пространственный оптический сигнал, называемый обычно входнымоптическим сигналом. Процессор, представляющий собой набор различныхтранспарантов и оптических элементов, осуществляет заданную обработку входногооптического сигнала, преобразуя его в выходной сигнал. В приемном устройствепроизводится извлечение информации, которая может быть либо преобразована вэлектрические сигналы, либо подвергнута хранению.

Структурная схема оптической памяти спобитовой записью информации показана на рис. 6. Основными компонентами системыявляются лазерный источник излучения, модулятор, дефлектор для адресации луча,формирующая и фокусирующая оптика и запоминающая среда.

/>

Рис. 6. Структурная схема оптического ЗУс побитовой записью информации

Помимо более сложной оптики вголографической системе памяти требуется два существенных дополнительныхэлемента — устройство формирования массивов (страниц) информации, называемоеуправляемым транспарантом (УТ), и фотоприемная матрица. В голографическом ЗУ спостраничной записью лазерный луч расщепляется на два пучка — опорный исигнальный. Сигнальный луч, проходя через управляемый транспарант, поступает наноситель информации, где взаимодействует с опорным пучком, образуяинтерференционную картину, которая фиксируется в регистрирующей среде. Каждоеположение отклоняемого луча используется для адресации целой страницы.

При считывании сигнальный луч блокируетсязатвором; опорный пучок становится считывающим и проецирует восстановленноеизображение страницы информации на матрицу приемников. В результате присчитывании целая страница информации сразу же оказывается доступной дляэлектронной выборки. Оптическая система обеспечивает совпадение опорного исигнального лучей в записывающей среде и поворот сигнального луча относительноУТ при записи по разным адресам.

Оптоэлектронные устройства памяти

Оптоэлектроника основана на применении какэлектрических, так и оптических методов обработки информации и рассматриваетметоды и устройства преобразования электрических сигналов в световые и обратно,исследует процессы получения, передачи, обработки и хранения информации,переносимой светом.

Существенная особенность оптоэлектронныхустройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически — изолированы.

В цепях с обычными приборами вакуумной иполупроводниковой электроники невозможна эффективная развязка между входом ивыходом, что связано с наличием у электрона электрического заряда. Оптическаяже связь, осуществляемая с помощью фотонов, может быть реализована междуучастками схемы со значительно различающимися потенциалами; в оптоэлектронныхустройствах осуществляется эффективная развязка между входом и выходом. Крометого, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможностьпространственной модуляции световых пучков и значительного ветвления ипересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами;большая функциональная нагрузка световых пучков, обусловленная большойвариабельностью их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы,поляризации).

Оптоэлектронные приборы. В составоптоэлектронных устройств входит несколько видов приборов, которые связанымежду собой и обеспечивают хранение и выдачу информации в зависимости отпотребностей.

Основным структурным элементомоптоэлектронных устройств является оптрон — прибор, состоящий из источника иприемника света, связанных оптически. Поскольку схемотехнические возможностиоптрона определяются главным образом характеристиками фотоприемника, этотэлемент и дает название оптрона в целом. К важнейшим разновидностямэлементарных оптронов относятся: транзисторные, диодные, резисторные и тиристорные(рис. 7).

Функциональные возможности оптрона могутбыть существенно расширены при введении обратных связей (электрических илиоптических). Наиболее известен оптрон, в котором приемник и излучательсоединены электрически, а также имеется оптическая положительная обратнаясвязь. Такое устройство, получившее название регенеративного оптрона, пригоднодля использования в качестве переключателя, усилителя, генератора какэлектрических, так и световых сигналов.

/>

Рис. 7. Элементарные оптроны:

а — резисторный: б—диодный;  в—транзисторный; г — тирис-торный; д — резисторный с электролюминесцентнымконденсатором

Для осуществления в оптоэлектронныхустройствах широкой и гибкой системы оптических связей часто применяютволоконную оптику.

Оптические волокна представляют собойэффективные световоды, обеспечивающие передачу излучения по заданному пути; ихможно группировать в пучки любой формы и изгибать под любыми углами.

Волокнистые световоды исключаютнеобходимость в фокусирующих и отклоняющих системах. Поэтому оптоэлектронные ЗУмогут иметь многоплатную конструкцию, причем каждая плата имеет свои источникисвета и свои фотоприемники, число которых равно количеству битов хранимой информации.

Оптоэлектроника предъявляет к источникамсвета такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокиеэффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должныобладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в видеинтегральных устройств. Планарная технология интегральных схем позволяетсоздавать миниатюрные устройства с расщеплением излучения, сформированныевместе с электронными схемами управления. Ячейки матриц излучателей ифотоприемников могут обладать памятью.

Наиболее распространенными элементамиматриц некогерентных источников света являются инжекционные светодиоды, вкоторых испускание света определяется механизмом рекомбинации электронов идырок. В качестве материалов для светодиодов используют арсенид и фосфидгаллия, карбид кремния, твердые растворы арсенида галлия—алюминия и т.д.

Перспективными источниками светаявляются инжекционные лазеры, позволяющие получать высокую плотность энергии вузкой спектральной области при высоких КПД и быстродействии (десяткипикосекунд). Заметим, что быстродействие светодиодов ~0,5 мкс. Инжекционныелазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той жетехнологии, что и интегральные микросхемы.

Для преобразования световых сигналов вэлектрические используют фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы и другиеприборы. Их можно использовать и для изготовления интегральных матриц, которыемогут иметь координатную организацию, позволяющую выбирать любой, но толькоодин, фотоприемник в определенный момент времени, могут быть организованыпострочно (по словам), в несколько регистров или с самосканированием.

Матрицы фотоприемника кромесветочувствительных элементов содержат коммутирующие элементы, а в некоторыхслучаях и элементы памяти. Простейшая ячейка содержит фотодиод ипоследовательно включенную емкость. Запоминание информации в матрице фотодиодовреализуется в виде накопления зарядов на емкостях фотодиодов.

Память на устройствах функциональной электроники

Функциональная электроника — новое направление в микроэлектронике

Современная электроника твердого тела взначительной степени является интегральной электроникой; в основе ее лежитпринцип элементной (технологической) интеграции—изготовление на одном кристаллебольшого количества электронных приборов, соединенных между собой вэлектрическую схему.

Схемотехнический путь развитияинтегральной электроники неизбежно связан с ростом числа элементов имежэлементных соединений по мере усложнения выполняемых интегральной схемойфункций. Однако чисто количественное наращивание степени интеграции и связанноес этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Анализтрадиционных путей развития интегральной электроники показывает, что внастоящее время достигнут настолько высокий уровень интеграции, что приходитсясчитаться с рядом физических и технологических ограничений при его дальнейшемповышении. Только интегрализация элементов на определенном этапе уже необеспечивает достижения положительных результатов.

Функциональная электроника предлагаеткачественно новый подход. В основе лежит принцип физической интеграции,позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применениястандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физическихявлениях в твердом теле. В этом случае локальному объему твердого телапридаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, такчто промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной схемыне требуется.

При физической интеграции носителеминформации является не состояние некоторой схемы, созданной на основетрадиционных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и т. д.), а состояниелокального объема в однородной активной среде с динамически изменяемымипараметрами. Изменения состояния локального объема однородного материаладостигаются не технологическими, а физическими способами, например инжекциейзарядов в локальный объем с помощью светового излучения либо воздействиемэлектрических или магнитных полей, возбуждением поверхностных волн и т. д.

Таким образом, основной чертойфизической интеграции является отсутствие или значительное снижение удельноговеса схемотехники и использование динамических неоднородностей для выполненияопределенных функций. Запись и обработку информации выполняет не схема,включающая в себя множество приборов и элементов, а сама активная среда, вкоторой накапливается подвергаемая обработке информация.

Любой прибор традиционной электроникисам по себе накапливать информацию не может. Так, в элементе памяти на триггерезапись информации осуществляется не самим транзистором, входящим в составсхемы, а всей схемой триггера, содержащей как минимум два транзистора. Запись иобработка сигнала непосредственно в приборах традиционной электроники неосуществляются — эти функции выполняет схема, включающая в себя множествоприборов. Активная среда устройств функциональной электроники обладает двумяхарактерными свойствами: в ней может храниться и обрабатываться большой объеминформации; управление ею обеспечивает изменения алгоритма обработки сигнала. Сэтой точки зрения устройства функциональной электроники по своим отличительнымпризнакам близки к процессору ЭВМ, реализуемому в виде интегральных схем натрадиционных транзисторных структурах. Заметим, что во многих случаяхустройства функциональной электроники могут хорошо сочетаться с цифровыми ИС,дополняя и расширяя их возможности.

В настоящее время существует нескольконаправлений исследований, основанных на непосредственном использованиифизических явлений, потенциально пригодных для создания функциональныхустройств. В качестве носителей информации используются сгустки заряда,цилиндрические магнитные домены, пакеты волн различной природы и т. п. Данныйперечень может быть расширен и дополнен в ходе проведения исследований. Цельвсех этих исследований — создание принципов конструирования и производствадостаточно экономичных устройств с высокой степенью интеграции. Внутри этойпроблемы можно выделить наиболее актуальную проблему—создание интегральныхустройств памяти большого объема, энергонезависимых, малогабаритных ималопотребляющих, с достаточно высоким быстродействием.

Рассмотрим некоторые примеры реализациифункциональных устройств, в основу которых положены существенно различныефизические явления.

Память ПЗС и ЦМД. Активной средой в ПЗСслужит полупроводниковая пластина с системой электродов на ней (см. 3.4), подкаждый из которых может быть введен объемный заряд, образованный сгусткаминосителей. Приложение электрических потенциалов, изменяющихся во времени вопределенной последовательности, заставляет перемещать такие зарядовые пакеты.Наличие или отсутствие заряда означает 1 или 0 в системе записи информации.

Отметим, что устройства памяти,выполненные на принципах функциональной электроники с использованием зарядовыхпакетов в качестве динамической неоднородности — носителей информации, обладаютзначительными возможностями для повышения плотности их упаковки и повышениядоли выхода годных. Они, например, занимают на 60—70% меньшую площадь, чемоднотранзисторные МДП-элементы. Схемы, выполненные на ПЗС-структурах, требуютменьшего количества обслуживающих схем, чем МДП ЗУ.

Создание приборов на ЦМД, какнаправление функциональной электроники, основано на непосредственномиспользовании доменной структуры ферромагнетиков. Фактически доменныеустройства представляют собой однородную активную среду, в которой носителямиинформации являются цилиндрические (или плоские) магнитные домены, а еепереработка и хранение осуществляются за счет перемещения и взаимодействия этихдоменов (см. 2.4).

ЦМД обладают важным комплексом свойств:их можно контролируемо создавать и уничтожать, осуществляя ввод и выводинформации, а перемещая с высокой скоростью, производить сдвиг информации. Именноспособность ЦМД к перемещению, а также к устойчивому сохранению размера, формыи положения в среде является основной предпосылкой к технической реализации ЗУ.Малые размеры доменов и большая их подвижность дают возможность создавать на ихоснове устройства большой функциональной гибкости с исключительно высокимипараметрами. При этом функции логики, запоминания и коммутации реализуются безнарушения однородности структуры материала носителя.

Память на поверхностных акустическихволнах. Направление функциональной электроники, которое охватывает устройства иприборы, использующие явления возбуждения, распространения и взаимодействияакустических волн с электронами проводимости в металлах и полупроводниках,получило название акустоэлектроники.

В устройствах акустоэлектроникииспользуются звуковые волны высокой частоты (1 МГц—10 ГГц), как объемные, так иповерхностные. Преимущества поверхностных акустических волн (ПАВ)—малые потерина преобразование при их возбуждении и приеме, доступность волнового фронта,что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точкахзвукопровода, а также управлять характеристиками устройств. Именно этипреимущества и обусловили то, что большинство устройств выполняется на ПАВ.

ПАВ представляет собой волнумеханической деформации (упругую волну), распространяющуюся вдоль поверхноститвердого тела или вдоль границы раздела твердого тела с другими средами.Благодаря сравнительно низкой скорости распространения волны возможно наограниченном по длине пространстве ее распространения обеспечить существеннуюзадержку сигнала во времени или осуществить динамическую запись информациизначительного объема.

Особый класс нелинейныхакустоэлектронных устройств составляют устройства, основанные на принципезапоминания и хранения сигнальной информации. В качестве носителей информациииспользуется заряд объемных или поверхностных ловушек в полупроводниках,создание и запоминание зарядовых пакетов с помощью электронного пучка. Операциизаписи и считывания осуществляются с помощью ПАВ. Время хранения информациизависит от конкретного механизма запоминания и достигает нескольких недель.

Устройства на основе спиновых волн.Устройства обработки информации на ПАВ, работающие в диапазоне 10—1500 МГц,отличаются рядом достоинств: малыми размерами и незначительной массой,возможностью синтеза заданных характеристик, удобством сопряжения синтегральными схемами и др.

Однако для обработки информации этимиустройствами в диапазоне частот выше 1 ГГц требуется понижение частоты, чтоприводит к дополнительному искажению сигнала и усложнению конструкции системы.

Переход к частотам 1—20 ГГцосуществляется в устройствах на спиновых волнах, которые представляют собойволновой процесс ориентации спиновых магнитных моментов электронов, ответственныхза ферромагнитные свойства вещества. Обусловлены спиновые волны обменнымвзаимодействием, благодаря которому изменение магнитного момента одного атомапередается соседнему, и т. д. Возбуждение спиновых волн обычно осуществляется втонких пленках железоиттриевого граната (ЖИГ) на неферромагнитной подложке.Пленка находится в статическом магнитном поле, приводящем вещество  в состояниемагнитного насыщения, благодаря чему обеспечивается исходная ориентация спинов.

Линии задержки на спиновых волнаххарактеризуются малыми потерями, возможностью осуществить несколько выводовинформации.

Функционально ПАВ и спиновые волныравноценны, но последние могут быть использованы на более высоких частотах.

Большими функциональными возможностямиобладают устройства, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР).Действие этих устройств основано на использовании метода спиновогоэха—импульсного метода наблюдения ЯМР.

Сверхпроводниковые устройства памяти

Для всех наиболее важных элементовтрадиционной электроники имеются сегодня сверхпроводящие аналоги. Поэтому можнодумать, что практически любое электронное оборудование может бытьсконструировано на основе сверхпроводящих интегральных схем.

Не ставя перед собой задачисколько-нибудь подробного рассмотрения этой новой захватывающей областиэлектроники, остановимся кратко лишь на описании физических принципов работынекоторых устройств хранения и обработки информации на сверхпроводниках.

Криотронные переключатели и элементы памяти

Принципиальная возможность использованиясверхпроводимости для создания переключающих элементов известна довольно давно.Еще в середине пятидесятых годов был создан сверхпроводящий прибор — криотрон,в котором используется возможность управления состоянием сверхпроводимости спомощью магнитного поля.

Как известно, явление сверхпроводимостисостоит в том, что сопротивление многих металлов и сплавов при охлаждении их донекоторой критической температуры, присущей данному материалу, становитсяравным нулю. Это состояние может быть разрушено не только повышениемтемпературы выше Тк, но и внешним магнитным полем Нц илисамим протекающим по сверхпроводнику током, если он превышает некотороекритическое значение.

До последнего времени все известныесверхпроводники переходили в состояние сверхпроводимости при чрезвычайно низкихтемпературах—как правило, от 1 до 20 К, т. е. вблизи абсолютного нуля. Этисверхпроводники приходилось охлаждать жидким гелием. Прорыв в область “азотных”температур состоялся совсем недавно, в начале 1987 г. Был обнаружен новый классматериалов (керамики на основе редких металлов, меди и кислорода), температураперехода в сверхпроводящее состояние которых 100 К и выше.

Джозефсоновские туннельные контакты

Активными элементами сверхпроводниковоймикроэлектроники являются так называемые джозефсоновские приборы: туннельные имастиковые контакты или переходы. Свойства их были предсказаны в теоретическойработе Джозефсона еще в 1962 г. С тех пор был выполнен большой объемэкспериментальных исследований, в том числе по отработке технологииизготовления джозефсоновских приборов, однако решающего успеха, который быпоставил сверхпроводниковую микроэлектронику на один уровень сполупроводниковой (кремниевой), до последнего времени добиться не удалось.

Существует два основных типаджозефсоновских контактов — типа сэндвич и типа мостик (рис. 8. а, б).Классический джо-зефсоновский контакт представляет собой туннельный переход столщиной диэлектрического слоя менее 5 нм, разделяющего два сверхпроводника. Втакой структуре ток может протекать через переход даже при нулевом напряжениина нем за счет квантово-механического туннельного эффекта, хотя в классическойфизике диэлектрик не может проводить ток.

Открытие Джозефсона состояло в том, чтоон предсказал возможность туннелирования сверхпроводящего тока черездиэлектрический барьер.

/>

Рис 8 а — типа сэндвич; б — типамостик       

При больших токах или при действии наконтакт хотя бы слабого магнитного поля на переходе возникает разностьпотенциалов, что означает появление у перехода определенного сопротивления. Наэтом принципе могут быть построены туннельные джозефсоновские криотроны.

Проблемы и перспективы машинной памяти

(Заключение)

В настоящее время существует очень многовсевозможных технических средств записи и хранения информации, причем их числоуже настолько велико, что сказать о каждом не представляется возможным. ЗУ,удовлетворяющее современным требованиям, может быть реализовано прииспользовании различных физических эффектов. В рассмотренных примерах это былиэффекты магнетизма, физики полупроводников, оптики.

Возможность использования электронныхлучей для записи и считывания информации всегда привлекала вниманиеразработчиков ЗУ. Такие свойства электронных потоков, как относительнаяпростота управления траекториями движения электронов (вследствие наличия у нихзаряда), малая длина волны де Бройля и возможность получения высокой плотностиэнергии, обусловливают перспективность их применения в ЗУ. Поэтому переход киспользованию электронных лучей в накопителях при увеличении плотности записиинформации представляется закономерным.

Принципы электронно-лучевой памяти.Электронно-лучевые накопители информации достаточно конкурентоспособны приусловии хранения больших массивов информации более 107—109бит. Для накопления больших массивов информации в электронно-лучевых ЗУнеобходимо разрабатывать специальные электронно-оптические системы,совершенствовать методы адресации лучей и способы записи (считывания)информации.

Информация в электронно-лучевых ЗУпредставляется в виде локальных изменений свойств поверхности информационногоносителя. Наиболее распространены способы записи, основанные на изменениипрозрачности носителя, его отражательной способности, геометрии поверхности,намагниченности и накопленного заряда. Рассмотрим их подробнее.

Запись изменением прозрачности илиотражательной способности носителя информации. При этом способе записи наинформационном носителе необходимо получить заданный точечный рисунок всоответствии с записанной информацией. Носитель информации — тонкая пленка илифольга — условно поделен на элементарные участки, каждый из которых используютдля записи одного бита информации.

При записи информации прозрачностьюэлементарных участков можно управлять с помощью перфораций отверстий илиизменением толщины носителя информации. Для считывания информации электронныйлуч в соответствии с кодом адреса устанавливают в заданную область носителя.Параметры луча изменяются в зависимости от записанной информации. Присчитывании 1 электроны проходят через отверстие в носителе и попадают нарегистратор. Таким образом, сигнал, снимаемый с регистратора электронныхпотоков, соответствует считываемой информации. При этом ток электронного луча,попадающего на регистратор, достаточно мал и его необходимо усиливать.

Запись изменением геометрии поверхностиносителя. В электронно-лучевой памяти широко применяют и термопластическуюзапись информации. Запись на термопластиках осуществляют методом деформацииповерхности носителя. Под действием сил притяжения, вызванных электрическимизарядами в размягченном слое диэлектрика, на поверхности носителя образуетсярельеф, который служит изображением записанной информации. Для стирания записидостаточно нагреть термопластик до температуры, большей температуры проявления.При этом рельеф сглаживается и поверхность его выравнивается.

Для записи информации натермопластическом диэлектрике служит электронная пушка, развертка которойосуществляется только вдоль строки. Носитель информации со слоем термопластикаобычно выполняют в виде ленты, которая хранится в кассетах. После записиинформации соответствующий участок ленты, прежде чем попасть в приемнуюкассету, проходит зону проявления, в которой с помощью высокочастотногонагревателя его доводят до размягчения. Для сохранения записанной информацииленту охлаждают и наматывают на приемную кассету. Считывание информациипроисходит при движении электронного луча по строке с записанной информацией ввиде точечных лунок. Плотность записи 107—108 бит/см2;минимальное время запись—считывание составляет 0,01—0,02 с.

Запись с изменением намагниченностиносителя. При этом способе запись информации осуществляют нагревом магнитногоматериала до точки Кюри. Для записи нуля электронный луч направляют на один изизолированных участков намагниченной пленки, вызывая нагрев его до температурывыше точки Кюри. При этом пленка на указанном участке (число которых должнобыть, по крайней мере, не меньше количества бит запоминаемой информации)размагничивается. Таким образом, носитель с записанной информацией состоит изнамагниченных и размагниченных участков пленки.

Носителем информации может служить и сплошнаяпленка из сплава марганец-висмут. Если при записи нагреть участок пленки вышеточки Кюри, то после охлаждения вектор намагниченности в нем изменит своенаправление. Плотность записи информации, допускаемая магнитной структуройпленки, составляет 109 бит/см2. Для считывания информацииможно регистрировать вторичные электроны, испускаемые магнитным носителем. Дляувеличения сигнала считывания на носитель целесообразно наносить тонкую пленкуиз материала с высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии.

Запись при помощи накопленного заряда.Известно, что взаимодействие ускоренных заряженных частиц с полупроводникамиприводит не только к нагреву, но также к ионизации их атомов и к генерацииэлектронно-дырочных пар. Такую память называют электронно-оптической. Еслиоблучать полупроводник электронами с энергией 10—15 кэВ, то в мишени образуетсянесколько тысяч электронно-дырочных пар, представляющих собой динамическиенеоднородности. Если образовавшиеся пары быстро и эффективно разделить, томожно получить соответствующий импульс тока (при импульсном облучении) исоответствующие заряды на обкладках мишени.

ЗУ с использованием.металл—оксид—полупроводниковых мишеней с лучевой адресацией (МОПЛА-трубкипамяти) позволяет хранить информацию в течение некоторого отрезка времени. Срокхранения при отключенном питании превышает один месяц при не менее чемдвадцатикратном считывании. Изменение сигнала при изменении температуры от -40до +70°С не превышает 10%. Одна из основных проблем в таких ЗУ — борьба с повреждениемслоя кремния под действием электронного луча, который изменяет структуру оксидакремния, вследствие чего она теряет способность приобретать и сохранятьэлектрический заряд.

Таким образом, в отличие отполупроводниковых ЗУ и ЗУ на ЦМД предел поверхностной плотности записи вэлектронно-лучевых ЗУ не определяются технологическими параметрами, вчастности,  параметрами  литографии. По расходуемой   мощности (10 мкВт/бит) ЗУна электронно-лучевых трубках ЗУ на ПЗС и на ЦМД равноценны. Вместе с темэлектронно-лучевые ЗУ обладают тем преимуществом по сравнению с ЗУ на ПЗС, чтоони способны хранить информацию и в отсутствие напряжения, а по сравнению с ЗУна ЦМД обладают большей скоростью обработки информации. Однако оничувствительны к паразитному облучению, что требует в отдельных случаяхспециальных мер по экранировке.

Различные направления машинной памятиразвиваются неравномерно. Связано это как с наличием необходимой элементнойбазы, так и с недостаточностью традиционных средств реализации. Если весь путьразвития того или иного направления условно представить в виде цепочки:физические принципы — нахождение и создание необходимых материалов — разработкаконструкций — создание технологии — промышленное производство, то насегодняшний день представляется справедливой следующая картина. Магнитнаяпамять на лентах, дисках и т. п. и полупроводниковая память на БИС и СБИСдостигли стадии развитого производства; память на ЦМД, ПЗС, оптические дисковыенакопители, электронно-оптические, акустические ЗУ начинают выходить постепеннов опытное производство, а в некоторых случаях и в стадию промышленногоосвоения; голографические, оптоэлектронные, сверхпроводниковые устройствапамяти находятся в стадии лабораторных исследований, а разработки молекулярныхи биохимических носителей — все еще в стадии отыскания физических принципов.Очевидно, перспективы развития искусственных систем хранения информации должныбыть связаны и с использованием новых физических принципов и явлений.

В последнее десятилетие в развитии ряданаправлений оптоэлектроники достигнуты очень значительные успехи, которыекосвенно, а иногда и прямо способствуют решению проблемы оптической памяти.Созданы полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излучения,позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается интегральнаяоптика, в рамках которой традиционные объемные оптические элементы заменяюттонкопленочными. 

Тонкопленочные оптические затворы могутпереключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключенияможет быть менее наносекунды.

Интересны соображения, касающиесявозможности использования в оптических ЗУ принципа фотовыжигания спектральныхпровалов в спектрах примесных молекул в низкотемпературных матрицах. Физическаясущность явления сводится к высокоселективному фотопреобразованию неоднороднорасширенных (10 нм) примесных спектров при воздействии монохроматическогоизлучения на фотоактивные примесные молекулы через узкие (10-5—10-3нм) линии поглощения. Плотность записи на таком носителе может достигнутьфантастической цифры—1012 бит/см2, однако кромеподходящих носителей для реализации ЗУ нужны еще и перестраиваемые лазеры, исистемы обеспечения сверхнизких (вплоть до 0,05 К) температур.

При низких (гелиевых) температурах можетпроявляться также другой замечательный эффект оптической памяти—фотонное (илисветовое) эхо. Если на специальную среду с резонансными свойствамивоздействовать одним или двумя оптическими импульсами, то они вызываютперестройку ее электронной структуры. Если после этого приходит третий—информационный—импульс,то он средой “запоминается”: спустя длительное время после его прохождения(вплоть до десятков секунд) среда генерирует четвертый импульс, импульс—эхо.Используя этот эффект в кристалле, можно записывать и цифровые данные (наличиеили отсутствие вспышки), и двумерные картины. Запись производится во всемобъеме, при этом плотность размещения информации может достигнуть 1012бит/см3! Важно, что во время хранения “сгустков света” в кристаллеможно проводить еще и их обработку.

Рассматривается и возможность реализацииволоконно-оптического ЗУ. Принцип действия такой памяти основан на том, что вкольцевой световод (длиной до 50—100 км) вводят последовательность оптическихимпульсов, которые достаточно долго циркулируют в нем, “подпитываясь”оптоэлектронными или оптическими регенераторами. В определенных точкахсветовода с помощью направленных ответвителей информация может быть выведена изкольца и преобразована к электрической форме. В такой системе можно, например,на несколько часов запомнить кадр цветного ТВ.

При создании машинной памяти нужно ещемногому учиться у мозга, хотя и не следует его слепо копировать. Чистотехнический потенциал, например, у голографических ЗУ намного богаче, чемвозможности мозга.

Взять лучшее у обоих видов памятичеловеческой и машинной — таково стремление разработчиков. Высокая плотностьзаписи, большая емкость памяти высокое быстродействие, способность восприятия ианалоговой, и цифровой информации, сочетание адресного и ассоциативного поиска,объединение последовательного и параллельного принципов ввода/выводаинформации, высокая долговечность и надежность хранения — вот основное, чемхотелось бы наделить ЗУ будущего.

Список литературы

Абакумова В.И. Запоминающие устройстваЦВМ.Учебное пособие М. 1970.

Гуральник А.К. Устройства памяти ЦВМ,М.: Сов. Радио, 1976.

Мнеян М.Г. физика машинной памяти, М.:Высшая школа, 1990.