Реферати

Дипломна робота: Машинна пам'ять

Аналіз виробничо-економічної дечтельности підприємств річкового транспорту. МОСКОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ВОДЯНОГО ТРАНСПОРТУ Кафедра економіки водяного транспорту КУРСОВА РОБОТА з дисципліни "Техніко-економічний аналіз діяльності підприємства"

Шпаргалка по Економіці 10. 1. Історія розвитку, місце значення теорії фінансів у системі економічних наук У системі управ. деят-ю будь-якого підприємства в совр-х умовах найбільш складною ланкою є управ-і фин. У країнах з ринковою економікою принципи і методи цього керування ще на рубежі XIX-XX століть оформилися в спец-ю область знань, що одержала назва "фінансовий менеджмент". Ф. м. пред-т собою систему в і методів розробки і реалізації управ-х рішень, зв'язаних з фор-ем, распр-ем і исп-ем фин. ресурсів підприємства й организ-ей обороту його коштів. Виділення фин. мен. у самостійну наукову дисципліну визначилося поруч передумов:1) Наприкінці XIX століття економічний розвиток початок здобувати такі спец-і риси, як крупномасш.

Стратегія і прийоми ризику-менеджменту. Зміст Уведення......3 I. Сутність і зміст ризику-менеджменту ......5 1.1 Ризик-менеджмент як система керування ......5

Аналіз виробництва і реалізації. РОСІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ - МСХА імені К. А. ТІМІРЯЗЄВА (ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА імені К. А. имирязева) КАЛУЗЬКА ФІЛІЯ КАФЕДРА ОРГАНІЗАЦІЇ

Речовинна, структурна і фазова неоднорідність порід, а також фізичні властивості гірських пір. Речовинна, структурна і фазова неоднорідність порід Петрофизика (фізика гірських порід) - дисципліна природознавства, у якій вивчають закономірності зміни фізичних властивостей гірських порід і зв'язку між цими властивостями.

Ульяновський державний технічний університет

Кафедра: "Обчислювальна техніка"

Введення

Впровадження в практику техніки переробки інформації різних класів обчислювальних машин є характерною рисою сучасного етапу науково-технічного прогресу. Область застосування обчислювальної техніки безперервно зростає, розробляються нові обчислювальні машини з поліпшеними параметрами. У них вже сьогодні закладаються деякі принципи, характерні для побудови і роботи мозку - самого складного і загадкового з відомих нам витворів природи.

Електронні обчислювальні машини наступних поколінь за своїми функціональними характеристиками, можливо, з деякими допущеннями будуть порівнянні з пам'яттю людини. Такій машині буде досить поставити задачу, і вона сама визначить, як її вирішувати. Критеріями її "розумових здібностей" будуть об'єм пам'яті, можливості утворення логічних ланцюгів, здібність до цілеспрямованої поведінки в незнайомому інформаційному середовищі і інші не менш важливі якості. Такі машини можна буде порівнювати з мозком людини не тільки за принципом побудови, але і по кількості інформації, що запам'ятовується.

Сьогодні вдосконалення обчислювальних машин знаходиться в прямій залежності від розвитку і вдосконалення пристроїв пам'яті, основними показниками якої є ємність, швидкодія, надійність роботи, економічність.

При створенні будь-якої обчислювальної системи найбільш складної і, як правило, проблемною задачею є створення пристроїв як внутрішньої, так і зовнішньої пам'яті. У останні роки в цій області були досягнуті значні успіхи завдяки розробкам нових електронних приладів, нових структур обчислювальних пристроїв і систем математичного забезпечення.

Своїми успіхами техніка зберігання і обробки інформації значною мірою зобов'язана успіхам в області мікроелектроніки і особливо в розробці великих і сверхбольших інтегральних схем. Однак, як це можна прослідити на прикладі напівпровідникової техніки, тільки інтеграція елементів внаслідок ряду причин не забезпечує позитивного результату. Мікроелектроніка в своєму розвитку може невдовзі зіткнутися з рядом проблем, які стануть своєрідним гальмом на шляху подальшого розвитку інтегральних схем пам'яті, надійності їх роботи. Очевидно, перспективи розвитку елементної бази пристроїв зберігання інформації повинні бути пов'язані і з використанням нових серед, нових фізичних принципів і явищ, які можу бути встановлені в основу створення пристроїв з якісно інакшими, більш високими техніко-економічними показниками.

У цей час існують різні види машинної пам'яті. Одні конструктивно-технологічно добре розвинені, інші знаходяться на стадії становлення. У той же час інформація про особливості побудови і функціонування елементів пам'яті різних типів запам'ятовуючих пристроїв розосередилася в окремих публікаціях, монографіях, а також в окремих розділах книг по обчислювальній техніці. Таке положення утрудняє ознайомлення з станом і перспективами розвитку цього важливого напряму інформатики і обчислювальної техніки.

У даному рефераті зроблена спроба узагальнити і систематизувати найбільш важливі відомості про принципи дії, фізичні особливості побудови і інформаційні можливості різних типів запам'ятовуючих пристроїв.

Загальні відомості про пам'ять і запам'ятовуючі пристрої

Інформація і пам'ять

Одна з найдивніших здібностей живого організму - здатність сприймати, зберігати і обробляти різноманітну інформацію. Пошук аналогічних якостей, властивих в однаковій мірі і штучним системам, привів до створення нової науки - кібернетики.

Кібернетика в момент свого народження (в кінці сорокових - початку п'ятдесятих років нашого сторіччя) привернула загальну увагу головним чином тому, що указала на подібність процесів управління і зв'язку в машинах і живих організмах, підкреслила, що ці процеси мають інформаційний характер. Об'єкт управління (будь те машина, біологічна система або колектив людей) і керуючий пристрій (нервова тканина живого організму, автомат) обмінюються між собою інформацією.

Між окремими елементами якої-небудь кібернетичної системи і між різними системами існують зв'язки, за допомогою яких вони взаємодіють один з одним. Ці зв'язки можуть перебувати в обміні енергією або речовиною між взаємодіючими об'єктами. Однак зв'язки можуть бути і такими, коли на передній план виступає на перетворення енергії, а інформаційний їх зміст, т. е. відомості, що отримуються даним об'єктом про стан інших об'єктів.

Поняття інформації, таким чином, може бути використане для опису поведінки системи: процеси в системі можуть бути описані як процеси перетворення інформації. Такий спосіб опису не тільки можливий, але навіть цілком естествен і виправданий. Інформація - це фізична величина, така ж, як, наприклад, енергія або швидкість. Певним чином і в певних умовах інформація рівним образом описує як процеси, що відбуваються в природних фізичних системах, так і процеси в системах, штучно створених. При цьому інформаційні зв'язки здійснюються за допомогою сигналів, циркулюючих в системах. Сигнал - фізичний носій інформації.

Зрозуміло, в різних системах можуть бути різними за своєю природою носії інформації: звукові, світлові, електричні, механічні і інш. Однак незалежно від матеріального носія інформації процеси її передачі підкоряються загальним кількісним закономірностям.

Передача інформації по каналу зв'язку. Будь-який канал зв'язку можна розглядати як деяку систему, по якій передається інформація - від входу до виходу (мал. 1). При передачі інформації по каналу зв'язку на неї впливають перешкоди Р. В загальному випадку кількість входів і виходів може бути необмежено великим.

Рис. 1.

Нехай на вхід поступає деякий сигнал St. Система реагує на цей вплив появою на виході сигналу S, який обов'язково буде запізнюватися по відношенню до вхідного сигналу на деякий час  - час затримки в системі - і обов'язково зазнає деякої модифікації. Час затримки  є, як правило, небажаною властивістю каналу і повинне бути по можливості мінімізовано. З іншого боку, будь-який пристрій зберігання інформації можна розглядати як канал зв'язку, також що здійснює передачу інформації з входу на вихід, але що одночасно забезпечує затримку цієї інформації на деякій, бажано регульований час, який можна назвати часом зберігання інформації.

Накопичення інформації.

Здібність до накопичення і зберігання інформації, т. е. наявність пам'яті, - однієї з найважливіших властивостей будь-якої кібернетичної системи, без якого немислиме її доцільне функціонування.

Фізичну систему називають запам'ятовуючим пристроєм (ЗУ) або, в інформаційному значенні, каналом накопичення, якщо вона володіє здатністю забезпечувати досить довгий тимчасової інтервал між моментами приходу і використання інформації.

Це означає, що сигнал St, що відноситься до моменту часу t, може бути відтворений за допомогою такої системи в будь-який довільний час  у вигляді сигналу S

НайПростіша системна модель, що володіє властивістю пам'яті, складається із запам'ятовуючої середи, яка включає в загальному випадку безліч елементів, пов'язаних так чи інакше з каналом введення і виведення. Основна властивість такої середи полягає в здатності фіксувати і зберігати у часі сліди інформаційних впливів, а потім при певних умовах частково або повністю відтворювати їх. Для цього необхідно мати деяку систему елементів, стан яких можна було б змінити бажаним образом. Ці зміни можуть відбуватися або безперервно, або стрибкоподібно. У першому випадку говорять про запам'ятовуючі елементи аналогового типу, у другому - про елементи дискретного типу.

Необхідний елементний склад запам'ятовуючої середи визначає спосіб представлення інформації. У обчислювальній техніці використовуються елементи пам'яті дискретного типу, придатні для запам'ятовування двійкового коду. Такий вибір коду запису зумовлений тим, що в фізичному світі найбільш просто реалізовуються системи, що володіють двома стійкими станами. Відповідно запам'ятовуюча середа повинна містити набір бистабильних елементів, які можуть знаходитися в двох стійких станах. У основі дії таких елементів - принцип статичного зберігання за рахунок вимушеного переходу елемента з одного стану в інше і подальшого тривалого збереження цього стану.

Таким чином, середа - носій інформації - повинна зберігати у вигляді сліду нав'язаний їй стан, який в ідеальному накопичувачі повинно залишитися незмінним протягом усього даного проміжку часу зберігання. Однак під впливом зовнішніх впливів, а також внутрішніх процесів, властивих всякій системі, на початок лічення інформації стан середи неминуче змінюється.

Відтворення інформації.

Лічення (відтворення) інформації - заключний етап процесів пам'яті. При порушенні відтворення поведінка системи міняється так, як якби пам'ять в ній був відсутній.

Для відтворення інформації з пам'яті необхідно активувати певну групу запам'ятовуючих елементів, що становлять елемент пам'яті. При цьому активуючий вплив повинно мати таку природу, щоб запам'ятовуючі елементи під його впливом виробляти сигнал, відповідний його стану. Крім того, воно повинне бути індиферентним - однаковим для будь-якого осередку незалежно від їх вмісту. Якщо стан запам'ятовуючих елементів однозначно відповідає сигналу, що прийшов на вхід запису, то ця інформація буде відтворена.

При використанні деяких фізичних серед ліченні приводить до руйнування інформації, що зберігається в осередку. У цьому випадку після кожного лічення необхідно проводити запис тієї ж самої інформації в той же осередок.

Запис інформації в який-небудь осередок і її лічення (з відновленням) з якого-небудь елемента пам'яті проводиться за час, званий періодом звертання. Час, необхідний для лічення інформації з елемента пам'яті, називають часом вибірки.

Однією з характеристик систем пам'яті є метод пошуку інформації.

Пошук інформації, по суті справи, зводиться до пошуку відповідних запам'ятовуючих елементів (осередків).

Тип пошуку, при якому відбувається звернення до якого-небудь осередку ЗУ по її номеру незалежно від змісту шуканої інформації, називається адресним. У машинній пам'яті адресний принцип набув саме широкого поширення. Але це не єдиний спосіб описка окремих об'єктів інформації.

Інформація може бути вибрана і по деяких її ознаках або по деякій відомій її частині. Такий принцип пошуку - його можна назвати асоціативним - характерний, зокрема, для біологічних систем. При цьому на вході з'являється деякий ключ - стимул, а на виході пам'яті формується спеціальну реакцію у відповідь, пов'язану з ключем. Як стимул, так і реакцію у відповідь являють собою складні сигнали - образи. Крім цього на вході може бути вказана додаткова інформація, за допомогою якої можна долее точно конкретизувати елемент, належний вибірці. З створенням асоціативних ЗУ корінним образом міняється структура обчислювальних машин і по-новому здійснюється управління складними сигналами.

Мозок і машина

В ході еволюції мозок людини досяг найвищої міри досконалості як надзвичайно ефективна інформаційно-керуюча система з винятковою надійністю функціонування. Тому природні і закономірні спроби, що робляться використати досягнення сучасної техніки і технології для моделювання роботи мозку і створення на цій основі принципово нових систем обробки і зберігання інформації. Чи Потрібно чекати, що згодом люди зможуть наділити керуючі машини штучним мозком, таким же, як головний мозок людини?

Вже створені і машини, що знову розробляються багато в чому поступаються людині. Хоч вони і починають вже виконувати деякі функції інтелекту людини, вони не здатні мірі мислити як людина, не можуть як людина ставити цілі, які надалі повинні бути досягнуті.

Але разом з тим вже зараз вони значно перевершують людини по швидкості виконання обчислювальних і логічних операцій при великому числі логічних змінних. Дуже важливо, що сучасні ЕОМ здатні сприймати і переробляти не тільки числову, але і символьну інформацію. Відтоді, як машини почали оперувати з символьною інформацією, виявився відкритим шлях для розгортання робіт по приданню машині здібності до виконання функцій мислячої людини. У цьому значенні і назва "обчислювальні" по відношенню до ЕОМ є зараз щонайменше умовним, не відображає всіх їх можливостей.

Зіставимо можливості сучасної обчислювальної техніки і мозку людини. Порівняння проведемо по трьох найважливіших параметрах: швидкості обробки інформації, ємності пам'яті і надійності функціонування. Для ЕОМ, що використовують цифровий механізм обробки інформації, ці параметри визначаються кількістю арифметичних операцій в секунду, обсягом (кількістю) інформації, що зберігається в бітах і імовірністю збереження основних параметрів в заданих межах в течії заданого проміжку часу.

Що стосується роботи мозку, то дати скільки-небудь точну кількісну оцінку цих параметрів не представляється можливим. Вся інформація, яка вводиться в пам'ять машини при умові її справного функціонування, запам'ятовується, зберігається і може бути відтворена, т. е. відношення кількості відтвореної інформації до прийнятої рівна одиниці. У людини ж кількість відтвореної інформації, як правило, виявляється менше сприйнятої, т. е. спостерігаються деякі втрати інформації, особливо при її фіксації. З іншого боку людина ніколи не стикається з ситуацією, коли його пам'ять настільки завантажена, що він не здатний сприймати нові порції інформації. Мозок, який укладений в обмеженому об'ємі і містить пусто дуже велике, але кінцеве число елементів, ніколи не переповнюється інформацією, що безперервно поступає з навколишнього середовища. Ця властивість пояснюється, звісно, не безмежною ємністю пам'яті, а специфікою механізмів, що оберігають людську пам'ять від "переповнення".

По швидкодії (швидкості запису і відтворення інформації) машинна пам'ять значно перевершує пам'ять людини.

Швидкість спрацювання елементів, на основі яких будуються сучасні ЗУ, визначається зрештою швидкістю протікання електронних процесів, в той час як швидкість спрацювання біологічних елементів - нервових кліток - визначається швидкістю протікання значно більш інерційних процесів.

Однак просте порівняння по швидкодії мозку людини з машиною навряд чи можна назвати досить наочним, враховуючи ту обставину, що вони характеризуються абсолютно несумірними інформаційними ємностями. Тому будемо вважати обчислювальну потужність мозку рівної потужності ЕОМ, яка зажадається, щоб змоделювати його роботу, а об'єм пам'яті - рівним пам'яті ЕОМ, в якій можна записати всю інформацію, що зберігається в нейронних зв'язках мозку. У пам'ять машини записуються адреси кінця і початки кожного зв'язку між нейронами, міра впливу даного входу на стан нейрона, пороги збудження нейронів і т. д.

Для спрощеної моделі нейрона (мал. 2) передавальна

Рис. 2

функція може бути записана у вигляді S = Sф+ iSi, де параметри iхарактеризуют активність синапсов; Sф- фонова активність. При передачі сигналу по межнейронной зв'язку виконується одна аналогова операція множення. Потім сигнали підсумовуються з іншими на вході нейрона. Таким чином, на кожний акт проходження сигналу по межнейронной зв'язку доводиться одна операція множення і одна - складання. Число операцій, що одночасно виконуються при роботі всього мозку дорівнює числу його межнейронних зв'язків, а загальна обчислювальна потужність рівна числу межнейронних зв'язків, помноженому на частоту повторення сигналу. При моделюванні роботи мозку на ЕОМ всі ці операції виконуються цифровим способом. Необхідна для цього потужність машини повинна бути не менш обчислювальній потужності мозку. Якщо прийняти число межнейронних зв'язків рівним 1014, а частоту повторення сигналу - 102с-1, то еквівалентна обчислювальна потужність мозку рівна 1016операций в секунду.

Звичайна обчислювальна потужність ЕОМ порядку 108операций в секунду, а потужність окремих унікальних машин наближається до 109операций в секунду. Значення 109и 1016отражают не стільки кількісну різницю, скільки якісний стрибок в технології обробки інформації. Для реалізації паралельних алгоритмів обробки інформації, як в мозку людини, потрібно принципово нові технічні засоби, у багато разів більш могутні, ніж існуючі.

Розглянемо тепер іншу проблему. Розширення функціональних можливостей систем зберігання і обробки інформації пов'язане з ускладненням їх структур і збільшенням кількості їх елементів. Основною перешкодою при збільшенні числа елементів системи служить проблема її надійності. Мозок же являє собою супермногоелементную систему, але проте безвідмовно служить людині все життя. Мабуть, природа якимсь способом знайшла можливість обійти закон жорсткої зворотної залежності надійності від число активних елементів.

Технічні елементи пам'яті будуються на основі високонадежних запам'ятовуючих елементів. Але для складної системи, вмісної велику кількість елементів, це може виявитися недостатнім. Працездатність системи пам'яті визначається як фізичними особливостями носія інформації, так і його інформаційною структурою. Надійність нейронів значно нижче за надійність електронних елементів ЗУ, однак біологічна система зберігає здатність функціонувати, запам'ятовувати і видавати інформацію навіть при серйозних пошкодженнях, коли виводяться з ладу мільйони нервових кліток. Тому необхідно будувати систему машинної пам'яті так, щоб порушення роботи якого-небудь елемента або частини її елементів не було критичним, не привело до порушення нормального її функціонування. Задача побудови надійно працюючих систем на недостатньо надійних елементах - одна з головних задач в кібернетиці.

Існують різні способи забезпечення надійного функціонування складних систем. Однією з них є побудова систем з надлишковим числом елементів, в якій у разі порушення роботи деяких елементів їх функції беруть на себе інші, що автоматично включаються в роботу. Так часто відбувається в живій природі як на рівні кліток, так і цілих органів. У технічних системах при наявності в них надлишкових елементів заміна ними що вийшли з ладу проводиться порівняно легко при умові, що система будується на базі так званих однорідних структур. Є велика кількість однотипних осередків, що є первинними елементами, і при відмові в роботі одній з них автоматично включається інша, до цього часу не зайнята.

Вельми ефективним способом підвищення надійності складних систем є перетворення інформації, при якому переходять від звичайної, природної просторово-часової форми її уявлення до частотно спектральної форми, в якій далі вона зберігається, обробляється і передається по каналах зв'язку. Дуже важливо, що структурна надмірність доповнюється різними видами функціональної, зокрема відтворення цих властивостей в технічних середовищах дозволяють високонадежние інформаційно-переробляючі самоорганизующиеся адаптивні системи змінної структури, що володіють здібностями до пристосування.

Основні характеристики, класифікація і ієрархія ЗУ

В сучасних електронних обчислювальних системах біля 70% об'єму і вартості доводиться на частку запам'ятовуючих пристроїв (ЗУ), які являють собою комплекс технічних засобів, призначених, для запису, зберігання і видачі інформації. У ЗУ в двійковому коді зберігаються програми обчислень, початкові дані, проміжні результати і команди.

Характеристики запам'ятовуючого пристрою (ЗУ) визначають якість і доцільність його застосування в тій або інакшій обчислювальній машині або системі. Основними характеристиками ЗУ є інформаційна ємність, швидкодія і надійність.

Інформаційна ємність ЗУ визначається кількістю двійкових одиниць інформації (біт), яка може зберігатися в ньому (іноді ємність виражається в байтах. Звичайно один байт рівний восьми бітам). Якщо ЗУ розраховане на зберігання N чисел, кожне з яких має р розрядів, то інформаційна ємність М = N*р.

Можливість рішення на ЕОМ тієї або інакшої задачі значною мірою залежить від ємності ЗУ машини.

Швидкодія ЗУ характеризується його тимчасовими характеристиками, до яких відносяться: час звертання до ЗУ при записі і ліченні інформації, час запису інформації, час лічення або вибірки інформації. Час звертання (час циклу) характеризуємо максимальну частоту звертання до даному ЗУ при ліченні або записі інформації. Час лічення або вибірки інформації - інтервал часу звертання до ЗУ до отримання вихідного сигналу від подачі сигналу лічення. Час запису інформації - інтервал часу від моменту подачі сигналу звертання до ЗУ до моменту готовності інформації до лічення.

Надійність ЗУ визначається числовими значеннями параметрів конструктивної і інформаційної надійності. Під конструктивною, або елементною, надійністю розуміють імовірність безвідмовної роботи всіх елементів або пристрою в заданому інтервалі часу і заданих умовах експлуатації. Таким чином поняття конструктивної надійності співпадає із загальноприйнятим визначенням надійності радіоелектронних пристроїв.

Кількісно конструктивну надійність можна виразити твором

Р = qгqб,

де qг- готовність пристрою до роботи, т. е. імовірність його справності на початок роботи

qг = (1 + )(tрем)-1

qб- імовірність безвідмовної роботи пристрою в течії заданого проміжку часу, т. е. імовірність невиходу його з ладу:

qб= (1 +)(tраб)-1, i.

- інтенсивність відмов, або середня частота відмов в годину; n - кількість елементів пристрою, а i- середня частота відмов окремих елементів; tрем- середній час знаходження і усунення окремих несправностей; tраб- час роботи системи. Середній час безвідмовної роботи пристрою Тср= 1/.

Інформаційна надійність ЗУ визначає здатність пристроїв зберігати, приймати і видавати необхідну інформацію без її спотворення. Чисельно інформаційна надійність може бути оцінена співвідношенням амплітуд інформаційних і сигналів перешкод в моменти запису і лічення інформації. Велике відношення амплітуд сигналів і перешкод гарантує високу інформаційну надійність.

Важливими характеристиками ЗУ, як і будь-якого іншого пристрою машини, є також габарити, маса, споживана потужність і вартість. Крім того, до спеціальним ЗУ пред'являють особливі вимоги по параметрах механічних і кліматичних впливів.

Класифікація ЗУ. Запам'ятовуючі пристрої можна класифікувати в залежності від особливостей їх побудови і функціонування за призначенням, адресацією інформації, характером зберігання інформації, по кратності лічення, фізичним принципам роботи запам'ятовуючих елементів, технології виготовлення запам'ятовуючих елементів.

За призначенням ЗУ діляться на короткочасні і довготривалі. У свою чергу, ЗУ з довготривалим зберіганням діляться на постійні ЗУ (ПЗУ) і полупостоянние ЗУ (ППЗУ). Характерною рисою ПЗУ і ППЗУ є збереження інформації при відключенні джерел живлення. При цьому в ПЗУ можливий лише однократний запис інформації, вироблюваний або а процесі виробництва, або внаслідок програмування. У ППЗУ можлива багаторазова зміна інформації, що зберігається при експлуатації.

ЗУ з короткочасним зберіганням інформації використовуються для зберігання оперативної часто змінної інформації. У цих ЗУ відключення джерел живлення, як правило, приводить до втрати інформації, що зберігається. Потрібно відмітити, що ППЗУ при скороченні тривалості циклу запису можуть бути використані і для зберігання оперативної інформації. Зрозуміло, ППЗУ можуть бути в більшості випадків використані і в якості ПЗУ.

По адресації ЗУ можуть бути з довільною, послідовною і асоціативною вибіркою. У ЗУ з довільною вибіркою (або доступом) час звертання не залежить від адреси числа в пристрої. У ЗУ з послідовною вибіркою для знаходження числа за певною адресою необхідно послідовно переглянути всі осередки, попередні заданої. Очевидно, що в цих пристроях час звертання залежить від адреси. Для пошуку певної інформаційної одиниці в такому ЗУ неоходимо спочатку відшукати відповідний масив, а потім інформаційну одиницю в цьому масиві.

У асоціативних ЗУ (АЗУ) пошук і видобування інформації відбуваються не по місцезнаходженню (адресі), а по деяких ознаках самої інформації, що міститься в осередку. Така пам'ять, в суті, складається з осередків, що адресуються, однак в системі передбачений також механізм перевірки або порівняння ключової інформації з всіма записаними словами.

По характеру зберігання інформації ЗУ діляться на статичні і динамічні. У статичних ЗУ кодуючий інформацію фізичний стан залишається нерухомим відносно носій інформації, тоді як в динамічних ЗУ кодуючий інформацію фізичний стан переміщається періодично по відношенню до середи носія інформації.

По кратності лічення розрізнюють ЗУ з ліченням без руйнування інформації і ЗУ з ліченням з руйнуванням інформації. У останньому випадку для збереження інформації необхідно відновлювати (регенерувати) прочитану інформацію в кожному циклі звертання до ЗУ, щоб мати можливість її подальшого використання.

За фізичними принципами роботи запам'ятовуючих елементів ЗУ ділять на магнітні, напівпровідникові, зверх проводниковие і т. д. в сучасних ЕОМ найбільш широко використовують двійкову систему числення. Тому для кодування і зберігання інформації можуть використовуватися різні фізичні процеси, що визначають два різних стани речовини, наприклад різні стану намагніченості магнітних матеріалів, наявність або відсутність заряду в даній області напівпровідника або діелектрика, кінцевий електричний опір дільниці ланцюга і нульовий опір цієї ж дільниці, виникаюча внаслідок ефекту надпровідності деяких речовин, і т. д.

Створення блоків пам'яті, що володіють досить великою ємністю і в той же час прийнятних по габаритах і економічності, може бути реалізоване тільки при умові максимальної мініатюризації як всього блоку пам'яті загалом, так і основної його частини - накопичувача інформації. Найбільші успіхи в мікро мініатюризації в цей час досягнуті при використанні напівпровідникових елементів, що виконуються по інтегральній технології, що в значній мірі і визначило широке застосування їх в системах пам'яті сучасних ЕОМ.

Ієрархія запам'ятовуючих пристроїв

Вдосконалення сучасних систем обробки інформації пов'язано з вдосконаленням їх пам'яті, т. е. з створенням пам'яті, що володіє великою інформаційною ємністю, високою швидкодією і надійністю і низькою вартістю. Оскільки необхідне поєднання всіх параметрів в одному типі ЗУ отримати не представляється можливим (із збільшенням ємності ЗУ знижується його швидкодія), то єдиний шлях вирішення цієї проблеми - об'єднання в систему різних (а іноді і однотипних) ЗУ з метою отримання такої структури пам'яті, яка максимально задовольнила б приведеним вище вимогам.

Структура пам'яті, в якій можна виділити декілька різних за характеристиками рівнів, називається ієрархічної. При ієрархічній організації структури пам'яті звичайно кожний рівень (сходинка) пам'яті з великою швидкодією має меншу ємність ЗУ, що використовуються на самому високому рівні ієрархії, мають найменшу інформаційну ємність і найбільшу швидкодію. Цю пам'ять часто називають набором регістрів і іноді відносять до пристроїв обробки, вона дозволяє виконувати деякі логічні і арифметичні операції.

На наступному рівні ієрархії ЗУ ЕОМ знаходяться сверхоперативние ЗУ (СОЗУ) - пристрої, що мають швидкодію, сумірну з швидкодією процесора, і службовці для зберігання інформації (чисел і команд), яка найчастіше зустрічається в процесі рішення задач.

На третьому рівні ієрархії знаходиться велика швидка пам'ять, звана оперативною. Оперативні ЗУ (ОЗУ) мають більш значну інформаційну ємність і працюють з циклом, в декілька разів великим циклу процесора. Для збільшення швидкості обміну інформацією між процесором і ОЗУ останні іноді розділяють на декілька модулів (блоків або секцій) і звертаються до різних блоків безпосередньо або через СОЗУ.

На самому нижньому рівні ієрархії знаходиться відносно повільна, але містка зовнішня пам'ять. У зовнішньому ЗУ (ВЗУ) звичайно зберігається вся інформація, що вводиться в машину. Щоб уникнути ускладнення конструкції системи, до зовнішнім ЗУ не пред'являються вимоги по швидкодії. ВЗУ є найбільш економічними для зберігання великих масивів інформації.

Дані, що зберігаються у зовнішньому ЗУ, безпосередньо не використовуються в обчислювальному процесі, що і відбивається в їх назві (зовнішні). Для використання цієї інформації необхідно перемістити її з ВЗУ в оперативні ЗУ, створюючі внутрішню пам'ять системи. Для підвищення ефективності обміну інформацією між пристроями використовують буферну пам'ять. Буферне ЗУ (БЗУ) займає проміжне положення між внутрішнім і зовнішнім ЗУ. Воно призначене для розширення внутрішньої пам'яті при умові збереження швидкодії ЕОМ.

При ієрархічному принципі побудови ЗУ логічна організація потоків інформації проводиться таким чином, щоб всі разом взяті типи ЗУ виступали у вигляді єдиного ЗУ, що має велику інформаційну ємність (за рахунок зовнішніх ЗУ) і високу швидкодію (за рахунок внутрішніх ЗУ). Таке абстрактне ЗУ називають віртуальним. Так, наприклад, при двоступеневій організації ЗУ, вмісного ОЗУ і СОЗУ, середній час звертання

t = (1 + )(Т/T1)T1,

де T1- час звертання до СОЗУ; Т - час звернення до ОЗУ;  - коефіцієнт, що враховує частку звернень до ОЗУ. З цієї залежності слідує, що при правильному виборі параметрів ОЗУ і СОЗУ і відповідному виборі інформаційних потоків загальні характеристики віртуального ЗУ будуть такими, як якби воно мало цикл роботи СОЗУ, а інформаційну ємність - ОЗУ.

Магнітні пристрої пам'яті

Магнітний запис

Необхідність зберігання великих масивів інформації привів до використання в ЗУ відомого в технікові принципу запису сигналів на магнітну поверхню.

Фізичною основою магнітного запису сигналів є властивість феромагнітних матеріалів зберігати стан залишкової намагніченості.

Основні принципи запису інформації. Магнітний запис заснований на взаємодії магнітного носія інформації і магнітної головки при їх відносному переміщенні. При записі електричний струм, що змінюється у часі перетворюється в локальні зміни намагніченості носія.

Як записуюча або прочитуюча головка використовується спеціально сконструйований, частіше за все кільцевий, електромагніт з щілиною, по обмотке якого пропускають імпульсний струм. Для зменшення втрат на вихрові струми магнитопровод збирають з тонких пластин магнитомягких сплавів або роблять з фериту. Лічення проводиться без руйнування інформації, що зберігається і може виконуватися багато разів.

Характерною особливістю магнітного запису є те, що вона не потребує якої-небудь проміжної обробки і може бути відтворена негайно. Запис легко може бути "стертий".

Такий процес здійснюється окремою стираючою головкою, через обмотку якої звичайно пропускається струм високої частоти. Високочастотне поле багато разів міняє орієнтацію діполь, приводячи до того, що їх орієнтація знову стає хаотичною.

При магнітній формі запису інформація з метою збільшення ємності запам'ятовуючих пристроїв прагнуть як можна повніше використати робочу поверхню носія. Міра її використання визначається густиною запису інформації, т. е. кількістю двійкових знаків, що розміщуються на одиниці площі носія. Густина запису залежить від характеристик магнітного носія, конструкції головки, величини зазора між носієм і головкою, способу запису, що використовується і інших чинників.

Теоретична межа густини запису інформації на магнітних носіях рівна 1010- 1011бит/мм2. Густина запису інформації, що Реалізовується 400 - 1000 біт/мм2, що більш ніж на сім порядків нижче теоретичного. Використання нових методів запису - лічення інформації, таких, наприклад, як магнітооптичні, дозволить значно поліпшити характеристики ВЗУ на магнітних носіях інформації.

Накопичувачі на магнітних барабанах, дисках, стрічках, картах

Хоч характеристики і конструкції ЗУ, в яких використовується магнітний запис, можуть бути дуже різними, в основі процесу зберігання для кожного з них лежить запам'ятовування 0 або 1 на невеликій дільниці магнітного матеріалу. У кожному випадку запам'ятовуюча середа динамічна, оскільки носій інформації переміщається відносно прочитуючого або записуючого пристрою.

ЗУ з магнітним записом інформації широко використовується як зовнішня пам'ять ЕОМ, що пояснюється їх великою ємністю при відносно невеликих розмірах, можливістю багаторазового застосування носія інформації при стиранні старого запису, великим терміном зберігання записаної інформації без її спотворення, відносно високою швидкістю запису і відтворення інформації.

Накопичувачі на магнітному барабані. Магнітні барабани були одним з перших недорогих коштів зберігання великих масивів інформації згодом порівняно невеликим доступу.

Магнітний барабан являє собою порожнистий циліндр, що обертається, поверхня якого покрита шаром матеріалу з прямокутною петлею гистерезиса. Вдовж поверхні барабана встановлюється ряд головок, виробляючих запис і лічення інформації.

При обертанні барабана невелика дільниця його поверхні безперервно проходить під однією з головок. Ця дільниця називається доріжкою. Кожна доріжка ділиться на осередки, а кожний осередок може запам'ятати один біт інформації. Такого вигляду пам'ять називають пам'яттю з циклічним доступом. Оскільки кожний осередок при обертанні барабана періодично проходить під головками.

Розміри і ємність пам'яті магнітних барабанів вельми різноманітні від невеликих барабанів ємністю менше за 200 000 біт до дуже великих барабанів, які можуть зберігати до 109бит інформації.

Накопичувачі на магнітних дисках. Пам'ять на магнітному диску дуже нагадує по дії пам'ять на магнітному барабані. Носієм тут є диск, покритий з обох сторін тонким шаром ферролака і немагнітної зв'язки.

При однаковому фізичному об'ємі інформаційна ємність на магнітних дисках більш ніж в 20 раз перевищує ємність накопичувачів на магнітних барабанах. Зовнішня пам'ять на магнітних дисках здатна зберігати більше за 1010бит інформації.

Накопичувачі на магнітній стрічці. Магнітна стрічка являє собою гнучку пластмасову плівку, на поверхню якої нанесений тонкий шар. Цей матеріал має петлю гистерезиса, близьку до прямокутної, і відрізняється високою однорідністю параметрів. Густина запису до 64 біт/січеного.

Накопичувачі на магнітних картах. Магнітна карта являє собою прямокутний відрізок носія з магнітним покриттям. Карти вміщують в спеціальне сховище - магазин. При звертанні до ЗУ з метою запису або лічення інформації спеціальний пристрій здійснює вибір або подачу з магазина заданої карти.

Пам'ять на магнітних сердечниках

Як елементи зберігання інформації, записаної в двійковому коді, широко використовують кільцеві (тороидальние) сердечники з фериту з прямокутною петлею гистерезиса.

Елемент пам'яті на ферритовом сердечникові. Можливість запису інформації на ферритовом сердечникові заснована на гистерезисе процесу перемагничивания. Запам'ятовуючий елемент являє собою сердечник з двома обмотками: запису і лічення. У залежності від напряму струму, що протікає через вхідну обмотку.

Інтегральні магнітні елементи пам'яті

Виготовлення сердечників малих розміром і їх прошивка проводами зв'язані з певними труднощами. Зменшення товщини стінок робить сердечник крихким, а розкид параметрів істотно зростає. Прошивка проводами сердечників - трудомісткий процес, що погано піддається автоматизації. Ця операція значною мірою виконується вручну і тому не може бути.

Подолання труднощів виготовлення блоків пам'яті досягається застосуванням методів інтегральної технології. При цьому нарівні із зменшенням розмірів елементів пам'яті можуть бути збільшенням ємності блоку пам'яті і підвищено швидкодія.

Практика реалізації магнітних мікроелектронних пристроїв показує, що звичайно для кожного типу пристрою є область застосування, де воно дає найбільш оптимальні результати. Тому, як правило, в практичних розробках знаходять застосування майже всі типи магнітних мікроелектронних пристроїв. Це такі типи пристроїв як:

Многоотверстние ферритовие пластини;

Тонкі магнітні плівки;

Плоскі тонкі магнітні плівки;

Циліндричні тонкі магнітні плівки.

Пристрої пам'яті на основі керованого руху магнітних доменов

Спроби подальшого підвищення густини розміщення інформації в інтегральній магнітній структурі привели до використання для зберігання інформації окремих магнітних доменов. У суцільному магнітному середовищі, намагніченому в одному напрямі, для фіксації інформації створюються окремі домени, намагнічені в зворотному напрямі. По суті, мова йде вже не про окремі магнітні елементи, а про фізично однорідну інформаційну середу, в якій переробка і зберігання інформації здійснюється внаслідок переміщення і взаємодії доменов.

У цей час існує два типи магнітної запам'ятовуючої середи на жвавих доменах: тонкі магнітні плівки з плоскими магнітними доменами (ПМД) і магнітні (або аморфні) плівки з циліндричними магнітними доменами (ЦМД).

Напівпровідникові пристрої пам'яті

Елементи полупроводникоивх інтегральних схем

В цей час розроблені різні види машинної пам'яті. Одні конструктивно-технологічно добре розвинені, інші знаходяться на стадії зняття з виробництва. З'являються і нові типи машинної пам'яті, такі, як акустичні, магнитоелектронная, електронно-оптична, деякі з них вже входять в стадію промислової експлуатації, наприклад пам'ять на циліндричних магнітних доменах.

Однак основним виглядом машинної пам'яті по сукупності ознак в цей час є напівпровідникова пам'ять на інтегральних схемах (ИС).

Це пояснюється рядом причин.

По універсальності застосування і зручності підключення напівпровідникові ИС не можна порівняти ні з якими іншими елементами пам'яті. Важливо і те, що напівпровідникова технологія має в своєму арсеналі досить коштів для перекладу на інтегральну основу будь-яких відомих схемотехнических рішень і створення нових схем.

У конструктивному відношенні напівпровідникові ИС являють собою напівпровідниковий кристал, в об'ємі або на поверхні якого зосереджені ізольовані один від одного елементи, сполучені згідно з електричною схемою. Звичайно кожному елементу схеми відповідає локальна область матеріалу, властивості і характеристики якої забезпечують виконання певних функцій. Основу складає транзисторна структура, яка є базовою для реалізації всіх вхідних в схему активних і пасивних елементів.

Для побудови напівпровідникових ЗУ використовуються ИС на біполярних транзисторах і на польових транзисторах зі структурою метал - діелектрик - напівпровідник (МДП-транзистори).

У цей час чітко визначилися два напрями: в ИС на польових транзисторах прагнуть досягнути максимальних мір інтеграції при помірній швидкодії і малою споживаною потужністю, тоді як на біполярних транзисторах будуються надшвидкісні ИС, які можна було використовувати як елементну базу сверхбистродействующих ЕОМ.

Швидкість перемикання біполярного транзистора з одного стану в інше, а значить і швидкодія ЗУ, визначається як параметрами самого приладу, так і схемою його включення. Практична швидкість спрацювання сучасних серійних елементів на біполярних транзисторах становить 10-9- 10-8с. Мінімальний час перемикання визначається часом, протягом якого носії заряду проходять через базу транзистора бьлагодаря процесу дифузії.

У цей час найбільш поширеним матеріалом транзисторів є кремній. Рухливість електронів в кремній ~ 0,1 м2/(В*з). Найбільш перспективний матеріал для виготовлення біполярних транзисторів найближчого майбутнього - арсенид галію (GaAs) - володіє рухливістю електронів біля 1 м2/(В*з).

Польові транзистори мають деяку перевагу перед біполярними приладами. Вони володіють високим вхідним опором і можуть працювати при великих напруженнях на вході. Крім того, керований струм в польовому транзисторі - це струм основних носіїв заряду, який набагато краще реагує на швидкі зовнішні сигнали.

Різні типи польових транзисторів відрізняються один від одного принципом дії затвора. Існують транзистори, в яких роль затвора грають контакт метал-напівпровідник, структура метал-діелектрик-напівпровідник (МДП) і т. д.

Характерною особливістю МДП-транзисторів є надзвичайно високий опір між електродами. Це дозволяє використати електроди транзистора як ємкісні накопичувальні елементи, потенціал яких зберігається на певному рівні протягом тривалого часу після відключення зовнішнього джерела. Практична швидкість спрацювання МДП-осередку становить 5*10-9с.

Елемент пам'яті - тригер. Транзистори і логічні схеми на їх основі самі по собі елементами пам'яті бути не можуть, оскільки після припинення дії вхідного імпульсу відразу повертаються в початковий стан.

Для елемента пам'яті потрібен пристрій, який під дією вхідного сигналу міг би перемикатися з стану 0 в стан 1 і зворотний і при цьому після припинення дії вхідного імпульсу запам'ятало би свій стан і могло знаходитися в ньому невизначено довго (до приходу наступного перемикаючого вхідного сигналу). Такі електронні схеми, що мають два рівнозначних варіанти стійких значень, називають бистабильними осередками або тригерами.

Оскільки вхідний сигнал короткочасний, а стійкий стан тригера зберігається як бажано довго (при умові, що не відбувається відключення живлення схеми), то тригер тим самим виконує логічну функцію запам'ятовування.

Запам'ятовуючі елементи на ТТЛ-схемах (транзисторно-транзисторна логіка на біполярних транзисторах) добре пристосована до технології великих інтегральних схем (БІС). Їх перевага - висока міра інтеграції. ТТЛ-елементи можуть бути суміщені з елементами, побудованими на транзисторних перемикачах струму.

Функціональні біполярні прилади в ИС пам'яті. Переважна більшість біполярних ИС пам'яті будується на приладах, функціонально більш складних, ніж традиційний транзистор.

Основу ИС пам'яті на ТТЛ-схемах складають многоемиттерние транзистори. У першому наближенні многоемиттерний транзистор (МЕТ) можна розглядати як сукупність окремих транзисторів сполучених базами і колекторами.

Дуже часто транзистор поєднують з діодом Шотки. Діод Шотки в інтегральному виконанні являє собою контакт напівпровідник (n-типу) - метал, на якому утвориться так званий бар'єр Шотки. Транзистор з бар'єром Шотки характеризується великим коефіцієнтом посилення, малим інверсним коефіцієнтом передачі і значною швидкодією.

Широке поширення в логічних і що запам'ятовують пристроях отримали інтегральні схеми інжекційного типу. Їх особливість - сумісність з технологією біполярних транзисторів, простота топології і висока густина упаковки. На елементах інжекційної логіки (І2Л) можна створювати компактні бистабильние тригерні схеми, а для підвищення швидкодії як колектори - використати діоди Шотки.

Елементи пам'яті на МДП-транзисторах. Запам'ятовуючі елементи на біполярних і МДП-транзисторах володіють тим істотним недоліком, що навіть короткочасне відключення живлення приводить до руйнування записаної інформації. Це утрудняє побудову надійних напівпровідникових пристроїв пам'яті з електричним перезаписом інформації. Тому велике значення придбавають бистабильние МДП-структури, що дозволяють створювати запам'ятовуючі елементи з електричним перезаписом і що не зруйновується при відключенні живлення інформацією.

Принцип дії бистабильних МДП-транзисторів полягає в створенні в шарі діелектрика об'ємного заряду, що змінює порогове напруження. Цей заряд в діелектрику може досить довго зберігатися при відсутності на електродах транзистора напруження. Для локалізації заряду в структурі може бути використана межа розділу двох діелектриків або створений в діелектрику спеціальний плаваючий затвор. Бистабильним елементом першого типу є транзистор зі структурою метал-нитрид-оксид-напівпровідник (МНОП). У основі роботи МНОП-транзистора лежить накопичення заряду на межі нитридного і оксидного шарів, що є результатом неоднакових струмів провідності в тому і іншому шарах. Інший тип бистабильних МДП-транзисторів - це транзистори з однослойним діелектриком, всередині якого на невеликій відстані від поверхні розташований не маючого зовнішнього висновку "плаваючий" затвор. Інформація зберігається у вигляді заряду на ізольованому затворі. Для стирання інформації необхідно зарядити затвор - видалити інжекційний заряд.

Статичні запам'ятовуючі елементи звичайно будуються на основі тригерів. Вони не вимагають регенерації інформації, можуть необмежено довго зберігати її при включеному живленні і володіють високою швидкодією. Їх недоліки - досить велике постійне споживання енергії і значна кількість приладів для побудова ЗУ.

У схемах на МДП-транзисторах з каналами одного типу в режимі зберігання інформації практично повністю відсутнє споживання потужності (вимірюється нановаттами). Істотне споживання потужності відбувається тільки в режимі перемикання.

Динамічні запам'ятовуючі елементи. МДП-осередки звичайно використовують в якості основи для створення динамічних систем пам'яті.

Інформація зберігається тут у вигляді заряду на конденсаторі, включеному між електродом інформаційного МДП-транзистора і загальною точкою схеми. Як такий запам'ятовуючий конденсатор використовується ємність затвора інформаційного транзистора і включені паралельно їй відповідні паразитні ємності.

Оскільки завжди є деякий витік заряду конденсатора, необхідне періодичне відновлення спеціальними поновлюючими імпульсами. Звідси і назва - динамічна пам'ять.

Існує декілька варіантів побудови динамічної пам'яті. Вони розрізнюються між собою кількістю транзисторів, числом і функціональним призначенням інформаційних шин, послідовністю і характеристиками тактових імпульсів і, як наслідок, швидкодією, споживаною потужністю і площею, займаною на кристалі.

Запам'ятовуючі пристрої на приладах із зарядовим зв'язком

Особливим класом приладів зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник є прилади із зарядовим зв'язком (ПЗС), що являють собою сукупність взаємодіючих МДП-структур. Взаємодія забезпечується спільністю напівпровідникового шара і малою відстанню між МДП-структурами.

Дія приладу заснована на зберіганні заряду неосновних носіїв в потенційних ямах, що створюються зовнішнім електричним полем у поверхні напівпровідника, і руху цього заряду вдовж поверхні напівпровідника при русі потенційних ям. На цьому принципі реалізовуються пристрої, функціонуючі подібно сдвиговим регістрам. Інформація, що вводиться в такі регістри у вигляді заряду неосновних носіїв, зсувається під дією тактових імпульсів у відповідних потенційних ямах вдовж ланцюжка ПЗС.

На мал. 3 зображена ланцюжок МДП-конденсаторів, конструктивно реалізований у вигляді ПЗС-приладу. Металеві електроди конденсаторів відділені від напівпровідника шаром діелектрика. Якщо на електрод (затвор) такого МДП-конденсатора подати напруження відповідного значення і полярності (негативне для підкладки n-типу і позитивне для р-типу),

Рис. 3

те основні носії підуть в об'єм, утворюючи під електродом область, збіднену основними носіями. Ця область - свого роду "кишеня" або потенційна яма, в яку можуть "скочуватися" неосновні носії, створюючі зарядовий пакет і що є інформаційним сигналом.

Характерною особливістю елементів на ПЗС, є їх функціонування тільки в нестаціонарному стані потенційних ям, тому ЗУ на них відносяться до пристроїв динамічного типу.

Введення інформації в систему на ПЗС може бути здійснене за допомогою електричних або оптичних методів.

Існують різні способи організації ПЗС ЗУ. Вони переслідують одну мету - створення конструкції, що забезпечує при послідовному характері обробки інформації збільшення ефективної швидкості вибірки.

Передбачається, що широке застосування ЗУ на ПЗС знайдуть в якості зовнішніх ЗУ спеціалізованих і універсальних ЕОМ, а також в ролі буферних пристроїв, що включаються між "повільною" зовнішньою пам'яттю сверхбольших ємностей і швидкодіючим оперативним ЗУ в універсальній ЕОМ. Перспективною областю використання ПЗС вважають також малі і середні (ємністю до 1 Мбіт) ЗУ з невисокою швидкодією, вживані в мини-ЕОМ або в поєднанні з мікропроцесором. Можлива, наприклад, наступна архітектура пам'яті ЕОМ: оперативна пам'ять на МДП-транзисторах ємністю 4К; буферна пам'ять на ПЗС ємністю до 64 До; зовнішнє ЗУ на магнітних дисках або стрічках.

Постійні запам'ятовуючі пристрої

Особливістю постійних ЗУ є те, що з них в процесі роботи можна тільки прочитувати інформацію, а записувати не можна. У залежності від можливості зміни інформації, що зберігається розрізнюють постійні ЗУ (ПЗУ) і полупостоянние, або ЗУ, що програмуються (ППЗУ).

Записана спочатку в ПЗУ інформація зберігається протягом всього періоду використання і не може бути змінена в процесі експлуатації. Природно, що це дозволяє набагато спростити необхідні комутаційні пристрої і самі елементи пам'яті. При цьому меншає також потужність, що розсівається, оскільки відпадає необхідність у відновленні інформації, підвищуються швидкодія і надійність роботи.

Основу ПЗУ складає двухкоординатная матриця елементів пам'яті (запам'ятовуюче поле). Як такі елементи використовуються діоди Шотки, біполярні і МДП-транзистори. Звичайно на кристалі разом з матрицею запам'ятовуючих елементів розташовуються схеми запису, дешифратори, підсилювачі, вхідні і вихідні схеми, що забезпечують узгодження ЗУ із зовнішніми пристроями.

Типова схема диодного ПЗУ показана на мал. 4. Структура - матрична: рядки утворяться адресними шинами, а стовпці - розрядними. Кожна шина зберігає певний код: 0011, 0100 і т. д. Запис здійснюється за допомогою діодів, які приєднані між адресними шинами і тими розрядними шинами, на яких (при ліченні) повинна бути логічна 1; подібні з'єднання відсутні там, де повинні з'явитися нулі. Схема працює таким чином. У будь-який момент часу тільки на одній вихідній лінії дешифратора може бути високий рівень напруження. Струм з цієї лінії тече лише на ті вихідні лінії, з якими ця лінія сполучена діодом.

Рис. 4. Схема диодного постійного ЗУ Рис. 5. Осередки ПЗУ на біполярних (а) і МДП-транзисторах (би)

Як діоди частіше за все використовуються транзистори. На мал. 5. показані типові осередку напівпровідникових ПЗУ, що використовують біполярні і МДП-транзистори. Принципи побудови залишаються тими ж, але транзистори можуть суміщати в собі функції елемента зв'язку і підсилювального елемента.

Якщо ПЗУ виготовлене таким чином, що користувач може електричним (або яким-небудь інакшим) способом записувати інформацію в пам'ять, то таке ПЗУ є таким, що програмується. Часто використовують таку схему, де в кожному елементі пам'яті заздалегідь встановлені одиниці: на кожному перетині матриці є плавкі перемички або їх аналоги. Запис або програмування ППЗУ проводиться "перепаленням" цих перемичок електричним струмом певної величини. Іноді пам'ять в початковому стані у всіх осередках містить нулі, а одиниці вводяться користувачем.

Специфіка роботи ППЗУ полягає в тому, що вміст пам'яті може бути встановлений за бажанням користувача, а пізніше цю інформацію можна стерти і записати нову. Розроблені типи ППЗУ зі стертою інформацією, що дозволяють неодноразово записувати необхідну інформацію. Стирання можна проводити електричним струмом або ультрафіолетовим випромінюванням. Як правило, ППЗУ витримують більше за тисячу циклів запису-стирання до виникнення безповоротних змін порогових напружень і провідності каналу запам'ятовуючих елементів.

При використанні для створення пам'яті бистабильних МДП-транзисторів, що програмується матриця запам'ятовуючих елементів в початковому стані містить транзистори з однаковими пороговими напруженнями. Запис інформації здійснюється внаслідок інжекції носіїв заряду в шар подзатворного діелектрика, що приводить до зміни порогового напруження заданих транзисторів.

У разі бистабильних МДП-транзисторів з плаваючим затвором програмування осередку здійснюється шляхом заряду плаваючого затвора. Прикладаючи до затвора досить велике напруження, викликають лавинний пробій в діелектрику, внаслідок чого в ньому нагромаджуються електрони. Відповідно міняється порогове напруження. Заряд електронів зберігається протягом тривалого часу, і записану інформацію можна відтворювати багато разів, обстежуючи (в процесі комутації) провідність між джерелом і стоком. Стирання запису (нейтралізація заряду) проводиться при опромінюванні матриці ультрафіолетовим (або рентгенівським) випромінюванням.

У ППЗУ на МНОП-транзисторах введення і виведення зарядів в діелектрик здійснюється за допомогою коротких високовольтних імпульсів різної полярності, що подаються на затвор.

Проблема мініатюризації в пристроях напівпровідникової пам'яті

Сучасні ИС з високою мірою інтеграції являють собою ансамбль величезного числа елементів (транзисторів), кожний з яких складається з мікроскопічних областей напівпровідника з цілком певними властивостями. Всі ці мікроскопічні області емітерів, баз, колекторів, джерел, стоків, каналів, межсоединений і т. п. можна розглядати як статичні неоднорідності в безперервному середовищі кристала, створені за допомогою технологічних процесів. Обробка інформації здійснюється її просуванням з області однієї статичної неоднорідності в іншу, при цьому відбувається безперервна зміна таких фізичних величин, як напруженість електричного поля, потенціали, концентрації носіїв і т. д. Розміри областей статичних неоднорідностей вельми малі, а із зростанням міри інтеграції вони безперервно меншають.

У історії мікроелектроніки прогрес в технології виражався в поступовому зменшенні розмірів транзисторів від 25-50 мкм до 2-3 мкм (для схем, що серійно виготовляються ). Розрахунки показують, що зменшення розмірів елементів ИС неминуче приводить до цілого ряду обмежень.

Проблема межсоединений. Густина розміщення транзисторів в ИС визначається геометричними (топологічний) і фізичними чинниками. Топологічний задача при створенні ИС полягає в розміщенні транзисторів і з'єднань між ними на частині поверхні пластини. При великому числі транзисторів в ИС сітка з'єднань надзвичайно складна і, очевидно, буде займати значну частину площі поверхні пластини (до 85% для БІС).

Показано, що навіть при оптимальному розміщенні і пренебрежимо малих розмірах елементів існує межа для підвищення міри інтеграції N БІС і СБИС, визначуваний монтажною площею межелементних зв'язків на кристалі: Nmax=(L/hт)5/6, де L=(L1+L2)/2= sqrt(Sкр) - усереднений лінійний розмір; L1+L2- периметр кристала; Sкр- площа кристала; hт- крок трасування.

Один з шляхів зменшення займаної межсоединениями площі кристала - це перехід на багаторівневу разводку, наприклад 12-уровневую замість стандартної трехуровневой (внутриячеечние з'єднання, межъячеечние з'єднання, живлення). Підраховано, що вже при 20-25 тис. вентилів на кристалі і 12-уровневой разводке площа, що корисно використовується буде складати біля 50%. Однак надійність таких схем різко падає через незадовільні контакти між рівнями, наявність помилкових контактів через випадкові пори в тонких шарах діелектрика. Особливо високі вимоги пред'являються до металевих ліній і до межуровневому діелектрика. Товщина металевих і особливо діелектричних шарів не повинна бути менше 0,05 мкм.

Проблема межсоединений не зводиться тільки до розміру займаної ними площі кристала. Зменшення топологічний розмірів істотно зменшує перетин токоведущих ліній і збільшує відношення їх довжини до перетину. Слідством цього є збільшення опору з'єднувальних провідників і інші небажані явища. Зокрема, зростає напруженість електричного поля, і доводиться вважатися з можливістю об'ємного або поверхневого пробою діелектрика.

Теплові обмеження. Одним з фізичних чинників, що обмежують густину розміщення транзисторів на поверхні кристала, є відведення теплоти, що виділяється при роботі ИС. Через енергетичні обмеження граничні значення рівня інтеграції і швидкодії не можуть бути реалізовані одночасно.

Швидкодія транзистора визначається часом перемикання транзисторних ключів, або вентилів, , яке зворотне пропорціонально споживаній потужності Р:  =А/Р. Здесь А - робота ключа на одне перемикання. Підвищення потужності з метою прискорення перемикання, як правило, вимагає збільшення відстані між окремими елементами схеми для дотримання необхідного теплового режиму, що приводить до зменшення густини розміщення елементів і збільшення затримки на поширення сигналу по лініях.

Потужність, що розсівається в кристалі у вигляді теплоти, повинна бути менше тепловій потужності, яка може бути відведена.

При повітряному обдуве з площі 1 см2относительно легко відводиться потужність порядку 2 Вт (в охолоджуючій рідині - окоо 20 Вт). Якщо один транзистор займає на поверхні пластини площу порядку 100 мкм2, то на площі 1 см2разместится 106транзисторов, причому кожний з них може виділити при роботі потужність не більше за 2 мкВт. Допустимо, що А=10-12Дж, т=1 нс; при такій швидкодії на кожному вентилі в схемі потужність втрат досягне 10 мВт. Міра інтеграції ИС такої високої швидкодії буде обмежена 200 вентилями.

Легко бачити, як сильно знижує граничну міру інтеграції надшвидкісних ИС обмеженість відведення теплоти і наскільки важливі пошуки шляхів зниження споживаної потужності в ИС.

Масштабування (скейлинг параметрів). У цей час найбільш поширеним методом зменшення елементів і кристалів ИС є масштабування. Існує досить велика область геометричних розмірів, де можливі перетворення при мініатюризації з використанням простих масштабних перетворювачів, або скейлинга. Суть масштабування у визначенні масштабних множників F(K), за допомогою яких параметри приладу, будучи зменшені в До раз, виражаються через відповідні параметри початкового приладу. Це дозволяє, не змінюючи технологічних процесів і топології ИС, поліпшити параметри ИС пропорціонально масштабу цього зменшення.

При зменшенні розмірів активних елементів їх параметри поліпшуються, а таке ж масштабування межсоединений приводить до погіршення параметрів: все значніше виявляються такі небажані явища, як електромиграция речовини (процес переміщення атомів провідника), збільшення хвильового опору, зростає роль крайових ємностей межсоединений.

Таким чином, стратегія однакового зменшення всіх лінійних розмірів ИС не є оптимальною. У практично важливих випадках різним величинам додають різні масштабні коефіцієнти. Масштабування вдало застосовується при зменшенні розмірів елементів від 10 до одиниць мікрометра. Однак при переході до довжин менше за 1 мкм масштабування неефективно, необхідно враховувати обмеження, пов'язані з фізичними ефектами, виникаючими при малих геометричних розмірах.

При заданому напруженні живлення із зменшенням розмірів зростають електричні поля в діелектрику і в збіднених областях напівпровідника, що може привести до пробою р-n-переходів і діелектрика, появи "гарячих" електронів і туннелированию їх в діелектричний шар.

Існує мінімальна товщина діелектрика або збідненого шара, при якій електричне поле ще не перевищує поля пробою або не є причиною інших небажаних ефектів. Ця мінімальна товщина визначає мінімум всіх інших розмірів приладу і, таким чином, ставить межу мініатюризації приладів такого типу.

Трьохмірні інтегральні схеми. Загальна тенденція необмеженого зростання міри інтеграції ИС диктує пошуки конструктивних рішень, альтернативних зростанню площі кристала ИС і зменшенню розмірів елементів в двомірних ИС. Починаючи з деякої міри інтеграції може виявитися більш вигідним перехід до трьохмірним ИС, в яких активні елементи розташовуються в декілька шарів.

Трьохмірні ИС мають багатошарову структуру з діелектричною ізоляцією. Така багатоповерхова конструкція може ефективно використовуватися для виготовлення на різних поверхах схеми приладів різних типів і їх інтеграції в складі ИС. Таке об'єднання, як правило, дає виграш в якості ИС.

Істотні переваги можуть бути отримані при використанні трьохмірної конструкції ИС і за рахунок спрощення схеми з'єднань. Число з'єднань може поменшати, і довжина їх буде менше, що приведе до економії корисної площі кристала, зменшення споживаної потужності, а також дозволить зменшити затримки на з'єднаннях і збільшить швидкодію ИС.

Ідея створення трьохмірних структур виникла порівняно недавно і в цей час активно розробляється. Одним з кроків в цьому напрямі є створення схеми ЗУ, виконаної по технології трьохмірної поперечної інжекції з формуванням двох електродів. Ця схема має схожість зі схемами, що включають елементи з плаваючим затвором, які використовуються в ППЗУ, але має додатковий транзистор в тонкому шарі поликремния. Цей транзистор призначений для управління процесом подачі заряду запису на накопичувальний пристрій - протяжний затвор.

Перспективи і переваги трьохмірних структур безперечні. Однак тут ще багато невирішених проблем. Можна чекати, що у відносно близькому майбутньому такі ИС стануть реальністю, що відкриє нові можливості для збільшення міри інтеграції і вдосконалення функції ИС.

Оптичні пристрої пам'яті

Принципи оптичної пам'яті

Останнім часом використання оптичних методів зберігання і обробки інформації розглядається як одна з привабливих альтернатив звичайним запам'ятовуючим пристроям. Принципова перевага оптичної пам'яті полягає в тому, що оптика робить можливою створення ЗУ великої ємності з щільно "упакованими" даними. Густина представлення інформації в оптичних ЗУ, по суті, обмежена тільки дифракційною межею.

Перевагою оптичної пам'яті є також можливість паралельної обробки інформації і швидкий доступ до масивів. Все це в поєднанні з потенційно високою надійністю і прийнятними енергетичними характеристиками робить оптичну пам'ять однієї з перспективних замін напівпровідникової і магнітної пам'яті.

Два типи оптичної пам'яті. Принципово можливі два способи запису інформації в оптичному ЗУ: побітовий і голографічний. У першому випадку будь-якій елементарній дільниці інформаційного носія відповідає один біт інформації, у другому - вся поверхня деякої дільниці носія рівномірно забезпечує зберігання масиву інформації, т. е. будь-яка область, вхідна в цю дільницю, зберігає з тією або інакшою достовірністю інформацію про весь масив відразу.

Для побітового запису інформації можна використати будь-яке джерело випромінювання. Однак більш переважні джерела когерентного світла - лазери, густина потоку енергії і можливості фокусування випромінювання яких багато разів перевершують відповідні параметри всіх інших джерел.

Голографічний запис - представлення інформації в інтерференційній формі. Тут обов'язково потрібно використання когерентного джерела випромінювання і пред'являються певні вимоги до міри його просторової і тимчасової когерентності. Інформаційне навантаження при голографічному записі несе один з двох світлових пучків, на які ділиться світловий потік джерела випромінювання, - його називають сигнальним або об'єктним. Просторова структура сигнального випромінювання, т. е. характер розподілу енергії в площині поперечного перетину пучка, однозначно пов'язана з ємністю масиву, що записується на носія, і розподілом в ньому інформації. Обидва пучки - інформаційний (сигнальний) і допоміжний (опорний) - интерферируют в площині носія інформації.

Узагальнена структурна схема оптичної пам'яті. Характерна особливість оптичних ЗУ - велике число оптичних елементів і блоків, частина яких обов'язково використовується у всіх різновидах оптичної пам'яті, а інші специфічні лише для деяких її типів. Зокрема, будь-яка оптична система містить три основних блоки: модулятор, процесор і приймальний пристрій.

У модуляторі світлова хвиля "навантажується" інформацією. Тут внаслідок просторової модуляції хвилі формується просторовий оптичний сигнал, званий звичайно вхідним оптичним сигналом. Процесор, що являє собою набір різних транспарантів і оптичних елементів, здійснює задану обробку вхідного оптичного сигналу, перетворюючи його у вихідний сигнал. У приймальному пристрої проводиться видобування інформації, яка може бути або перетворена в електричні сигнали, або піддана зберіганню.

Структурна схема оптичної пам'яті з побітовим записом інформації показана на мал. 6. Основними компонентами системи є лазерне джерело випромінювання, модулятор, дефлектор для адресації променя, формуюча і фокусуюча оптика і запам'ятовуюча середа.

Рис. 6. Структурна схема оптичного ЗУ з побітовим записом інформації

Крім більш складної оптики в голографічній системі пам'яті потрібно два істотних додаткових елемента - пристрій формування масивів (сторінок) інформації, званий керованим транспарантом (УТ), і фотоприемная матриця. У голографічному ЗУ з посторінковим записом лазерний промінь розщіплюватися на два пучки - опорний і сигнальний. Сигнальний промінь, проходячи через керований транспарант, поступає на носія інформації, де взаємодіє з опорним пучком, утворюючи інтерференційну картину, яка фіксується в реєструючому середовищі. Кожне положення променя, що відхиляється використовується для адресації цілої сторінки.

При ліченні сигнальний промінь блокується затвором; опорний пучок стає таким, що прочитує і проецирует відновлене зображення сторінки інформації на матрицю приймачів. У результаті при ліченні ціла сторінка інформації відразу ж виявляється доступною для електронної вибірки. Оптична система забезпечує збіг опорного і сигнального променів в записуючому середовищі і поворот сигнального променя відносно УТ при записі за різними адресами.

Оптоелектронние пристрою пам'яті

Оптоелектроника заснована на застосуванні як електричних, так і оптичних методів обробки інформації і розглядає методи і пристрої перетворення електричних сигналів в світлові і зворотне, досліджує процеси отримання, передачі, обробки і зберігання інформації, переносимої світлом.

Істотна особливість оптоелектронних пристроїв складається в тому, що елементи в них оптично пов'язані, а електрично - ізольовані.

У ланцюгах із звичайними приладами вакуумної і напівпровідникової електроніки неможлива ефективна розв'язка між входом і виходом, що пов'язано з наявністю у електрона електричного заряду. Оптичний же зв'язок, здійснюваний за допомогою фотонів, може бути реалізований між дільницями схеми з потенціалами, що значно розрізнюються; в оптоелектронних пристроях здійснюється ефективна розв'язка між входом і виходом. Крім того, оптоелектронним пристроям властиві і інші достоїнства: можливість просторової модуляції світлових пучків і значного гілкування і перетину світлових пучків у відсутність гальванічного зв'язку між каналами; велике функціональне навантаження світлових пучків, зумовлена великий вариабельностью їх параметрів (амплітуди, напряму, частоти, фази, поляризації).

Оптоелектронние прилади. До складу оптоелектронних пристроїв входить декілька видів приладів, які пов'язані між собою і забезпечують зберігання і видачу інформації в залежності від потреб.

Основним структурним елементом оптоелектронних пристроїв є оптрон - прилад, що складається з джерела і приймача світла, пов'язаного оптично. Оскільки схемотехнические можливості оптрона визначаються головним чином характеристиками фотоприемника, цей елемент і дає назву оптрона загалом. До найважливіших різновидів елементарних оптронов відносяться: транзисторні, диодние, резисторние і тиристорние (мал. 7).

Функціональні можливості оптрона можуть бути істотно розширені при введенні зворотних зв'язків (електричних або оптичних). Найбільш відомий оптрон, в якому приймач і випромінювач сполучені електрично, а також є оптичний позитивний зворотний зв'язок. Такий пристрій, що отримав назву регенеративного оптрона, придатний для використання як перемикач, підсилювач, генератор як електричних, так і світлових сигналів.

Рис. 7. Елементарні оптрони:

а - резисторний: б-диодний; в-транзисторний; г - тирис-уторований; д - резисторний з електролюминесцентним конденсатором

Для здійснення в оптоелектронних пристроях широкої і гнучкої системи оптичних зв'язків часто застосовують волоконну оптику.

Оптичні волокна являють собою ефективні световоди, що забезпечують передачу випромінювання по заданому шляху; їх можна групувати в пучки будь-якої форми і згинати під будь-якими кутами.

Волокнисті световоди виключають необхідність в фокусуючих і відхиляючих системах. Тому оптоелектронние ЗУ можуть мати многоплатную конструкцію, причому кожна плата має свої джерела світла і свою фотоприемники, число яких дорівнює кількості бітів інформації, що зберігається.

Оптоелектроника пред'являє до джерел світла такі вимоги, як мініатюрність, мала споживана потужність, високі ефективність і надійність, великий термін служби, технологічність. Вони повинні володіти високою швидкодією, допускати можливість виготовлення у вигляді інтегральних пристроїв. Планарная технологія інтегральних схем дозволяє створювати мініатюрні пристрої з розщепленням випромінювання, сформовані разом з електронними схемами управління. Осередки матриць випромінювачів і фотоприемников можуть володіти пам'яттю.

Найбільш поширеними елементами матриць некогерентних джерел світла є інжекційні світлодіоди, в яких випущення світла визначається механізмом рекомбінації електронів і дірок. Як матеріали для світлодіодів використовують арсенид і фосфид галію, карбід кремнію, тверді розчини арсенида галію-алюмінію і т. д.

Перспективними джерелами світла є інжекційні лазери, що дозволяють отримувати високу густину енергії у вузькій спектральній області при високих КПД і швидкодії (десятки пикосекунд). Помітимо, що швидкодія світлодіодів ~0,5 мкс. Інжекційні лазери можна виготовляти у вигляді матриць на одному базовому кристалі по тій же технології, що і інтегральні мікросхеми.

Для перетворення світлових сигналів в електричні використовують фотодіоди, фоторезистори, фототранзистори і інші прилади. Їх можна використати і для виготовлення інтегральних матриць, які можуть мати координатну організацію, що дозволяє вибирати будь-який, але тільки один, фотоприемник в певний момент часу, можуть бути організовані порядково (зі слів), в декілька регістрів або з самосканированием.

Матриці фотоприемника крім світлочутливих елементів містять коммутирующие елементи, а в деяких випадках і елементи пам'яті. НайПростіший осередок містить фотодіод і послідовно включену ємність. Запам'ятовування інформації в матриці фотодіодів реалізовується у вигляді накопичення зарядів на ємностях фотодіодів.

Пам'ять на пристроях функціональної електроніки

Функціональна електроніка - новий напрям в мікроелектроніці

Сучасна електроніка твердого тіла значною мірою є інтегральною електронікою; в основі її лежить принцип елементної (технологічної) інтеграція-виготовлення на одному кристалі великої кількості електронних приладів, сполучених між собою в електричну схему.

Схемотехнический шлях розвитку інтегральної електроніки неминуче пов'язаний із зростанням числа елементів і межелементних з'єднань по мірі ускладнення функцій, що виконуються інтегральною схемою. Однак чисто кількісне нарощування міри інтеграції і пов'язане з цим зменшення розмірів елементів має певні межі. Аналіз традиційних шляхів розвитку інтегральної електроніки показує, що в цей час досягнуть настільки високий рівень інтеграції, що доводиться вважатися з рядом фізичних і технологічних обмежень при його подальшому підвищенні. Тільки интегрализация елементів на певному етапі вже не забезпечує досягнення позитивних результатів.

Функціональна електроніка пропонує якісно новий підхід. У основі лежить принцип фізичної інтеграції, що дозволяє реалізувати певну функцію апаратури без застосування стандартних базових елементів, засновуючись безпосередньо на фізичних явищах в твердому тілі. У цьому випадку локальному об'єму твердого тіла додаються такі властивості, які потрібно для виконання даної функції, так що проміжний етап представлення бажаної функції у вигляді еквівалентної схеми не потрібно.

При фізичній інтеграції носієм інформації є не стан деякої схеми, створеної на основі традиційних елементів (транзисторів, діодів, резисторів і т. д.), а стан локального об'єму в однорідному активному середовищі з динамічно змінними параметрами. Зміни стану локального об'єму однорідного матеріалу досягаються не технологічними, а фізичними способами, наприклад інжекцією зарядів в локальний об'єм за допомогою світлового випромінювання або впливом електричних або магнітних полів, збудженням поверхневих хвиль і т. д.

Таким чином, основною межею фізичної інтеграції є відсутність або значне зниження питомої ваги схемотехніки і використання динамічних неоднорідностей для виконання певних функцій. Запис і обробку інформації виконує не схема, що включає в себе безліч приладів і елементів, а сама активна середа, в якій нагромаджується інформація, що піддається обробці.

Будь-який прилад традиційної електроніки сам по собі накопичувати інформацію не може. Так, в елементі пам'яті на тригері запис інформації здійснюється не самим транзистором, вхідним до складу схеми, а всією схемою тригера, вмісною як мінімум два транзистори. Запис і обробка сигналу безпосередньо в приладах традиційної електроніки не здійснюються - ці функції виконує схема, що включає в себе безліч приладів. Активна середа пристроїв функціональної електроніки володіє двома характерними властивостями: в ній може зберігатися і оброблятися великий обсяг інформації; управління нею забезпечує зміни алгоритму обробки сигналу. З цієї точки зору пристрою функціональної електроніки по своїх відмітних ознаках близькі до процесора ЕОМ, що реалізовується у вигляді інтегральних схем на традиційних транзисторних структурах. Помітимо, що в багатьох випадках пристрої функціональної електроніки можуть добре поєднуватися з цифровими ИС, доповнюючи і розширюючи їх можливості.

У цей час існує декілька напрямів досліджень, заснованих на безпосередньому використанні фізичних явищ, потенційно придатних для створення функціональних пристроїв. Як носії інформації використовуються згустки заряду, циліндричні магнітні домени, пакети хвиль різної природи і т. п. Даний перелік може бути розширений і доповнений в ході проведення досліджень. Мета всіх цих досліджень - створення принципів конструювання і виробництва досить економічних пристроїв з високою мірою інтеграції. Всередині цієї проблеми можна виділити найбільш актуальну проблема-створення інтегральних пристроїв пам'яті великого об'єму, енергонезависимих, малогабаритних і малопотребляющих, з досить високою швидкодією.

Розглянемо деякі приклади реалізації функціональних пристроїв, в основу яких встановлені істотно різні фізичні явища.

Пам'ять ПЗС і ЦМД. Активною середою в ПЗС служить напівпровідникова пластина з системою електродів на ній (див. 3.4), під кожний з яких може бути введений об'ємний заряд, освічений згустками носіїв. Додаток електричних потенціалів, що змінюються у часі в певній послідовності, примушує переміщувати такі зарядові пакети. Наявність або відсутність заряду означає 1 або 0 в системі запису інформації.

Відмітимо, що пристрої пам'яті, виконані на принципах функціональної електроніки з використанням зарядових пакетів як динамічна неоднорідність - носіїв інформації, володіють значними можливостями для підвищення густини їх упаковки і підвищення частки виходу придатних. Вони, наприклад, займають на 60-70% меншу площу, ніж однотранзисторние МДП-елементи. Схеми, виконані на ПЗС-структурах, вимагають меншої кількості обслуговуючих схем, ніж МДП ЗУ.

Створення приладів на ЦМД, як напрям функціональної електроніки, засноване на безпосередньому використанні доменної структури феромагнетиків. Фактично доменні пристрої являють собою однорідну активну середу, в якій носіями інформації є циліндричні (або плоскі) магнітні домени, а її переробка і зберігання здійснюються за рахунок переміщення і взаємодії цих доменов (див. 2.4).

ЦМД володіють важливим комплексом властивостей: їх можна контрольоване створювати і знищувати, здійснюючи введення і виведення, а переміщуючи з високою швидкістю, проводити зсув інформації. Саме здібність ЦМД до переміщення, а також до стійкого збереження розміру, форми і положень в середовищі є основною передумовою до технічної реалізації ЗУ. Малі розміри доменов і велика їх рухливість дають можливість створювати на їх основі пристрою великої функціональної гнучкості з виключно високими параметрами. При цьому функції логіки, запам'ятовування і комутації реалізовуються без порушення однорідності структури матеріалу носія.

Пам'ять на поверхневих акустичних хвилях. Напрям функціональної електроніки, який охоплює пристрої і прилади, що використовують явища збудження, поширення і взаємодій акустичних хвиль з електронами провідності в металах і напівпровідниках, отримав назву акустоелектроники.

У пристроях акустоелектроники використовуються звукові хвилі високої частоти (1 МГц-10 ГГц), як об'ємні, так і поверхневі. Переваги поверхневих акустичних хвиль (ПАВ)-малі втрати на перетворення при їх збудженні і прийомі, доступність хвильового фронту, що дозволяє знімати сигнал і управляти поширенням хвилі в будь-яких точках звукопровода, а також управляти характеристиками пристроїв. Саме ці переваги і обумовили те, що більшість пристроїв виконується на ПАВ.

ПАВ являє собою хвилю механічної деформації (пружну хвилю), що розповсюджується вдовж поверхні твердого тіла або вдовж межі розділу твердого тіла з іншими середами. Завдяки порівняно низькій швидкості поширення хвилі можливо на обмеженому по довжині просторі її поширення забезпечити істотну затримку сигналу у часі або здійснити динамічний запис інформації значного об'єму.

Особливий клас нелінійних акустоелектронних пристроїв складають пристрої, засновані на принципі запам'ятовування і зберігання сигнальної інформації. Як носії інформації використовується заряд об'ємних або поверхневих пасток в напівпровідниках, створення і запам'ятовування зарядових пакетів за допомогою електронного пучка. Операції запису і лічення здійснюються за допомогою ПАВ. Час зберігання інформації залежить від конкретного механізму запам'ятовування і досягає трохи тижнів.

Пристрої на основі спінових хвиль. Пристрої обробки інформації на ПАВ, працюючі в діапазоні 10-1500 МГц, відрізняються рядом достоїнств: малими розмірами і незначною масою, можливістю синтезу заданих характеристик, зручністю сполучення з інтегральними схемами і інш.

Однак для обробки інформації цими пристроями в діапазоні частот вище за 1 ГГц потрібно пониження частоти, що приводить до додаткового спотворення сигналу і ускладнення конструкції системи.

Перехід до частот 1-20 ГГц здійснюється в пристроях на спінових хвилях, які являють собою хвильовий процес орієнтації спінових магнітних моментів електронів, відповідальних за феромагнітні властивості речовини. Зумовлені спінові хвилі обмінною взаємодією, завдяки якому зміна магнітного моменту одного атома передається сусідньому, і т. д. Збудження спінових хвиль звичайно здійснюється в тонких плівках железоиттриевого граната (ЖИГ) на неферомагнітній підкладці. Плівка знаходиться в статичному магнітному полі, що приводить речовину в стан магнітного насичення, завдяки чому забезпечується початкова орієнтація спінів.

Лінії затримки на спінових хвилях характеризуються малими втратами, можливістю здійснити декілька виведення.

Функціонально ПАВ і спінові хвилі рівноцінні, але останні можуть бути використані на більш високих частотах.

Великими функціональними можливостями володіють пристрої, засновані на явищі ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Дія цих пристроїв заснована на використанні методу спінового луни-імпульсного методу спостереження ЯМР.

Сверхпроводниковие пристрою пам'яті

Для всіх найбільш важливих елементів традиційної електроніки є сьогодні надпровідні аналоги. Тому можна думати, що практично будь-яке електронне обладнання може бути сконструйоване на основі надпровідних інтегральних схем.

Не ставлячи перед собою задачі скільки-небудь докладного розгляду цієї нової захоплюючої області електроніки, зупинимося стисло лише на описі фізичних принципів роботи деяких пристроїв зберігання і обробки інформації на надпровідниках.

Криотронние перемикачі і елементи пам'яті

Принципова можливість використання надпровідності для створення перемикаючих елементів відома досить давно. Ще в середині п'ятдесятих років був створений надпровідний прилад - криотрон, в якому використовується можливість управління станом надпровідності за допомогою магнітного поля.

Як відомо, явище надпровідності складається в тому, що опір багатьох металів і сплавів при охолоджуванні їх до деякої критичної температури, властивої даному матеріалу, стає рівним нулю. Цей стан може бути зруйнований не тільки підвищенням температури вище за Тк, але і зовнішнім магнітним полем Нцилі самим протікаючим по надпровіднику струмом, якщо він перевищує деяке критичне значення.

До останнього часу всі відомі надпровідники переходили в стан надпровідність при надзвичайно низьких температурах-як правило, від 1 до 20 До, т. е. поблизу абсолютного нуля. Ці надпровідники доводилося охолоджувати рідким гелієм. Прорив в область "азотних" температур відбувся зовсім недавно, на початку 1987 р. Був виявлений новий клас матеріалів (кераміки на основі рідких металів, міді і кисня), температура переходу в надпровідний стан яких 100 До і вище.

Джозефсоновские тунельні контакти

Активними елементами сверхпроводниковой мікроелектроніки є так звані джозефсоновские прилади: тунельні і мастиковие контакти або переходи. Властивості їх були передбачені в теоретичній роботі Джозефсона ще в 1962 р. Відтоді був виконаний великий об'єм експериментальних досліджень, в тому числі по відроблянню технології виготовлення джозефсоновских приладів, однак вирішального успіху, який би поставив сверхпроводниковую мікроелектроніку на один рівень з напівпровідниковою (кремнієвої), до останнього часу добитися не вдалося.

Існує два основних типи джозефсоновских контактів - типу сендвич і типу місток (мал. 8. а, б). Класичний джо-зефсоновский контакт являє собою тунельний перехід з товщиною діелектричного шара менше за 5 нм, що розділяє два надпровідники. У такій структурі струм може протікати через перехід навіть при нульовому напруженні на ньому за рахунок квантово-механічного тунельного ефекту, хоч в класичній фізиці діелектрик не може провести струм.

Відкриття Джозефсона полягало в тому, що він передбачив можливість туннелирования надпровідного струму через діелектричний бар'єр.

Рис 8 а - типу сендвич; би - типу місток

При великих струмах або при дії на контакт хоч би слабого магнітного поля на переході виникає різниця потенціалів, що означає появу у переходу певного опору. На цьому принципі можуть бути побудовані тунельні джозефсоновские криотрони.

Проблеми і перспективи машинної пам'яті

(Висновок)

В цей час існує дуже багато всіляких технічних засобів запису і зберігання інформації, причому їх число вже настільки велике, що сказати про кожного не представляється можливим. ЗУ, що задовольняє сучасним вимогам, може бути реалізовано при використанні різних фізичних ефектів. У розглянутих прикладах це були ефекти магнетизму, фізики напівпровідників, оптики.

Можливість використання електронних променів для запису і лічення інформації завжди привертала увагу розробників ЗУ. Такі властивості електронних потоків, як відносна простота управління траєкторіями руху електронів (внаслідок наявності у них заряду), мала довжина хвилі де Бройля і можливість отримання високої густини енергії, зумовлюють перспективність їх застосування в ЗУ. Тому перехід до використання електронних променів в накопичувачах при збільшенні густини запису інформації представляється закономірним.

Принципи електронно-променевої пам'яті. Електронно-променеві накопичувачі інформації досить конкурентоздатні при умові зберігання великих масивів інформації більше за 107-109бит. Для накопичення великих масивів інформації в електронно-променевих ЗУ необхідно розробляти спеціальні електронно-оптичні системи, вдосконалити методи адресації променів і способи запису (лічення) інформації.

Інформація в електронно-променевих ЗУ представляється у вигляді локальних змін властивостей поверхні інформаційного носія. Найбільш поширені способи запису, засновані на зміні прозорості носія, його відбивної здатності, геометрії поверхні, намагніченості і накопиченого заряду. Розглянемо їх детальніше.

Запис зміною прозорості або відбивної здатності носія інформації. При цьому способі запису на інформаційному носії необхідно отримати заданий точковий малюнок відповідно до записаної інформації. Носій інформації - тонка плівка або фольга - умовно поділений на елементарні дільниці, кожний з яких використовують для запису одного біта інформації.

При записі інформації прозорістю елементарних дільниць можна управляти за допомогою перфорацій отворів або зміною товщини носія інформації. Для лічення інформації електронний промінь відповідно до коду адреси встановлюють в задану область носія. Параметри променя змінюються в залежності від записаної інформації. При ліченні 1 електрони проходять через отвір в носії і попадають на реєстратор. Таким чином, сигнал, що знімається з реєстратора електронних потоків, відповідає інформації, що вважається. При цьому струм електронного променя, що попадає на реєстратор, досить малий і його необхідно посилювати.

Запис зміною геометрії поверхні носія. У електронно-променевій пам'яті широко застосовують і термопластическую запис інформації. Запис на термопластиках здійснюють методом деформації поверхні носія. Під дією сил тяжіння, викликаних електричними зарядами в розм'якшеному шарі діелектрика, на поверхні носія утвориться рельєф, який служить зображенням записаної інформації. Для стирання запису досить нагріти термопластик до температури, більшої температури вияву. При цьому рельєф згладжується і поверхня його вирівнюється.

Для запису інформації на термопластическом діелектрику служить електронна гармата, розгортка якої здійснюється тільки вдовж рядка. Носія інформації з шаром термопластика звичайно виконують у вигляді стрічки, яка зберігається в касетах. Після запису інформації відповідна дільниця стрічки, перш ніж попасти в приймальну касету, проходить зону вияву, в якій за допомогою високочастотного нагрівника його доводять до розм'якшення. Для збереження записаної інформації стрічку охолоджують і намотують на приймальну касету. Лічення інформації відбувається при русі електронного променя по рядку із записаною інформацією у вигляді точкової лунка. Густина запису 107-108бит/см2; мінімальний час запис-лічення становить 0,01-0,02 з.

Запис із зміною намагніченості носія. При цьому способі запис інформації здійснюють нагрівом магнітного матеріалу до точки Кюрі. Для запису нуля електронний промінь направляють на одну з ізольованих дільниць намагніченої плівки, викликаючи нагрів його до температури вище за точку Кюрі. При цьому плівка на вказаній дільниці (число яких повинне бути, принаймні, не менше кількості біт інформації, що запам'ятовується ) розмагнічується. Таким чином, носій із записаною інформацією складається з намагнічених і розмагнічених дільниць плівки.

Носієм інформації може служити і суцільна плівка з сплаву марганець-вісмут. Якщо при записі нагріти дільницю плівки вище за точку Кюрі, то після охолоджування вектор намагніченості в ньому змінить свій напрям. Густина запису інформації, що допускається магнітною структурою плівки, становить 109бит/см2. Для лічення інформації можна реєструвати повторні електрони, що випускаються магнітним носієм. Для збільшення сигналу лічення на носія доцільно наносити тонку плівку з матеріалу з високим коефіцієнтом повторної електронної емісії.

Запис за допомогою накопиченого заряду. Відомо, що взаємодія прискорених заряджених частинок з напівпровідниками приводить не тільки до нагріву, але також до іонізації їх атомів і до генерації електронно-дирочних пар. Таку пам'ять називають електронно-оптичною. Якщо опромінювати напівпровідник електронами з енергією 10-15 кеВ, то в мішені утвориться декілька тисяч електронно-дирочних пар, що являють собою динамічні неоднорідності. Якщо пари, що утворилися швидко і ефективно розділити, то можна отримати відповідний імпульс струму (при імпульсному опромінюванні) і відповідні заряди на обкладанні мішені.

ЗУ з використанням. металу-оксиду-напівпровідникових мішеней з променевою адресацією (МОПЛА-трубки пам'яті) дозволяє зберігати інформацію протягом деякого відрізка часу. Термін зберігання при відключеному живленні перевищує один місяць при не менш ніж двадцятикратний ліченні. Зміна сигналу при зміні температури від -40 до +70°З не перевищує 10%. Одна з основних проблем в таких ЗУ - боротьба з пошкодженням шара кремнію під дією електронного променя, який змінює структуру оксиду кремнію, внаслідок чого вона втрачає здатність придбавати і зберігати електричний заряд.

Таким чином, на відміну від напівпровідникових ЗУ і ЗУ на ЦМД межу поверхневої густини запису в електронно-променевих ЗУ не визначаються технологічними параметрами, зокрема, параметрами літографії. По потужності (10 мкВт/біт), що витрачається ЗУ на електронно-променевих трубках ЗУ на ПЗС і на ЦМД рівноцінні. Разом з тим електронно-променеві ЗУ володіють тією перевагою в порівнянні з ЗУ на ПЗС, що вони здатні зберігати інформацію і у відсутність напруження, а в порівнянні з ЗУ на ЦМД володіють більшою швидкістю обробки інформації. Однак вони чутливі до паразитного опромінювання, що вимагає у окремих разах спеціальних заходів по екранировке.

Різні напрями машинної пам'яті розвиваються нерівномірно. Пов'язане це як з наявністю необхідної елементної бази, так і з недостатністю традиційних коштів реалізації. Якщо весь шлях розвитку того або інакшого напряму умовно представити у вигляді ланцюжка: фізичні принципи - знаходження і створення необхідних матеріалів - розробка конструкцій - створення технології - промислове виробництво, то на сьогоднішній день представляється справедливою наступна картина. Магнітна пам'ять на стрічках, дисках і т. п. і напівпровідникова пам'ять на БІС і СБИС досягли стадії розвиненого виробництва; пам'ять на ЦМД, ПЗС, оптичні дискові накопичувачі, електронно-оптичні, акустичні ЗУ починають виходити поступово в дослідне виробництво, а в деяких випадках і в стадію промислового освоєння; голографічні, оптоелектронние, сверхпроводниковие пристрою пам'яті перебувають в стадії лабораторних досліджень, а розробки молекулярних і біохімічних носіїв - всі ще в стадії знайдення фізичних принципів. Очевидно, перспективи розвитку штучних систем зберігання інформації повинні бути пов'язані і з використанням нових фізичних принципів і явищ.

У останнє десятиріччя в розвитку ряду напрямів оптоелектроники досягнуті дуже значні успіхи, які непрямо, а іноді і прямо сприяють розв'язанню проблеми оптичної пам'яті. Створені напівпровідникові лазери з високою мірою когерентності випромінювання, що дозволяють записувати якісні голограмми. Розвивається інтегральна оптика, в рамках якої традиційні об'ємні оптичні елементи замінюють тонкопленочними.

Тонкопленочние оптичні затвори можуть перемикатися напруженням всього в трохи вольт, при цьому час перемикання може бути менше за наносекунди.

Цікаві міркування, що стосуються можливості використання в оптичних ЗУ принципу фотовижигания спектральних провалів в спектрах домішкових молекул в низькотемпературних матрицях. Фізична суть явища зводиться до високоселективному фотопреобразованию неоднорідно розширених (10 нм) домішкових спектрів при впливі монохроматичного випромінювання на фотоактивние домішкові молекули через вузькі (10-5-10-3нм) лінії поглинання. Густина запису на такому носії може досягнути фантастичної цифри-1012бит/см2, однак крім відповідних носіїв для реалізації ЗУ потрібні ще і лазери, що перебудовуються, і системи забезпечення сверхнизких (аж до 0,05 До) температур.

При низьких (гелієвих) температурах може виявлятися також інший чудовий ефект оптичної пам'ять-фотонна (або світлове) луна. Якщо на спеціальну середу з резонансними властивостями впливати одним або двома оптичними імпульсами, то вони викликають перебудову її електронної структури. Якщо після цього приходить третій-інформаційний-імпульс, то він середою "запам'ятовується": через тривалий час після його проходження (аж до десятків секунд) середа генерує четвертий імпульс, імпульс-луну. Використовуючи цей ефект в кристалі, можна записувати і цифрові дані (наявність або відсутність спалаху), і двумерние картини. Запис проводиться у всьому об'ємі, при цьому густина розміщення інформації може досягнути 1012бит/см3! Важливо, що під час зберігання "згустків світла" в кристалі можна провести ще і їх обробку.

Розглядається і можливість реалізації волоконно-оптичного ЗУ. Принцип дії такої пам'яті заснований на тому, що в кільцевий световод (довжиною до 50-100 км) вводять послідовність оптичних імпульсів, які досить довго циркулюють в ньому, "подпитиваясь" оптоелектронними або оптичними регенераторами. У певних точках световода за допомогою направлених ответвителей інформація може бути виведена з кільця і перетворена до електричної форми. У такій системі можна, наприклад, на декілька годин запам'ятати кадр кольорового ТВ.

При створенні машинної пам'яті треба ще багато чому вчитися у мозку, хоч і не треба його сліпо копіювати. Чисто технічний потенціал, наприклад, у голографічних ЗУ набагато багатше, ніж можливості мозку.

Взяти краще у обох видів пам'яті людської і машинної - таке прагнення розробників. Висока густина запису, велика ємність пам'яті висока швидкодія, здатність сприйняття і аналогової, і цифрової інформації, поєднання адресного і асоціативного пошуку, об'єднання послідовного і паралельного принципів введення/висновку інформації, висока довговічність і надійність зберігання - ось основне, чим хотілося б наділити ЗУ майбутнього.

Список літератури

Абакумова В. И. Запомінающиє пристрою ЦВМ. Учбова допомога М. 1970.

Гуральник А. К. Устройства пам'яті ЦВМ, М.: Сов. Радіо, 1976.

Мнеян М. Г. фізика машинної пам'яті, М.: Вища школа, 1990.