Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПАМЯТИ УСТРОЙСТВА

ПАМЯТИ УСТРОЙСТВА

ПАМЯТИ УСТРОЙСТВА (запоминающиеустройства) - в вычислит. технике (см. Электронная вычислительная машина )устройства для записи, хранения и воспроизведения информации. В качественосителя информации может выступать физ. сигнал, распространяющийся в среде, <или сама среда; при этом информация задаётся в виде параметров сигналаили параметров состояния среды соответственно. Напр., в случае магн. П. <у. носителем является магн. среда, а параметром состояния - намагниченность.

Процесс записи информации осуществляетсяпри воздействии сигнала на носитель, изменяющем состояние этого носителя. <Обратный процесс - считывание информации - состоит в изменении параметровсчитывающего сигнала или в его генерации под действием носителя. Физическиеспособы записи, хранения и считывания информации могут быть различными:электрическими, магнитными, оптическими, акустическими и др.

Наим. участок среды - носителя информации, <позволяющий хранить единицу информации, наз. элементом памяти (ЭП). Еслион может принимать и сохранять два стабильных состояния, элемент являетсябистабильным, если q стабильных состояний - q -стабильным. <Число бит информации п, к-рое может хранить q -стабильныйэлемент, определяется как п=1n₂q. Напр., регистр, <содержащий 4 бистабильных ЭП, имеет 16 стабильных состояний и позволяетхранить 4 бита информации. В вычислит. технике информация хранится (записывается, <считывается) блоками по п бит, наз. словами или ячейками памяти. <Примером трёхстабильного ЭП может служить магн. ЭП на ферритовом кольце(см. ниже). Он имеет три состояния намагниченности: положительную, отрицательнуюи нулевую. П. у. состоит из набора последовательно пронумерованных слов. <Запись (считывание) отд. слова осуществляется по его номеру, наз. адресом. <В ряде П. у. можно обращаться также к отд. байтам внутри слова. Число . кратно8, напр, при п =8 слово содержит 8 бит (1 байт), а при п =16оно содержит 16 бит (2 байта).

П. у. характеризуются временем записи(считывания) информации, характерными временем её сохранения, плотностьюразмещения информации на носителе, информац. ёмкостью, энергией, необходимойдля переключения ЭП, и т. п. Время записи (считывания) информации определяетсявременем переключения ЭП из одного устойчивого состояния в другое при записи(считывании) информации, характерное время сохранения информации носителем- физ. принципами её хранения. Напр., время сохранения заряда на конденсаторев полупроводниковом П. у. существенно зависит от величины заряда и скоростиего рассасывания (тока утечки). Для увеличения времени сохранения информацииона может периодически перезаписываться (регенерироваться). Период регенерациидолжен быть меньше характерного времени сохранения информации в носителе. <Плотность размещения информации определяется характерными размерами ЭПи измеряется отношением числа бит, сохраняемых носителем, к его площади(или объёму для объёмных носителей). Информац. ёмкость П. у. определяетсяпроизведением полного числа ЭП в П. у. на число бит в ЭП.

Элементы памяти на макроскопическихструктурных изменениях (нарушениях формы) носителя. Хранение информацииосуществляется в таких структурных изменениях (нарушениях) поверхностиносителя, как изменение рельефа поверхности, степень её разупорядоченности(кристаллич. или аморфная структура), механич. перфорация носителя, прожиганиемикроотверстий в непрозрачной подложке (абляцпя), различного рода микровздутияиз-за термического локального нагрева и др. Примерами носителей для такихЭП являются перфокарта, перфолента, грампластинка, оптический диск.

Запись информации производится при помощимеханич. нарушения носителя (пробивка отверстий в перфокарте или перфоленте),абляционным способом, термооптически или термоэлектрически (используютсядля записи информации на оптич. диск; см. ниже) и др., считывание информации- механич., эл.-механич. или оптич. методами.

Примером совр. П. у., использующим ЭПописанного типа, является оптич. дисковое П. у. (рис. 1). Запись информации(рис., 1, а) осуществляется лазерным пучком, вызывающим абляцию носителя 4, путём создания на нём вздутий при локальном нагреве (т. е. при локальномизменении коэф. отражения) или переводом носителя 4 из кристаллич. <фазы в аморфную и наоборот [1]. Считывание информации производится темже лазерным пучком (но меньшей интенсивности), что и запись, а разделениепадающего и отражённого пучков осуществляется по поляризации благодаряфазовой пластанке и поляризац. светоделителю П. Из-за различия коэф. отражения ЭП. подвергнутыхи не подвергнутых действию лазерного излучения, каждый ЭП имеет 2 стабильныхсостояния и позволяет хранить 1 бит информации.

Рис. 1. Схема оптического диска ( а )и устройства записи (считывания) информации ( б):1 - стекляннаяподложка; 2 - отражающий зеркальный слой;3 - прозрачныйдиэлектрик с низкой теплопроводностью; 4 - информационный носитель;5 - прозрачный защитный слой; П- поляризационный оптическийсветоделитель; Д - детектор.

Мин. размер ЭП определяется диаметром областифокусировки записывающего лазерного пучка и составляет 0,4 - 1 мкм, чтопозволяет хранить на стандартном оптич. диске (дпам. 30,5 см) 1232Гбит. Время записи (считывания) информации для оптич. диска составляетот 100 до 500 мс [1].

Магнитные элементы памяти [2]. Принципдействия основан на эффекте сохранения намагниченности носителя (остаточнаянамагниченность) после выключения внеш. магн. поля (рис. 2, а). Различаютмагн. ЭП, использующие намагниченность всего объёма элемента (ферритовыекольца, рис. 2, б )и намагниченность макроскопич. участков носителя. <На рис. 2, в приведена схема ЭП, размещённых на подвижном магн. <носителе (магн. лента, диск). Запись (считывание) информации осуществляетсяпри взаимном перемещении носителя и головки записи (считывания). Записьпроисходит при подаче на головку тока записи I _записи,создающего поле записи в зазоре головки и на магн. носителе, а считываниеинформации - путём съёма ЭДС, индуцированной в головке при перемещениинамагниченного участка мимо зазора.

Рис. 2. Кривая намагничивания ( а )и элементы магнитной памяти на ферритовом кольце ( б), движущемсямагнитном носителе ( в), цилиндрическом магнитном домене ( г):1 - подложка; 2 - магнитный носитель; 3 - головказаписи/чтения информации; 4 - система проводников; ГЗ и ГЧ - головкизаписи и считывания.

Др. типом магн. ЭП является устройствона цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) [2] (рис. 2, г). В немосуществляется перемещение ЦМД по направлению от головки записи к головкечтения при приложении внешнего продольного поля, создаваемого путём коммутациитока системой проводников 4 в подложке.

Мин. размер магн. ЭП составляет от 5мкм для магн. ленты (диска) до 1мкм для ЦМД. Плотность записи информации с учётом технол. особенностейизготовления магн. П. у. составляет для магн. ленты 600бит/мм, для магн. диска ~ 10⁴ бит/мм ², для П. у. <на ЦМД может достигать ~10⁵ бит/мм ² [2]. Характерноевремя сохранения информации в магн. П. у. определяется естеств. размагничиваниемносителя (практически от неск. лет до неск. десятков лет). Время записи(считывания) в таких П. у. ограничено не временем перемагничивания, а, <как правило, скоростью движения носителя, электронными схемами управленияП. у. и т. п. Достигнутые скорости считывания информации лежат в диапазонеот 1100 кбит/сдля магн. ленты до 1 Мбит/с для П. у. на ЦМД и 10Мбит/с для магн. дисков.

Достоинствами магн. П. у. являются ихэнергонезависимость (способность сохранять информацию при отключении питания)при хранении информации и высокая радиац. стойкость.

Электрические элементы памяти [3- 5]. В основе работы лежат разл. эффекты перераспределения в ЭП тока, <заряда или напряжения. Физ. принципы работы ЭП и технология изготовленияП. у. определяют минимально достижимую энергию переключения ЭП, что в конечномсчёте определяет плотность размещения информации на носителе. Наиб. разработаннымии широко распространёнными П. у., использующими электрич. ЭП, являютсяполупроводниковые П. у. К числу осн. разновидностей полупроводниковых П. <у. относятся постоянные запоминающие устройства (ПЗУ - аббревиатура, используемаяпреим. для устройства микроэлектроники), программируемые ПЗУ (ППЗУ), стираемыеППЗУ (СППЗУ), ППЗУ с электрич. стиранием (ЭСППЗУ), статич. и динамич. П. <у. с произвольной выборкой (СЗУПВ и ДЗУПВ). Принципиальные схемы ЭП П. <у. перечисленных типов приведены на рис. 3.

Рис. 3. Схемы различных полупроводниковыхэлементов памяти: а - МДП ПЗУ; б - биполярное ППЗУ; в- МДП СППЗУ; г - МДП ЭСППЗУ; д - МДП СЗУПВ с нагрузкой R;.- биполярное СЗУПВ с нагрузкой R; ж - МДП ДЗУПВ.

Физ. механизмы работы полупроводниковыхП. у. даны в табл.

Физические механизмы работы полупроводниковыхустройств памяти

Тип устройствапамяти	Запоминание заряда	Метод записи	Метод считывания	Примечание
ПЗУ	Не производится	Формирование (разрушение)перемычек при изготовлении	Неразрущаю-щий"опрос" перемычек	-
СППЗУ	На плавающем зат-воретранзистора ЭП	Инжекция на плавающийзатвор триггера	Считывание (безизмене-ния) напряжения на триггере	Стирание информациипри освещении УФ-излу-чением
ЭСППЗУ	На поверхностномсостоянии плавающего затвора транзистора ЭП	Туннельная инжекция	- " -	Стирание информациипри инжекции заряда другого знака
СЗУПВ	В статическимтриггере ЭП	Передача сигнальногозаряда на ин-формац. вход	Считывание сигнальногозаряда (без его изменения)	-
ДЗУПВ	На ёмкости затворатранзистора ЭП	Передача сигнальногоза-ряда на ин-формац. вход	Считывание сигнальногозаряда (с его изменением)	Необходима перио-дич. <регенерация

В ЭП ПЗУ информация записывается на этапеизготовления П. у. (наличие или отсутствие ряда проводников схемы, илиперемычек). В ЭП на рис. 3, а перемычкой является цепь истока полевоготранзистора. ЭП ПЗУ может также строиться на основе наличия или отсутствиядиффузионных областей стока или истока (см. Прибор с зарядовой связью). Современные ПЗУ ёмкостью 1 Мбит состоят из ЭП площадью 30мкм ² и с временем переключения 80150нс.

ППЗУ представляют собой программируемые(уже после изготовления П. у.) ПЗУ, лишённые возможности стирания информации. <В них используются ЭП с перемычкой (рис. 3, б), пережигаемой электрич. <импульсом, или р- п -диод, к-рый замыкается накоротко при подачеимпульса, вызывающего лавинный пробой. ППЗУ выполняются по биполярной (быстродействующиеППЗУ) и др. технологиям (см. МДП-структура, Микропроцессор, Логическиесхемы). Совр. биполярные ППЗУ ёмкостью 64 кбит состоят из ЭПплощадью 100мкм ² и с временем переключения 50нс [3]. ЭП ПЗУ и ППЗУ относятся по сути к ЭП на изменениях (нарушениях)структуры носителя (создание или разрушение перемычек, замыкание диодов)со считыванием информации электрич. методами.

Работа ЭП СППЗУ и ЭСППЗУ основана на практическипост. удержании заряда. Заряд накапливается в проводящей области, находящейсявнутри подзатворного окисла МДП-структуры, поэтому их работа определяетсяпринципами работы МДП-приборов. Т. к. носители остаются в плавающем затвореи после отключения питания, СППЗУ и ЭСППЗУ являются энергонезависимымиП. у. [3, 4]. В ЭП СППЗУ (рис. 3, в) состояние ЭП определяется наличиемили отсутствием заряда на плавающем затворе полевого транзистора (МДП -транзистора) с двойным затвором. СППЗУ ёмкостью 1 Мбит состоят из ЭП площадью2030 мкм ² и имеют время переключения 80 - 150 нс [4]. ЭП ЭСППЗУ (рис. 3, г )содержиттранзистор с плавающим затвором, отделённым от кремния слоем окисла. Запись(стирание) информации осуществляется при пропускании туннельного тока междузатвором и подложкой.

ЭП СЗУПВ строятся на базе триггеров. При этом могут использоваться как полевые транзисторы (рис. 3, д),так и транзисторы биполярные (рис. 3, е). По быстродействиюбиполярные СЗУПВ превосходят все остальные типы полупроводниковых П. у. <Типичное время переключения биполярных СЗУПВ ёмкостью 10 кбит составляетменее 4 нс, а СЗУПВ ёмкостью 256 кбит - менее 30 нс, при размере ЭП 5 мкми 2 мкм соответственно [3, 4].

Альтернативой статическому триггеру являютсядинамический ЭП, в к-рых заряд хранится лишь в течение небольшого времени. <Наиболее распространённый ЭП ДЗУПВ состоит из конденсатора и транзистора(рис. 3, ж). Транзистор используется лишь для достуна к заряду, <хранящемуся в конденсаторе. Поскольку заряд постепенно уменьшается (из-запроцессов генерации и рекомбинации), необходимо с периодом ~1()^-3 срегенерировать информацию в ЭП. Совр. ДЗУПВ имеют ёмкость в неск. Мбит. <Динамика увеличения плотности размещения ЭП на носителе полупроводниковыхП. у. представлена на рис. 4. Сравнение предельных характеристик П. у. <разл. типа приведено на рис. 5.

Рис. 4. Динамика увеличения плотности храненияинформации для полупроводниковых устройств памяти.

Рис. 5. Сравнение предельных характеристикустройств памяти различных типов.

Оптические элементы памяти [6]. В основеоптич. ЭП лежит явление оптической бистабилъности или мультистабильностп(см. также Оптические компьютеры). Реализация таких ЭП должна удовлетворятьследующим требованиям: схема ЭП должна быть нелинейной и иметь обратнуюсвязь. Тогда при циклич. изменении, напр., входной интенсивности световогопучка на входе оптич. бистабильного ЭП он может функционировать обратимо. <Простейшим примерем бистабильного оптич. ЭП является интерферометр Фабри- Перо, заполненный средой с насыщающимся поглощением (рис. 6, а).Поскольку пропускание интерферометра зависит от длины резонатора, свойствзаполняющего его вещества и длины световой волны, управляя параметрамивещества и интенсивностью падающего света, можно регулировать пропусканиеинтерферометра. Зависимость интенсивности прошедшего пучка от интенсивностипадающего имеет вид петли гистерезиса (рис. 6, б), где области . и 3 являются областями стабильности ЭП [6].

Рис. 6. Интерферометр Фабри - Перо какоптический бистабильный элемент ( а) и петля гистерезиса зависимостиинтенсивности прошедшего пучка от интенсивности падающего пучка ( б):1 - полупрозрачные зеркала.

Мин. размер оптич. ЭП определяется минимальнонеобходимым числом атомов ансамбля, для к-рого устойчиво наблюдается оптич. <бистабильность. Это число составляет ~10³ двухуровневых атомов(полная энергия системы 0,25фДж для фотонов с энергией 1,5 эВ). Такая ситуация имеет место в оптич. <ЭП на базе GaAs при темп-ре 10 К, переключаемых энергией 15 фДж, распределённойна площади диаметра 0,25 мкм. Времена переключения ограничиваются временемустановления поля в резонаторе, временем отклика среды и динамич. эффектамирезонатора и могут достигать долей нс (рис. 5). Важными особенностями оптич. <ЭП являются их высокая помехозащищённость от эл.-магн. шумов и высокаянадёжность (кол-во переключений неограниченно).

Перспективные элементы памяти. Среди перспективныхП. у. можно выделить голографические, использующие для записи, храненияи восстановления изображений ЭП, основанные на принципах голографии. В этом случае мы имеем дело с аналоговыми ЭП, поскольку оптич. плотностьносителя информации (напр., эмульсионного слоя фотопластинки) изменяетсянепрерывно. Интенсивно развивающийся цифровой синтез голограмм позволяетсопрягать между собой голографич. ЭП и цифровые системы [7].

Среди перспективных полупроводниковыхП. у. можно выделить устройства на одноквантовых джозефсоновских ЭП (см. Джозефсонаэффект )и на одноэлектронных ЭП (туннслироваиие одиночных электроновв туннельных переходах сверхмалых размеров) [5]. Мин. размер одноквантовыхджозефсоновских ЭП ограничен снизу величиной порядка глубины проникновения 0,1 мкм, обеспечивающей плотность записи информации 10⁴10⁵ бит/мм ². Времена переключения таких ЭП при темп-ре жидкого азотасоставляют ~ 10^-11 с. В одноэлектронных ЭП их мин. размер ограничентолщиной туннельной прослойки (3- 4 нм). В перспективе такие ЭП позволят создать П. у. с плотностью записиинформации 10⁸ бит/мм ² и временем переключения ~1нс[5].

Наряду с разработкой новых полупродниковыхЭП интенсивно ведутся работы по созданию ЭП на молекулярном уровне (молекулярныеЭП) [8]. Для их реализации необходимы наличие в молекулярной системе неменее двух различимых стабильных состояний системы, достаточно большоевремя их жизни и возможность избирательно переводить систему в каждое изэтих состояний. Оценка плотности записи информации в молекулярном П. у. <составляет ~10⁶ бит/мм ². При использовании частотно-селективнойзаписи (т. и. спектральная память) её можно увеличить до значения ~10⁹ бит/мм ² [8]. Путь уменьшения размера ЭП приводит вслед за разработкоймолекулярных ЭП к атомным ЭП, в к-рых в качестве носителя информации можетвыступать одиночный атом. Действительно, двухуровневый атом представляетсобой бистабильный логич. элемент, переключение к-рого осуществляется припереходе атома из одного энергетич. состояния в другое под действием внеш. <поля.

Иерархия П. у. Наряду с делениемП. у. по физ. принципам работы ЭП исторически сложилось деление П. у.,используемых в ЭВМ, на внешние П. у., характеризующиеся большой ёмкостьюинформации (до 100 Гбайт) и относительно большим временем доступа к информации(10^-3 мс); оперативные П. у., характеризующиеся ср. параметрами по быстродействию( 100 нс) иёмкости (110Мбайт); кеш - П. у. (от англ. cache - тайник) с ёмкостью от 100 байт додесятков кбайт и быстродействием 10нс; регистровые П. у. ёмкостью в неск. десятков байт и быстродействием 0,51нс.

Назначение П. у. определяет тип ЭП, используемыхв П. у. Напр., для кеш-П. у. применяются, как правило, биполярные схемы, <для оперативного II. у. - ДЗУПВ или СЗУПВ.

Архитектура П. у. Под архитектуройП. у. понимается логич. организация совокупности аппаратных средств объединенияЭП. П. у. можно разделить но способам доступа к содержащейся в них информациии разрядности (числу одновремено считываемых бит информации). Существуютпроизвольный и последоват. метод доступа (чтения или записи) к информациив П. у. При произвольном методе доступа обращение происходит либо по заданномуномеру ЭП, либо по ассоциативному признаку информации (заданному коду),определяющему номер ЭП. Простейшим примером ассоциативного доступа являетсяпоиск файла на магн. ленте по его имени (признаком является имя файла).

Кол-во одновременно записываемых (считываемых)бит определяет разрядность П. у. Увеличение разрядности П. у. приводитк снижению времени доступа к необходимой информации. Развитие архитектурыП. у. идёт по пути распараллеливания операций записи (считывания) информации(создание т. н. многопортовых П. у.), использования объёма носителя (объёмныеП. у.) [4] и др.

Лит.:1) Вуль В. А., Оптическиедисковые запоминающие устройства, "Зарубежная радиоэлектроника", 1980,№ 9; 2) Перспективы развития вычислительной техники, под ред. Ю. М. Смирнова, <кн. 9: Внешние запоминающие устройства на магнитном носителе, М., 1989;3) Полупроводниковые запоминающие устройства, под ред. Ю. И. Смирнова, <М., 1989; 4) Техника и технология интегральных схем будущего, "ТИИЭР",1986, т. 74, в. 12; 5) Лихарев К. К., Семенов В. К., Зорин А. Б., Новыевозможности для сверхпроводниковой электроники, в кн.: Итоги науки и техники. <Сер. Сверхпроводимость, т. 1, М., 1988; 6) Гиббс X. М., Оптическая бистабильность. <Управление светом с помощью света, пер. с англ., М., 1988; 7) Новые принципыоптической обработки информации, под ред. С. А. Ахманова, М. В. Воронцова, <М., 1990; 8) Рамбиди Н. Г., Замалин В. М., Молекулярная микроэлектроника:физические предпосылки и возможные пути развития, "Поверхность", 1986,№ 8.

В. Н. Задков, С. А. Филлипычев.