Дипломная работа: Машинная память

Рассмотрим некоторые примеры реализации функциональных устройств, в основу которых положены существенно различные физические явления.

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

Отметим, что устройства памяти, выполненные на принципах функциональной электроники с использованием зарядовых пакетов в качестве динамической неоднородности - носителей информации, обладают значительными возможностями для повышения плотности их упаковки и повышения доли выхода годных. Они, например, занимают на 60—70% меньшую площадь, чем однотранзисторные МДП-элементы. Схемы, выполненные на ПЗС-структурах, требуют меньшего количества обслуживающих схем, чем МДП ЗУ.

Создание приборов на ЦМД, как направление функциональной электроники, основано на непосредственном использовании доменной структуры ферромагнетиков. Фактически доменные устройства представляют собой однородную активную среду, в которой носителями информации являются цилиндрические (или плоские) магнитные домены, а ее переработка и хранение осуществляются за счет перемещения и взаимодействия этих доменов (см. 2.4).

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

Память на поверхностных акустических волнах. Направление функциональной электроники, которое охватывает устройства и приборы, использующие явления возбуждения, распространения и взаимодействия акустических волн с электронами проводимости в металлах и полупроводниках, получило название акустоэлектроники.

В устройствах акустоэлектроники используются звуковые волны высокой частоты (1 МГц—10 ГГц), как объемные, так и поверхностные. Преимущества поверхностных акустических волн (ПАВ)—малые потери на преобразование при их возбуждении и приеме, доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопровода, а также управлять характеристиками устройств. Именно эти преимущества и обусловили то, что большинство устройств выполняется на ПАВ.

ПАВ представляет собой волну механической деформации (упругую волну), распространяющуюся вдоль поверхности твердого тела или вдоль границы раздела твердого тела с другими средами. Благодаря сравнительно низкой скорости распространения волны возможно на ограниченном по длине пространстве ее распространения обеспечить существенную задержку сигнала во времени или осуществить динамическую запись информации значительного объема.

Особый класс нелинейных акустоэлектронных устройств составляют устройства, основанные на принципе запоминания и хранения сигнальной информации. В качестве носителей информации используется заряд объемных или поверхностных ловушек в полупроводниках, создание и запоминание зарядовых пакетов с помощью электронного пучка. Операции записи и считывания осуществляются с помощью ПАВ. Время хранения информации зависит от конкретного механизма запоминания и достигает нескольких недель.

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

Однако для обработки информации этими устройствами в диапазоне частот выше 1 ГГц требуется понижение частоты, что приводит к дополнительному искажению сигнала и усложнению конструкции системы.

Переход к частотам 1—20 ГГц осуществляется в устройствах на спиновых волнах, которые представляют собой волновой процесс ориентации спиновых магнитных моментов электронов, ответственных за ферромагнитные свойства вещества. Обусловлены спиновые волны обменным взаимодействием, благодаря которому изменение магнитного момента одного атома передается соседнему, и т. д. Возбуждение спиновых волн обычно осуществляется в тонких пленках железоиттриевого граната (ЖИГ) на неферромагнитной подложке. Пленка находится в статическом магнитном поле, приводящем вещество  в состояние магнитного насыщения, благодаря чему обеспечивается исходная ориентация спинов.

Линии задержки на спиновых волнах характеризуются малыми потерями, возможностью осуществить несколько выводов информации.

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

Большими функциональными возможностями обладают устройства, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Действие этих устройств основано на использовании метода спинового эха—импульсного метода наблюдения ЯМР.

Сверхпроводниковые устройства памяти

Для всех наиболее важных элементов традиционной электроники имеются сегодня сверхпроводящие аналоги. Поэтому можно думать, что практически любое электронное оборудование может быть сконструировано на основе сверхпроводящих интегральных схем.

Не ставя перед собой задачи сколько-нибудь подробного рассмотрения этой новой захватывающей области электроники, остановимся кратко лишь на описании физических принципов работы некоторых устройств хранения и обработки информации на сверхпроводниках.

Криотронные переключатели и элементы памяти

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

Как известно, явление сверхпроводимости состоит в том, что сопротивление многих металлов и сплавов при охлаждении их до некоторой критической температуры, присущей данному материалу, становится равным нулю. Это состояние может быть разрушено не только повышением температуры выше Тк, но и внешним магнитным полем Нц или самим протекающим по сверхпроводнику током, если он превышает некоторое критическое значение.

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

Джозефсоновские туннельные контакты

Активными элементами сверхпроводниковой микроэлектроники являются так называемые джозефсоновские приборы: туннельные и мастиковые контакты или переходы. Свойства их были предсказаны в теоретической работе Джозефсона еще в 1962 г. С тех пор был выполнен большой объем экспериментальных исследований, в том числе по отработке технологии изготовления джозефсоновских приборов, однако решающего успеха, который бы поставил сверхпроводниковую микроэлектронику на один уровень с полупроводниковой (кремниевой), до последнего времени добиться не удалось.

Существует два основных типа джозефсоновских контактов — типа сэндвич и типа мостик (рис. 8. а, б). Классический джо-зефсоновский контакт представляет собой туннельный переход с толщиной диэлектрического слоя менее 5 нм, разделяющего два сверхпроводника. В такой структуре ток может протекать через переход даже при нулевом напряжении на нем за счет квантово-механического туннельного эффекта, хотя в классической физике диэлектрик не может проводить ток.

Открытие Джозефсона состояло в том, что он предсказал возможность туннелирования сверхпроводящего тока через диэлектрический барьер.

Рис 8 а - типа сэндвич; б - типа мостик       

При больших токах или при действии на контакт хотя бы слабого магнитного поля на переходе возникает разность потенциалов, что означает появление у перехода определенного сопротивления. На этом принципе могут быть построены туннельные джозефсоновские криотроны.

Проблемы и перспективы машинной памяти

(Заключение)

В настоящее время существует очень много всевозможных технических средств записи и хранения информации, причем их число уже настолько велико, что сказать о каждом не представляется возможным. ЗУ, удовлетворяющее современным требованиям, может быть реализовано при использовании различных физических эффектов. В рассмотренных примерах это были эффекты магнетизма, физики полупроводников, оптики.

Возможность использования электронных лучей для записи и считывания информации всегда привлекала внимание разработчиков ЗУ. Такие свойства электронных потоков, как относительная простота управления траекториями движения электронов (вследствие наличия у них заряда), малая длина волны де Бройля и возможность получения высокой плотности энергии, обусловливают перспективность их применения в ЗУ. Поэтому переход к использованию электронных лучей в накопителях при увеличении плотности записи информации представляется закономерным.

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

Информация в электронно-лучевых ЗУ представляется в виде локальных изменений свойств поверхности информационного носителя. Наиболее распространены способы записи, основанные на изменении прозрачности носителя, его отражательной способности, геометрии поверхности, намагниченности и накопленного заряда. Рассмотрим их подробнее.

Запись изменением прозрачности или отражательной способности носителя информации. При этом способе записи на информационном носителе необходимо получить заданный точечный рисунок в соответствии с записанной информацией. Носитель информации - тонкая пленка или фольга - условно поделен на элементарные участки, каждый из которых используют для записи одного бита информации.

При записи информации прозрачностью элементарных участков можно управлять с помощью перфораций отверстий или изменением толщины носителя информации. Для считывания информации электронный луч в соответствии с кодом адреса устанавливают в заданную область носителя. Параметры луча изменяются в зависимости от записанной информации. При считывании 1 электроны проходят через отверстие в носителе и попадают на регистратор. Таким образом, сигнал, снимаемый с регистратора электронных потоков, соответствует считываемой информации. При этом ток электронного луча, попадающего на регистратор, достаточно мал и его необходимо усиливать.

Запись изменением геометрии поверхности носителя. В электронно-лучевой памяти широко применяют и термопластическую запись информации. Запись на термопластиках осуществляют методом деформации поверхности носителя. Под действием сил притяжения, вызванных электрическими зарядами в размягченном слое диэлектрика, на поверхности носителя образуется рельеф, который служит изображением записанной информации. Для стирания записи достаточно нагреть термопластик до температуры, большей температуры проявления. При этом рельеф сглаживается и поверхность его выравнивается.

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

Запись с изменением намагниченности носителя. При этом способе запись информации осуществляют нагревом магнитного материала до точки Кюри. Для записи нуля электронный луч направляют на один из изолированных участков намагниченной пленки, вызывая нагрев его до температуры выше точки Кюри. При этом пленка на указанном участке (число которых должно быть, по крайней мере, не меньше количества бит запоминаемой информации) размагничивается. Таким образом, носитель с записанной информацией состоит из намагниченных и размагниченных участков пленки.

Носителем информации может служить и сплошная пленка из сплава марганец-висмут. Если при записи нагреть участок пленки выше точки Кюри, то после охлаждения вектор намагниченности в нем изменит свое направление. Плотность записи информации, допускаемая магнитной структурой пленки, составляет 109 бит/см2. Для считывания информации можно регистрировать вторичные электроны, испускаемые магнитным носителем. Для увеличения сигнала считывания на носитель целесообразно наносить тонкую пленку из материала с высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии.

Запись при помощи накопленного заряда. Известно, что взаимодействие ускоренных заряженных частиц с полупроводниками приводит не только к нагреву, но также к ионизации их атомов и к генерации электронно-дырочных пар. Такую память называют электронно-оптической. Если облучать полупроводник электронами с энергией 10—15 кэВ, то в мишени образуется несколько тысяч электронно-дырочных пар, представляющих собой динамические неоднородности. Если образовавшиеся пары быстро и эффективно разделить, то можно получить соответствующий импульс тока (при импульсном облучении) и соответствующие заряды на обкладках мишени.

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

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

Различные направления машинной памяти развиваются неравномерно. Связано это как с наличием необходимой элементной базы, так и с недостаточностью традиционных средств реализации. Если весь путь развития того или иного направления условно представить в виде цепочки: физические принципы - нахождение и создание необходимых материалов - разработка конструкций - создание технологии - промышленное производство, то на сегодняшний день представляется справедливой следующая картина. Магнитная память на лентах, дисках и т. п. и полупроводниковая память на БИС и СБИС достигли стадии развитого производства; память на ЦМД, ПЗС, оптические дисковые накопители, электронно-оптические, акустические ЗУ начинают выходить постепенно в опытное производство, а в некоторых случаях и в стадию промышленного освоения; голографические, оптоэлектронные, сверхпроводниковые устройства памяти находятся в стадии лабораторных исследований, а разработки молекулярных и биохимических носителей - все еще в стадии отыскания физических принципов. Очевидно, перспективы развития искусственных систем хранения информации должны быть связаны и с использованием новых физических принципов и явлений.

В последнее десятилетие в развитии ряда направлений оптоэлектроники достигнуты очень значительные успехи, которые косвенно, а иногда и прямо способствуют решению проблемы оптической памяти. Созданы полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излучения, позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается интегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптические элементы заменяют тонкопленочными. 

Тонкопленочные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключения может быть менее наносекунды.

Интересны соображения, касающиеся возможности использования в оптических ЗУ принципа фотовыжигания спектральных провалов в спектрах примесных молекул в низкотемпературных матрицах. Физическая сущность явления сводится к высокоселективному фотопреобразованию неоднородно расширенных (10 нм) примесных спектров при воздействии монохроматического излучения на фотоактивные примесные молекулы через узкие (10-5—10-3 нм) линии поглощения. Плотность записи на таком носителе может достигнуть фантастической цифры—1012 бит/см2, однако кроме подходящих носителей для реализации ЗУ нужны еще и перестраиваемые лазеры, и системы обеспечения сверхнизких (вплоть до 0,05 К) температур.

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

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

При создании машинной памяти нужно еще многому учиться у мозга, хотя и не следует его слепо копировать. Чисто технический потенциал, например, у голографических ЗУ намного богаче, чем возможности мозга.

Взять лучшее у обоих видов памяти человеческой и машинной - таково стремление разработчиков. Высокая плотность записи, большая емкость памяти высокое быстродействие, способность восприятия и аналоговой, и цифровой информации, сочетание адресного и ассоциативного поиска, объединение последовательного и параллельного принципов ввода/вывода информации, высокая долговечность и надежность хранения - вот основное, чем хотелось бы наделить ЗУ будущего.

Список литературы

Абакумова В.И. Запоминающие устройства ЦВМ.Учебное пособие М. 1970.

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

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