Дипломная работа: Машинная память

Ульяновский государственный технический университет

Кафедра: "Вычислительная техника"

Введение

Внедрение в практику техники переработки информации различных классов вычислительных машин является характерной чертой современного этапа научно-технического прогресса. Область применения вычислительной техники непрерывно возрастает, разрабатываются новые вычислительные машины с улучшенными параметрами. В них уже сегодня закладываются некоторые принципы, характерные для построения и работы мозга - самого сложного и загадочного из известных нам творений природы.

Электронные вычислительные машины следующих поколений по своим функциональным характеристикам, возможно, с некоторыми допущениями будут сравнимы с памятью человека. Такой машине будет достаточно поставить задачу, и она сама определит, как её решать. Критериями её "умственных способностей" будут объём памяти, возможности образования логических цепей, способность к целенаправленному поведению в незнакомой информационной среде и другие не менее важные качества. Такие машины можно будет сравнивать с мозгом человека не только по принципу построения, но и по количеству запоминаемой информации.

Сегодня совершенствование вычислительных машин находится в прямой зависимости от развития и совершенствования устройств памяти, основными показателями которой являются ёмкость, быстродействие, надежность работы, экономичность.

При создании любой вычислительной системы наиболее сложной и, как правило, проблемной задачей является создание устройств как внутренней, так и внешней памяти. В последние годы в этой области были достигнуты значительные успехи благодаря разработкам новых электронных приборов, новых структур вычислительных устройств и систем математического обеспечения.

Своими успехами техника хранения и обработки информации в значительной степени обязана успехам в области микроэлектроники и в особенности в разработке больших и сверхбольших интегральных схем. Однако, как это можно проследить на примере полупроводниковой техники, только интеграция элементов в силу ряда причин не обеспечивает положительного результата. Микроэлектроника в своём развитии может вскоре столкнуться с рядом проблем, которые станут своеобразным тормозом на пути дальнейшего развития интегральных схем памяти, надежности их работы. Очевидно, перспективы развития элементной базы устройств хранения информации должны быть связаны и с использованием новых сред, новых физических принципов и явлений, которые могу быть положены в основу создания устройств с качественно иными, более высокими технико-экономическими показателями.

В настоящее время существуют различные виды машинной памяти. Одни конструктивно-технологически хорошо развиты, другие находятся на стадии становления. В то же время информация об особенностях построения и функционирования элементов памяти различных типов запоминающих устройств рассредоточена в отдельных публикациях, монографиях, а также в отдельных главах книг по вычислительной технике. Такое положение затрудняет ознакомление с состоянием и перспективами развития этого важного направления информатики и вычислительной техники.

В данном реферате сделана попытка обобщить и систематизировать наиболее важные сведения о принципах действия, физических особенностях построения и информационных возможностях различных типов запоминающих устройств.

Общие сведения о памяти и запоминающих устройствах

Информация и память

Одна из удивительнейших способностей живого организма - способность воспринимать, хранить и обрабатывать разнообразную информацию. Поиск аналогичных качеств, присущих в одинаковой степени и искусственным системам, привел к созданию новой науки - кибернетики.

Кибернетика в момент своего рождения (в конце сороковых - начале пятидесятых годов нашего столетия) привлекла всеобщее внимание главным образом потому, что указала на подобие процессов управления и связи в машинах и живых организмах, подчеркнула, что эти процессы имеют информационный характер. Объект управления (будь то машина, биологическая система или коллектив людей) и управляющее устройство (нервная ткань живого организма, автомат) обмениваются между собой информацией.

Между отдельными элементами какой-либо кибернетической системы и между различными системами существуют связи, посредством которых они взаимодействуют друг с другом. Эти связи могут состоять в обмене энергией или веществом между взаимодействующими объектами. Однако связи могут быть и такими, когда на передний план выступает на преобразование энергии, а информационное их содержание, т.е. сведения, получаемые данным объектом о состоянии других объектов.

Понятие информации, таким образом, может быть использовано для описания поведения системы: процессы в системе могут быть описаны как процессы преобразования информации. Такой способ описания не только возможен, но даже вполне естествен и оправдан. Информация - это физическая величина, такая же, как, например, энергия или скорость. Определенным образом и в определенных условиях информация равным образом описывает как процессы, происходящие в естественных физических системах, так и процессы в системах, искусственно созданных. При этом информационные связи осуществляются посредством сигналов, циркулирующих в системах. Сигнал - физический носитель информации.

Разумеется, в разных системах могут быть различными по своей природе носители информации: звуковые, световые, электрические, механические и др. Однако независимо от материального носителя информации процессы её передачи подчиняются общим количественным закономерностям.

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

Рис. 1.

Пусть на вход поступает некоторый сигнал S_t . Система реагирует на это воздействие появлением на выходе сигнала S_ , который обязательно будет запаздывать по отношению к входному сигналу на некоторое время  - время задержки в системе - и обязательно подвергнется некоторой модификации. Время задержки  является, как правило, нежелательным свойством канала и должно быть по возможности минимизировано. С другой стороны, любое устройство хранения информации можно рассматривать как канал связи, также осуществляющий передачу информации со входа на выход, но одновременно обеспечивающий задержку этой информации на некоторой, желательно регулируемое время, которое можно назвать временем хранения информации.

Накопление информации.

Способность к накоплению и хранению информации, т.е. наличие памяти, - одной из важнейших свойств любой кибернетической системы, без которого немыслимо её целесообразное функционирование.

Физическую систему называют запоминающим устройством (ЗУ) или, в информационном смысле, каналом накопления, если она обладает способностью обеспечивать достаточно длинный временной интервал между моментами прихода и использования информации.

Это значит, что сигнал S_t , относящийся к моменту времени t, может быть воспроизведен с помощью такой системы в любое произвольное время  в виде сигнала S_ 

Простейшая системная модель, обладающая свойством памяти, состоит из запоминающей среды, которая включает в общем случае множество элементов, связанных так или иначе с каналом ввода и вывода информации. Основное свойство такой среды заключается в способности фиксировать и сохранять во времени следы информационных воздействий, а затем при определённых условиях частично или полностью воспроизводить их. Для этого необходимо иметь некоторую систему элементов, состояние которых можно было бы изменить желаемым образом. Эти изменения могут происходить либо непрерывно, либо скачкообразно. В первом случае говорят о запоминающих элементах аналогового типа, во втором - об элементах дискретного типа.

Необходимый элементный состав запоминающей среды определяет способ представления информации. В вычислительной технике используются элементы памяти дискретного типа, пригодные для запоминания двоичного кода. Такой выбор кода записи обусловлен тем, что в физическом мире наиболее просто реализуются системы, обладающие двумя устойчивыми состояниями. Соответственно запоминающая среда должна содержать набор бистабильных элементов, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях. В основе действия таких элементов - принцип статического хранения за счёт вынужденного перехода элемента из одного состояния в другое и последующего длительного сохранения этого состояния.

Таким образом, среда - носитель информации - должна хранить в виде следа навязанное ей состояние, которое в идеальном накопителе должно остаться неизменным в течение всего данного промежутка времени хранения. Однако под влиянием внешних воздействий, а также внутренних процессов, свойственных всякой системе, к началу считывания информации состояние среды неизбежно изменяется.

Воспроизведение информации.

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

Для воспроизведения информации из памяти необходимо активировать определённую группу запоминающих элементов, составляющих ячейку памяти. При этом активирующее воздействие должно иметь такую природу, чтобы запоминающие элементы под его влиянием вырабатывать сигнал, соответствующий его состоянию. Кроме того, оно должно быть индифферентным - одинаковым для любой ячейки независимо от их содержимого. Если состояние запоминающих элементов однозначно соответствует сигналу, пришедшему на вход записи, то эта информация будет воспроизведена.

При использовании некоторых физических сред считывании приводит к разрушению хранящейся в ячейке информации. В этом случае после каждого считывания необходимо производить запись той же самой информации в ту же ячейку.

Запись информации в какую-либо ячейку и её считывание (с восстановлением) из какой-либо ячейки памяти производится за время, называемое периодом обращения. Время, необходимое для считывания информации из ячейки памяти, называют временем выборки.

Одной из характеристик систем памяти является метод поиска информации.

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

Тип поиска, при котором происходит обращение к какой-либо ячейке ЗУ по её номеру независимо от содержания искомой информации, называется адресным. В машинной памяти адресный принцип получил самое широкое распространение. Но это не единственный способ описка отдельных объектов информации.

Информация может быть выбрана и по некоторым её признакам или по некоторой известной её части. Такой принцип поиска - его можно назвать ассоциативным - характерен, в частности, для биологических систем. При этом на входе появляется некоторый ключ - стимул, а на выходе памяти формируется специальная ответная реакция, связанная с ключом. Как стимул, так и ответная реакция представляют собой сложные сигналы - образы. Помимо этого на входе может быть указана дополнительная информация, с помощью которой можно долее точно конкретизировать элемент, подлежащий выборке. С созданием ассоциативных ЗУ коренным образом меняется структура вычислительных машин и по-новому осуществляется управление сложными сигналами.

Мозг и машина

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

Уже созданные и вновь разрабатываемые машины во многом уступают человеку. Хотя они и начинают уже выполнять некоторые функции интеллекта человека, они не способны мере мыслить как человек, не могут как человек ставить цели, которые в дальнейшем должны быть достигнуты.

Но вместе с тем уже сейчас они значительно превосходят человека по скорости выполнения вычислительных и логических операций при большом числе логических переменных. Очень важно, что современные ЭВМ способны воспринимать и перерабатывать не только числовую, но и символьную информацию. С тех пор, как машины начали оперировать с символьной информацией, оказался открытым путь для развертывания работ по приданию машине способности к выполнению функций мыслящего человека. В этом смысле и название "вычислительные" по отношению к ЭВМ является сейчас по меньшей мере условным, не отражает всех их возможностей.

Сопоставим возможности современной вычислительной техники и мозга человека. Сравнение проведем по трём важнейшим параметрам: скорости обработки информации, ёмкости памяти и надёжности функционирования. Для ЭВМ, использующих цифровой механизм обработки информации, эти параметры определяются количеством арифметических операций в секунду, объёмом (количеством) хранимой информации в битах и вероятностью сохранения основных параметров в заданных пределах в течении заданного промежутка времени.

Что касается работы мозга, то дать сколько-нибудь точную количественную оценку этих параметров не представляется возможным. Вся информация, которая вводится в память машины при условии её исправного функционирования, запоминается, сохраняется и может быть воспроизведена, т.е. отношение количества воспроизведенной информации к принятой равна единице. У человека же количество воспроизведенной информации, как правило, оказывается меньше воспринятой, т.е. наблюдаются некоторые потери информации, особенно при её фиксации. С другой стороны человек никогда не сталкивается с ситуацией, когда его память настолько загружена, что он не способен воспринимать новые порции информации. Мозг, который заключён в ограниченном объёме и содержит пусто очень большое, но конечное число элементов, никогда не переполняется информацией, непрерывно поступающей из окружающей среды. Это свойство объясняется, конечно, не беспредельной ёмкостью памяти, а спецификой механизмов, предохраняющих человеческую память от "переполнения".

По быстродействию (скорости записи и воспроизведения информации) машинная память значительно превосходит память человека.

Скорость срабатывания элементов, на основе которых строятся современные ЗУ, определяется в конечном счете скоростью протекания электронных процессов, в то время как скорость срабатывания биологических элементов - нервных клеток - определяется скоростью протекания значительно более инерционных процессов.

Однако простое сравнение по быстродействию мозга человека с машиной едва ли можно назвать достаточно наглядным, учитывая то обстоятельство, что они характеризуются совершенно несоизмеримыми информационными ёмкостями. Поэтому будем считать вычислительную мощность мозга равной мощности ЭВМ, которая потребуется , чтобы смоделировать его работу, а объём памяти - равным памяти ЭВМ, в которой можно записать всю информацию, хранимую в нейронных связях мозга. В память машины записываются адреса конца и начала каждой связи между нейронами, степень влияния данного входа на состояние нейрона, пороги возбуждения нейронов и т.д.

Для упрощенной модели нейрона (рис. 2) передаточная

Рис. 2

функция может быть записана в виде S = S_ф + _i S_i , где параметры _i характеризуют активность синапсов; S_ф - фоновая активность. При передаче сигнала по межнейронной связи выполняется одна аналоговая операция умножения. Затем сигналы суммируются с остальными на входе нейрона. Таким образом, на каждый акт прохождения сигнала по межнейронной связи приходится одна операция умножения и одна - сложения. Число одновременно выполняемых операций при работе всего мозга равно числу его межнейронных связей, а общая вычислительная мощность равна числу межнейронных связей, умноженному на частоту повторения сигнала. При моделировании работы мозга на ЭВМ все эти операции выполняются цифровым способом. Необходимая для этого мощность машины должна быть не менее вычислительной мощности мозга. Если принять число межнейронных связей равным 10¹⁴ , а частоту повторения сигнала - 10² с^-1 , то эквивалентная вычислительная мощность мозга равна 10¹⁶ операций в секунду.

Обычная вычислительная мощность ЭВМ порядка 10⁸ операций в секунду, а мощность отдельных уникальных машин приближается к 10⁹ операций в секунду. Значения 10⁹ и 10¹⁶ отражают не столько количественную разницу, сколько качественный скачок в технологии обработки информации. Для реализации параллельных алгоритмов обработки информации, как в мозге человека, требуются принципиально новые технические средства, во много раз более мощные, чем существующие.

Рассмотрим теперь другую проблему. Расширение функциональных возможностей систем хранения и обработки информации связано с усложнением их структур и увеличением количества их элементов. Основным препятствием при увеличении числа элементов системы служит проблема её надёжности. Мозг же представляет собой супермногоэлементную систему, но тем не менее безотказно служит человеку всю жизнь. По-видимому, природа каким-то способом нашла возможность обойти закон жёсткой обратной зависимости надёжности от число активных элементов.

Технические элементы памяти строятся на основе высоконадёжных запоминающих элементов. Но для сложной системы, содержащей большое количество элементов, это может оказаться недостаточным. Работоспособность системы памяти определяется как физическими особенностями носителя информации, так и его информационной структурой. Надёжность нейронов значительно ниже надёжности электронных элементов ЗУ, однако биологическая система сохраняет способность функционировать, запоминать и выдавать информацию даже при серьёзных повреждениях, когда выводятся из строя миллионы нервных клеток. Поэтому необходимо строить систему машинной памяти так, чтобы нарушение работы какого-либо элемента или части её элементов не было критическим, не привело к нарушению нормального её функционирования. Задача построения надёжно работающих систем на недостаточно надёжных элементах - одна из главных задач в кибернетике.

Существуют различные способы обеспечения надёжного функционирования сложных систем. Одним из них является построение систем с избыточным числом элементов, в которой в случае нарушения работы некоторых элементов их функции берут на себя другие, автоматически включающиеся в работу. Так часто происходит в живой природе как на уровне клеток, так и целых органов. В технических системах при наличии в них избыточных элементов замена ими вышедших из строя производится сравнительно легко при условии, что система строится на базе так называемых однородных структур. Имеется большое количество однотипных ячеек, являющихся первичными элементами, и при отказе в работе одной из них автоматически включается другая, к этому времени не занятая.

Весьма эффективным способом повышения надёжности сложных систем является преобразование информации, при котором переходят от обычной, естественной пространственно-временной формы её представления к частотно спектральной форме, в которой далее она хранится, обрабатывается и передаётся по каналам связи. Очень важно, что структурная избыточность дополняется различными видами функциональной, в частности воспроизведение этих свойств в технических средах позволяют высоконадёжные информационно-перерабатывающие самоорганизующиеся адаптивные системы переменной структуры, обладающие способностями к приспособлению.

Основные характеристики, классификация и иерархия ЗУ

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

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

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

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

Быстродействие ЗУ характеризуется его временными характеристиками, к которым относятся: время обращения к ЗУ при записи и считывании информации, время записи информации, время считывания или выборки информации. Время обращения (время цикла) характеризуем максимальную частоту обращения к данному ЗУ при считывании или записи информации. Время считывания или выборки информации - интервал времени обращения к ЗУ до получения выходного сигнала от подачи сигнала считывания. Время записи информации - интервал времени от момента подачи сигнала обращения к ЗУ до момента готовности информации к считыванию.

Надёжность ЗУ определяется числовыми значениями параметров конструктивной и информационной надёжности. Под конструктивной, или элементной, надёжностью понимают вероятность безотказной работы всех элементов или устройства в заданном интервале времени и заданных условиях эксплуатации. Таким образом понятие конструктивной надёжности совпадает с общепринятым определением надёжности радиоэлектронных устройств.

Количественно конструктивную надёжность можно выразить произведением

Р = q_г q_б ,

где q_г - готовность устройства к работе, т.е. вероятность его исправности к началу работы

qг = (1 + t_рем )^-1

q_б - вероятность безотказной работы устройства в течении заданного промежутка времени, т.е. вероятность невыхода его из строя:

q_б = (1 +t_раб )^-1 , _i .

- интенсивность отказов, или средняя частота отказов в час; n - количество элементов устройства, а _i - средняя частота отказов отдельных элементов; t_рем - среднее время нахождения и устранения отдельных неисправностей; t_раб - время работы системы. Среднее время безотказной работы устройства T_ср = 1/.

Информационная надёжность ЗУ определяет способность устройств сохранять, принимать и выдавать требуемую информацию без её искажения. Численно информационная надёжность может быть оценена соотношением амплитуд информационных и сигналов помех в моменты записи и считывания информации. Большое отношение амплитуд сигналов и помех гарантирует высокую информационную надёжность.

Важными характеристиками ЗУ, как и любого другого устройства машины, являются также габариты, масса, потребляемая мощность и стоимость. Кроме того, к специальным ЗУ предъявляют особые требования по параметрам механических и климатических воздействий.

Классификация ЗУ. Запоминающие устройства можно классифицировать в зависимости от особенностей их построения и функционирования по назначению, адресации информации, характеру хранения информации, по кратности считывания, физическим принципам работы запоминающих элементов, технологии изготовления запоминающих элементов.

По назначению ЗУ делятся на кратковременные и долговременные. В свою очередь, ЗУ с долговременным хранением делятся на постоянные ЗУ (ПЗУ) и полупостоянные ЗУ (ППЗУ). Характерной чертой ПЗУ и ППЗУ является сохранение информации при отключении источников питания. При этом в ПЗУ возможна лишь однократная запись информации, производимая либо а процессе производства, либо в результате программирования. В ППЗУ возможно многократное изменение хранимой информации при эксплуатации.

ЗУ с кратковременным хранением информации используются для хранения оперативной часто меняющейся информации. В этих ЗУ отключение источников питания, как правило, приводит к потере хранимой информации. Следует отметить, что ППЗУ при сокращении длительности цикла записи могут быть использованы и для хранения оперативной информации. Разумеется, ППЗУ могут быть в большинстве случаев использованы и в качестве ПЗУ.

По адресации ЗУ могут быть с произвольной, последовательной и ассоциативной выборкой. В ЗУ с произвольной выборкой (или доступом) время обращения не зависит от адреса числа в устройстве. В ЗУ с последовательной выборкой для нахождения числа по определённому адресу необходимо последовательно просмотреть все ячейки, предшествующие заданной. Очевидно, что в этих устройствах время обращения зависит от адреса. Для поиска определённой информационной единицы в таком ЗУ неоходимо сначала отыскать соответствующий массив, а затем информационную единицу в этом массиве.

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

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

По кратности считывания различают ЗУ со считыванием без разрушения информации и ЗУ со считыванием с разрушением информации. В последнем случае для сохранения информации необходимо восстанавливать (регенерировать) считанную информацию в каждом цикле обращения к ЗУ, чтобы иметь возможность её последующего использования.

По физическим принципам работы запоминающих элементов ЗУ делят на магнитные, полупроводниковые, сверх проводниковые и т.д. в современных ЭВМ наиболее широко используют двоичную систему счисления. Поэтому для кодирования и хранения информации могут использоваться различные физические процессы, определяющие два различных состояния вещества, например различные состояния намагниченности магнитных материалов, наличие или отсутствие заряда в данной области полупроводника или диэлектрика, конечное электрическое сопротивление участка цепи и нулевое сопротивление этого же участка, возникающее вследствие эффекта сверхпроводимости некоторых веществ, и т.д.

Создание блоков памяти, обладающих достаточно большой ёмкостью и в то же время приемлемых по габаритам и экономичности, может быть реализовано только при условии максимальной миниатюризации как всего блока памяти в целом, так и основной его части - накопителя информации. Наибольшие успехи в микро миниатюризации в настоящее время достигнуты при использовании полупроводниковых элементов, выполняемых по интегральной технологии, что в значительной мере и определило широкое применение их в системах памяти современных ЭВМ.

Иерархия запоминающих устройств

Совершенствование современных систем обработки информации связано с совершенствованием их памяти, т.е. с созданием памяти, обладающей большой информационной ёмкостью, высоким быстродействием и надёжностью и низкой стоимостью. Так как требуемое сочетание всех параметров в одном типе ЗУ получить не представляется возможным (с увеличением ёмкости ЗУ снижается его быстродействие), то единственный путь решения этой проблемы - объединение в систему различных (а иногда и однотипных) ЗУ в целях получения такой структуры памяти, которая максимально удовлетворила бы приведённым выше требованиям.

Структура памяти, в которой можно выделить несколько различных по характеристикам уровней, называется иерархической. При иерархической организации структуры памяти обычно каждый уровень (ступенька) памяти с большим быстродействием имеет меньшую емкость ЗУ, использующиеся на самом высоком уровне иерархии, имеют наименьшую информационную ёмкость и наибольшее быстродействие. Эту память часто называют набором регистров и иногда относят к устройствам обработки, она позволяет выполнять некоторые логические и арифметические операции.

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

На третьей ступени иерархии находится большая быстрая память, называемая оперативной. Оперативные ЗУ (ОЗУ) имеют более значительную информационную ёмкость и работают с циклом, в несколько раз большим цикла процессора. Для увеличения скорости обмена информацией между процессором и ОЗУ последние иногда разделяют на несколько модулей (блоков или секций) и обращаются к различным блокам непосредственно или через СОЗУ.

На самом нижнем уровне иерархии находится относительно медленная, но вместительная внешняя память. Во внешнем ЗУ (ВЗУ) обычно хранится вся вводимая в машину информация. Чтобы избежать усложнения конструкции системы, к внешним ЗУ не предъявляются требования по быстродействию. ВЗУ являются наиболее экономичными для хранения больших массивов информации.

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

При иерархическом принципе построения ЗУ логическая организация потоков информации производится таким образом, чтобы все вместе взятые типы ЗУ выступали в виде единого ЗУ, имеющего большую информационную ёмкость (за счёт внешних ЗУ) и высокое быстродействие (за счёт внутренних ЗУ). Такое абстрактное ЗУ называют виртуальным. Так, например, при двухступенчатой организации ЗУ, содержащего ОЗУ и СОЗУ, среднее время обращения

t = (1 + T/T₁ )T₁ ,

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

Магнитные устройства памяти

Магнитная запись

Необходимость хранения больших массивов информации привела к использованию в ЗУ известного в технике принципа записи сигналов на магнитную поверхность.

Физической основой магнитной записи сигналов является свойство ферромагнитных материалов сохранять состояние остаточной намагниченности.

Основные принципы записи информации. Магнитная запись основана на взаимодействии магнитного носителя информации и магнитной головки при их относительном перемещении. При записи изменяющийся во времени электрический ток преобразуется в локальные изменения намагниченности носителя.

В качестве записывающей или считывающей головки используется специально сконструированный, чаще всего кольцевой, электромагнит с щелью, по обмотке которого пропускают импульсный ток. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод собирают из тонких пластин магнитомягких сплавов или делают из феррита. Считывание производится без разрушения хранящейся информации и может выполняться многократно.

Характерной особенностью магнитной записи является то, что она не нуждается в какой-либо промежуточной обработке и может быть воспроизведена немедленно. Запись легко может быть "стерта".

Такой процесс осуществляется отдельной стирающей головкой, через обмотку которой обычно пропускается ток высокой частоты. Высокочастотное поле многократно меняет ориентацию диполей, приводя к тому, что их ориентация вновь становится хаотической.

При магнитной форме записи информация в целях увеличения ёмкости запоминающих устройств стремятся как можно полнее использовать рабочую поверхность носителя. Степень её использования определяется плотностью записи информации, т.е. количеством двоичных знаков, размещающихся на единице площади носителя. Плотность записи зависит от характеристик магнитного носителя, конструкции головки, величины зазора между носителем и головкой, используемого способа записи и других факторов.

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

Накопители на магнитных барабанах, дисках, лентах, картах

Хотя характеристики и конструкции ЗУ, в которых используется магнитная запись, могут быть очень разными, в основе процесса хранения для каждого из них лежит запоминание 0 или 1 на небольшом участке магнитного материала. В каждом случае запоминающая среда динамическая, так как носитель информации перемещается относительно считывающего или записывающего устройства.

ЗУ с магнитной записью информации широко используется в качестве внешней памяти ЭВМ, что объясняется их большой ёмкостью при относительно небольших размерах, возможностью многократного применения носителя информации при стирании старой записи, большим сроком хранения записанной информации без её искажения, относительно высокой скоростью записи и воспроизведения информации.

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

Магнитный барабан представляет собой полый вращающийся цилиндр, поверхность которого покрыта слоем материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Вдоль поверхности барабана устанавливается ряд головок, производящих запись и считывание информации.

При вращении барабана небольшой участок его поверхности непрерывно проходит под одной из головок. Этот участок называется дорожкой. Каждая дорожка делится на ячейки, а каждая ячейка может запомнить один бит информации. Такого вида память называют памятью с циклическим доступом. Так как каждая ячейка при вращении барабана периодически проходит под головками.

Размеры и ёмкость памяти магнитных барабанов весьма разнообразны от небольших барабанов емкостью менее 200 000 бит до очень больших барабанов, которые могут хранить до 10⁹ бит информации.

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

При одинаковом физическом объеме информационная емкость на магнитных дисках более чем в 20 раз превышает емкость накопителей на магнитных барабанах. Внешняя память на магнитных дисках способна хранить более 10¹⁰ бит информации.

Накопители на магнитной ленте. Магнитная лента представляет собой гибкую пластмассовую пленку, на поверхность которой нанесен тонкий слой. Этот материал имеет петлю гистерезиса, близкую к прямоугольной, и отличается высокой однородностью параметров. Плотность записи до 64 бит/сек.

Накопители на магнитных картах. Магнитная карта представляет собой прямоугольный отрезок носителя с магнитным покрытием. Карты помещают в специальное хранилище - магазин. При обращении к ЗУ с целью записи или считывания информации специальное устройство осуществляет выбор или подачу из магазина заданной карты.

Память на магнитных сердечниках

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

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

Интегральные магнитные элементы памяти

Изготовление сердечников малых размером и их прошивка проводами сопряжены с определенными трудностями. Уменьшение толщины стенок делает сердечник хрупким, а разброс параметров существенно возрастает. Прошивка проводами сердечников - трудоемкий процесс, плохо поддающийся автоматизации. Эта операция в значительной степени выполняется вручную и поэтому не может быть.

Преодоление трудностей изготовления блоков памяти достигается применением методов интегральной технологии. При этом наряду с уменьшением размеров элементов памяти могут быть увеличением емкости блока памяти и повышено быстродействие.

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

Многоотверстные ферритовые пластины;

Тонкие магнитные пленки;

Плоские тонкие магнитные пленки;

Цилиндрические тонкие магнитные пленки.

Устройства памяти на основе управляемого движения магнитных доменов

Попытки дальнейшего повышения плотности размещения информации в интегральной магнитной структуре привели к использованию для хранения информации отдельных магнитных доменов. В сплошной магнитной среде, намагниченной в одном направлении, для фиксации информации создаются отдельные домены, намагниченные в обратном направлении. По существу, речь идет уже не об отдельных магнитных элементах, а о физически однородной информационной среде, в которой переработка и хранение информации осуществляется в результате перемещения и взаимодействия доменов.

В настоящее время существует два типа магнитной запоминающей среды на подвижных доменах: тонкие магнитные пленки с плоскими магнитными доменами (ПМД) и магнитные (или аморфные) пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД).

Полупроводниковые устройства памяти

Элементы полупроводникоывх интегральных схем

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

Однако основным видом машинной памяти по совокупности признаков в настоящее время является полупроводниковая память на интегральных схемах (ИС).

Это объясняется рядом причин.

По универсальности применения и удобству подключения полупроводниковые ИС нельзя сравнить ни с какими другими ячейками памяти. Немаловажно и то, что полупроводниковая технология имеет в своем арсенале достаточно средств для перевода на интегральную основу любых известных схемотехнических решений и создания новых схем.

В конструктивном отношении полупроводниковые ИС представляют собой полупроводниковый кристалл, в объеме или на поверхности которого сосредоточены изолированные друг от друга элементы, соединенные согласно электрической схеме. Обычно каждому элементу схемы соответствует локальная область материала, свойства и характеристики которой обеспечивают выполнение определенных функций. Основу составляет транзисторная структура, которая является базовой для реализации всех входящих в схему активных и пассивных элементов.

Для построения полупроводниковых ЗУ используются ИС на биполярных транзисторах и на полевых транзисторах со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-транзисторы).

В настоящее время четко обозначились два направления: в ИС на полевых транзисторах стремятся достичь максимальных степеней интеграции при умеренном быстродействии и малой потребляемой мощностью, тогда как на биполярных транзисторах строятся сверхскоростные ИС, которые можно было использовать как элементную базу сверхбыстродействующих ЭВМ.

Скорость переключения биполярного транзистора из одного состояния в другое , а значит и быстродействие ЗУ, определяется как параметрами самого прибора, так и схемой его включения. Практическая скорость срабатывания современных серийных элементов на биполярных транзисторах составляет 10^-9 - 10^-8 с. Минимальное время переключения определяется временем, в течение которого носители заряда проходят через базу транзистора бьлагодаря процессу диффузии.

В настоящее время наиболее распространенным материалом транзисторов является кремний. Подвижность электронов в кремнии ~ 0,1м² /(В*с). Наиболее перспективный материал для изготовления биполярных транзисторов ближайшего будущего - арсенид галлия (GaAs) - обладает подвижностью электронов около 1 м² /(В*с).

Полевые транзисторы имеют некоторое преимущество перед биполярными приборами. Они обладают высоким входным сопротивлением и могут работать при больших напряжениях на входе. Кроме того, управляемый ток в полевом транзисторе - это ток основных носителей заряда, который гораздо лучше реагирует на быстрые внешние сигналы.

Различные типы полевых транзисторов отличаются друг от друга принципом действия затвора. Существуют транзисторы, в которых роль затвора играют контакт металл-полупроводник, структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) и т.д.

Характерной особенностью МДП-транзисторов является чрезвычайно высокое сопротивление между электродами. Это позволяет использовать электроды транзистора в качестве емкостных накопительных элементов, потенциал которых сохраняется на определенном уровне в течение продолжительного времени после отключения внешнего источника. Практическая скорость срабатывания МДП-ячейки составляет 5*10^-9 с.

Элемент памяти - триггер. Транзисторы и логические схемы на их основе сами по себе элементами памяти быть не могут, так как после прекращения действия входного импульса сразу возвращаются в исходное состояние.

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

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

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

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

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

Очень часто транзистор сочетают с диодом Шотки. Диод Шотки в интегральном исполнении представляет собой контакт полупроводник (n-типа) - металл, на котором образуется так называемый барьер Шотки. Транзистор с барьером Шотки характеризуется большим коэффициентом усиления, малым инверсным коэффициентом передачи и значительным быстродействием.

Широкое распространение в логических и запоминающий устройствах получили интегральные схемы инжекционного типа. Их особенность - совместимость с технологией биполярных транзисторов, простота топологии и высокая плотность упаковки. На элементах инжекционной логики (И² Л) можно создавать компактные бистабильные триггерные схемы, а для повышения быстродействия в качестве коллекторов - использовать диоды Шотки.

Элементы памяти на МДП-транзисторах. Запоминающие элементы на биполярных и МДП-транзисторах обладают тем существенным недостатком, что даже кратковременное отключение питания приводит к разрушению записанной информации. Это затрудняет построение надежных полупроводниковых устройств памяти с электрической перезаписью информации. Поэтому большое значение приобретают бистабильные МДП-структуры, позволяющие создавать запоминающие элементы с электрической перезаписью и не разрушаемой при отключении питания информацией.

Принцип действия бистабильных МДП-транзисторов заключается в создании в слое диэлектрика объемного заряда, изменяющего пороговое напряжение. Этот заряд в диэлектрике может достаточно долго храниться при отсутствии на электродах транзистора напряжения. Для локализации заряда в структуре может быть использована граница раздела двух диэлектриков или созданный в диэлектрике специальный плавающий затвор. Бистабильным элементом первого типа является транзистор со структурой металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП). В основе работы МНОП-транзистора лежит накопление заряда на границе нитридного и оксидного слоев, что является результатом неодинаковых токов проводимости в том и другом слоях. Другой тип бистабильных МДП-транзисторов - это транзисторы с однослойным диэлектриком, внутри которого на небольшом расстоянии от поверхности расположен не имеющий внешнего вывода "плавающий" затвор. Информация хранится в виде заряда на изолированном затворе. Для стирания информации необходимо зарядить затвор - удалить инжекционный заряд.

Статические запоминающие элементы обычно строятся на основе триггеров. Они не требуют регенерации информации, могут неограниченно долго хранить ее при включенном питании и обладают высоким быстродействием. Их недостатки - достаточно большое постоянное потребление энергии и значительное количество приборов для построение ЗУ.

В схемах на МДП-транзисторах с каналами одного типа в режиме хранения информации практически полностью отсутствует потребление мощности (измеряется нановаттами). Существенное потребление мощности происходит только в режиме переключения.

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

Информация хранится здесь в виде заряда на конденсаторе, включенном между электродом информационного МДП-транзистора и общей точкой схемы. В качестве такого запоминающего конденсатора используется емкость затвора информационного транзистора и включенные параллельно ей соответствующие паразитные емкости.

Поскольку всегда имеется некоторая утечка заряда конденсатора, необходимо периодическое восстановление специальными восстанавливающими импульсами. Отсюда и название - динамическая память.

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

Запоминающие устройства на приборах с зарядовой связью

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

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

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

Рис. 3

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

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

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

Существуют различные способы организации ПЗС ЗУ. Они преследуют одну цель - создание конструкции, обеспечивающей при последовательном характере обработки информации увеличение эффективной скорости выборки.

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

Постоянные запоминающие устройства

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

Записанная первоначально в ПЗУ информация сохраняется в течение всего периода использования и не может быть изменена в процессе эксплуатации. Естественно, что это позволяет намного упростить необходимые коммутационные устройства и сами элементы памяти. При этом уменьшается также рассеиваемая мощность, поскольку отпадает необходимость в восстановлении информации, повышаются быстродействие и надежность работы.

Основу ПЗУ составляет двухкоординатная матрица элементов памяти (запоминающее поле). В качестве таких элементов используются диоды Шотки, биполярные и МДП-транзисторы. Обычно на кристалле вместе с матрицей запоминающих элементов располагаются схемы записи, дешифраторы, усилители, входные и выходные схемы, обеспечивающие согласование ЗУ с внешними устройствами.

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

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

В качестве диодов чаще всего используются транзисторы. На рис. 5. показаны типичные ячейки полупроводниковых ПЗУ, использующих биполярные и МДП-транзисторы. Принципы построения остаются теми же, но транзисторы могут совмещать в себе функции элемента связи и усилительного элемента.

Если ПЗУ изготовлено таким образом, что пользователь может электрическим (или каким-либо иным) способом записывать информацию в память, то такое ПЗУ является программируемым. Часто используют такую схему, где в каждой ячейке памяти предварительно установлены единицы: на каждом пересечении матрицы имеются плавкие перемычки или их аналоги. Запись или программирование ППЗУ производится “пережиганием” этих перемычек электрическим током определенной величины. Иногда память в начальном состоянии во всех ячейках содержит нули, а единицы вводятся пользователем.

Специфика работы ППЗУ заключается в том, что содержимое памяти может быть установлено по желанию пользователя, а позднее эту информацию можно стереть и записать новую. Разработаны типы ППЗУ со стираемой информацией, позволяющие неоднократно записывать требуемую информацию. Стирание можно производить электрическим током или ультрафиолетовым излучением. Как правило, ППЗУ выдерживают более тысячи циклов записи-стирания до возникновения необратимых изменений пороговых напряжений и проводимости канала запоминающих элементов.

При использовании для создания программируемой памяти бистабильных МДП-транзисторов матрица запоминающих элементов в исходном состоянии содержит транзисторы с одинаковыми пороговыми напряжениями. Запись информации осуществляется в результате инжекции носителей заряда в слой подзатворного диэлектрика, что приводит к изменению порогового напряжения заданных транзисторов.

В случае бистабильных МДП-транзисторов с плавающим затвором программирование ячейки осуществляется путем заряда плавающего затвора. Прикладывая к затвору достаточно большое напряжение, вызывают лавинный пробой в диэлектрике, в результате чего в нем накапливаются электроны. Соответственно меняется пороговое напряжение. Заряд электронов сохраняется в течение длительного времени, и записанную информацию можно воспроизводить многократно, обследуя (в процессе коммутации) проводимость между истоком и стоком. Стирание записи (нейтрализация заряда) производится при облучении матрицы ультрафиолетовым (или рентгеновским) излучением.

В ППЗУ на МНОП-транзисторах введение и выведение зарядов в диэлектрик осуществляется с помощью коротких высоковольтных импульсов разной полярности, подаваемых на затвор.

Проблема миниатюризации в устройствах полупроводниковой памяти

Современные ИС с высокой степенью интеграции представляют собой ансамбль огромного числа элементов (транзисторов), каждый из которых состоит из микроскопических областей полупроводника с вполне определенными свойствами. Все эти микроскопические области эмиттеров, баз, коллекторов, истоков, стоков, каналов, межсоединений и т. п. можно рассматривать как статические неоднородности в непрерывной среде кристалла, созданные с помощью технологических процессов. Обработка информации осуществляется ее продвижением из области одной статической неоднородности в другую, при этом происходит непрерывное изменение таких физических величин, как напряженность электрического поля, потенциалы, концентрации носителей и т. д. Размеры областей статических неоднородностей весьма малы, а с возрастанием степени интеграции они непрерывно уменьшаются.

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

Проблема межсоединений. Плотность размещения транзисторов в ИС определяется геометрическими (топологическими) и физическими факторами. Топологическая задача при создании ИС заключается в размещении транзисторов и соединений между ними на части поверхности пластины. При большом числе транзисторов в ИС сетка соединений необычайно сложна и, очевидно, будет занимать значительную часть площади поверхности пластины (до 85% для БИС).

Показано, что даже при оптимальном размещении и пренебрежимо малых размерах элементов существует предел для повышения степени интеграции N БИС и СБИС, определяемый монтажной площадью межэлементных связей на кристалле: N_max =(L/h_т )^5/6 , где L=(L₁ +L₂ )/2= sqrt(S_кр ) - усредненный линейный размер; L₁ +L₂ - периметр кристалла; S_кр - площадь кристалла; h_т - шаг трассировки.

Один из путей уменьшения занимаемой межсоединениями площади кристалла - это переход на многоуровневую разводку, например 12-уровневую вместо стандартной трехуровневой (внутриячеечные соединения, межъячеечные соединения, питание). Подсчитано, что уже при 20—25 тыс. вентилей на кристалле и 12-уровневой разводке полезно используемая площадь будет составлять около 50%. Однако надежность таких схем резко падает из-за неудовлетворительных контактов между уровнями, наличия ложных контактов через случайные поры в тонких слоях диэлектрика. Особенно высокие требования предъявляются к металлическим линиям и к межуровневому диэлектрику. Толщина металлических и особенно диэлектрических слоев не должна быть меньше 0,05 мкм.

Проблема межсоединений не сводится только к размеру занимаемой ими площади кристалла. Уменьшение топологических размеров существенно уменьшает сечение токоведущих линий и увеличивает отношение их длины к сечению. Следствием этого является увеличение сопротивления соединительных проводников и другие нежелательные явления. В частности, возрастают напряженности электрического поля, и приходится считаться с возможностью объемного или поверхностного пробоя диэлектрика.

Тепловые ограничения. Одним из физических факторов, ограничивающих плотность размещения транзисторов на поверхности кристалла, является отвод теплоты, выделяемой при работе ИС. Из-за энергетических ограничений предельные значения уровня интеграции и быстродействия не могут быть реализованы одновременно.

Быстродействие транзистора определяется временем переключения транзисторных ключей, или вентилей, , которое обратно пропорционально потребляемой мощности Р:  =А/Р. Здесь А - работа ключа на одно переключение. Повышение мощности в целях ускорения переключения, как правило, требует увеличения расстояния между отдельными элементами схемы для соблюдения необходимого теплового режима, что приводит к уменьшению плотности размещения элементов и увеличению задержки на распространение сигнала по линиям.

Мощность, рассеиваемая в кристалле в виде теплоты, должна быть меньше тепловой мощности, которая может быть отведена.

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

Легко видеть, как сильно снижает предельную степень интеграции сверхскоростных ИС ограниченность отвода теплоты и насколько важны поиски путей снижения потребляемой мощности в ИС.

Масштабирование (скейлинг параметров). В настоящее время наиболее распространенным методом уменьшения элементов и кристаллов ИС является масштабирование. Существует достаточно большая область геометрических размеров, где возможны преобразования при миниатюризации с использованием простых масштабных преобразователей, или скейлинга. Суть масштабирования в определении масштабных множителей F(K), с помощью которых параметры прибора, будучи уменьшены в К раз, выражаются через соответствующие параметры исходного прибора. Это позволяет, не изменяя технологических процессов и топологии ИС, улучшить параметры ИС пропорционально масштабу этого уменьшения.

При уменьшении размеров активных элементов их параметры улучшаются, а такое же масштабирование межсоединений приводит к ухудшению параметров: все значительнее проявляются такие нежелательные явления, как электромиграция вещества (процесс перемещения атомов проводника), увеличение волнового сопротивления, возрастает роль краевых емкостей межсоединений.

Таким образом, стратегия одинакового уменьшения всех линейных размеров ИС не является оптимальной. В практически важных случаях различным величинам придают различные масштабные коэффициенты. Масштабирование удачно применяется при уменьшении размеров элементов от 10 до единиц микрометра. Однако при переходе к длинам менее 1 мкм масштабирование неэффективно, необходимо учитывать ограничения, связанные с физическими эффектами, возникающими при малых геометрических размерах.

При заданном напряжении питания с уменьшением размеров растут электрические поля в диэлектрике и в обедненных областях полупроводника, что может привести к пробою р-n-переходов и диэлектрика, появлению “горячих” электронов и туннелированию их в диэлектрический слой.

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

Трехмерные интегральные схемы. Общая тенденция неограниченного роста степени интеграции ИС диктует поиски конструктивных решений, альтернативных возрастанию площади кристалла ИС и уменьшению размеров элементов в двухмерных ИС. Начиная с некоторой степени интеграции может оказаться более выгодным переход к трехмерным ИС, в которых активные элементы располагаются в несколько слоев.

Трехмерные ИС имеют многослойную структуру с диэлектрической изоляцией. Такая многоэтажная конструкция может эффективно использоваться для изготовления на разных этажах схемы приборов различных типов и их интеграции в составе ИС. Такое объединение, как правило, дает выигрыш в качестве ИС.

Существенные преимущества могут быть получены при использовании трехмерной конструкции ИС и за счет упрощения схемы соединений. Число соединений может уменьшиться, и длина их будет меньше, что приведет к экономии полезной площади кристалла, уменьшению потребляемой мощности, а также позволит уменьшить задержки на соединениях и увеличит быстродействие ИС.

Идея создания трехмерных структур возникла сравнительно недавно и в настоящее время активно разрабатывается. Одним из шагов в этом направлении является создание схемы ЗУ, выполненной по технологии трехмерной поперечной инжекции с формированием двух электродов. Эта схема имеет сходство со схемами, включающими элементы с плавающим затвором, которые используются в ППЗУ, но имеет дополнительный транзистор в тонком слое поликремния. Этот транзистор предназначен для управления процессом подачи заряда записи на накопительное устройство - протяженный затвор.

Перспективы и преимущества трехмерных структур несомненны. Однако здесь еще много нерешенных проблем. Можно ожидать, что в относительно близком будущем такие ИС станут реальностью, что откроет новые возможности для увеличения степени интеграции и совершенствования функции ИС.

Оптические устройства памяти

Принципы оптической памяти

В последнее время использование оптических методов хранения и обработки информации рассматривается как одна из привлекательных альтернатив обычным запоминающим устройствам. Принципиальное преимущество оптической памяти заключается в том, что оптика делает возможным создание ЗУ большой емкости с плотно “упакованными” данными. Плотность представления информации в оптических ЗУ, по существу, ограничена только дифракционным пределом.

Преимуществом оптической памяти является также возможность параллельной обработки информации и быстрый доступ к массивам. Все это в сочетании с потенциально высокой надежностью и приемлемыми энергетическими характеристиками делает оптическую память одной из перспективных замен полупроводниковой и магнитной памяти.

Два типа оптической памяти. Принципиально возможны два способа записи информации в оптическом ЗУ: побитовый и голографический. В первом случае любому элементарному участку информационного носителя соответствует один бит информации, во втором — вся поверхность некоторого участка носителя равномерно обеспечивает хранение массива информации, т.е. любая область, входящая в этот участок, хранит с той или иной достоверностью информацию обо всем массиве сразу.

Для побитовой записи информации можно использовать любой источник излучения. Однако более предпочтительны источники когерентного света - лазеры, плотность потока энергии и возможности фокусировки излучения которых многократно превосходят соответствующие параметры всех других источников.

Голографическая запись - представление информации в интерференционной форме. Здесь обязательно требуется использование когерентного источника излучения и предъявляются определенные требования к степени его пространственной и временной когерентности. Информационную нагрузку при голографической записи несет один из двух световых пучков, на которые делится световой поток источника излучения, - его называют сигнальным или объектным. Пространственная структура сигнального излучения, т. е. характер распределения энергии в плоскости поперечного сечения пучка, однозначно связана с емкостью массива, записываемого на носитель, и распределением в нем информации. Оба пучка - информационный (сигнальный) и вспомогательный (опорный) - интерферируют в плоскости носителя информации.

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

В модуляторе световая волна “нагружается” информацией. Здесь в результате пространственной модуляции волны формируется пространственный оптический сигнал, называемый обычно входным оптическим сигналом. Процессор, представляющий собой набор различных транспарантов и оптических элементов, осуществляет заданную обработку входного оптического сигнала, преобразуя его в выходной сигнал. В приемном устройстве производится извлечение информации, которая может быть либо преобразована в электрические сигналы, либо подвергнута хранению.

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

Рис. 6. Структурная схема оптического ЗУ с побитовой записью информации

Помимо более сложной оптики в голографической системе памяти требуется два существенных дополнительных элемента - устройство формирования массивов (страниц) информации, называемое управляемым транспарантом (УТ), и фотоприемная матрица. В голографическом ЗУ с постраничной записью лазерный луч расщепляется на два пучка - опорный и сигнальный. Сигнальный луч, проходя через управляемый транспарант, поступает на носитель информации, где взаимодействует с опорным пучком, образуя интерференционную картину, которая фиксируется в регистрирующей среде. Каждое положение отклоняемого луча используется для адресации целой страницы.

При считывании сигнальный луч блокируется затвором; опорный пучок становится считывающим и проецирует восстановленное изображение страницы информации на матрицу приемников. В результате при считывании целая страница информации сразу же оказывается доступной для электронной выборки. Оптическая система обеспечивает совпадение опорного и сигнального лучей в записывающей среде и поворот сигнального луча относительно УТ при записи по разным адресам.

Оптоэлектронные устройства памяти

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

Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически - изолированы.

В цепях с обычными приборами вакуумной и полупроводниковой электроники невозможна эффективная развязка между входом и выходом, что связано с наличием у электрона электрического заряда. Оптическая же связь, осуществляемая с помощью фотонов, может быть реализована между участками схемы со значительно различающимися потенциалами; в оптоэлектронных устройствах осуществляется эффективная развязка между входом и выходом. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков и значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая функциональная нагрузка световых пучков, обусловленная большой вариабельностью их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).

Оптоэлектронные приборы. В состав оптоэлектронных устройств входит несколько видов приборов, которые связаны между собой и обеспечивают хранение и выдачу информации в зависимости от потребностей.

Основным структурным элементом оптоэлектронных устройств является оптрон - прибор, состоящий из источника и приемника света, связанных оптически. Поскольку схемотехнические возможности оптрона определяются главным образом характеристиками фотоприемника, этот элемент и дает название оптрона в целом. К важнейшим разновидностям элементарных оптронов относятся: транзисторные, диодные, резисторные и тиристорные (рис. 7).

Функциональные возможности оптрона могут быть существенно расширены при введении обратных связей (электрических или оптических). Наиболее известен оптрон, в котором приемник и излучатель соединены электрически, а также имеется оптическая положительная обратная связь. Такое устройство, получившее название регенеративного оптрона, пригодно для использования в качестве переключателя, усилителя, генератора как электрических, так и световых сигналов.

Рис. 7. Элементарные оптроны:

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

Для осуществления в оптоэлектронных устройствах широкой и гибкой системы оптических связей часто применяют волоконную оптику.

Оптические волокна представляют собой эффективные световоды, обеспечивающие передачу излучения по заданному пути; их можно группировать в пучки любой формы и изгибать под любыми углами.

Волокнистые световоды исключают необходимость в фокусирующих и отклоняющих системах. Поэтому оптоэлектронные ЗУ могут иметь многоплатную конструкцию, причем каждая плата имеет свои источники света и свои фотоприемники, число которых равно количеству битов хранимой информации.

Оптоэлектроника предъявляет к источникам света такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокие эффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств. Планарная технология интегральных схем позволяет создавать миниатюрные устройства с расщеплением излучения, сформированные вместе с электронными схемами управления. Ячейки матриц излучателей и фотоприемников могут обладать памятью.

Наиболее распространенными элементами матриц некогерентных источников света являются инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом рекомбинации электронов и дырок. В качестве материалов для светодиодов используют арсенид и фосфид галлия, карбид кремния, твердые растворы арсенида галлия—алюминия и т.д.

Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие получать высокую плотность энергии в узкой спектральной области при высоких КПД и быстродействии (десятки пикосекунд). Заметим, что быстродействие светодиодов ~0,5 мкс. Инжекционные лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы.

Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы и другие приборы. Их можно использовать и для изготовления интегральных матриц, которые могут иметь координатную организацию, позволяющую выбирать любой, но только один, фотоприемник в определенный момент времени, могут быть организованы построчно (по словам), в несколько регистров или с самосканированием.

Матрицы фотоприемника кроме светочувствительных элементов содержат коммутирующие элементы, а в некоторых случаях и элементы памяти. Простейшая ячейка содержит фотодиод и последовательно включенную емкость. Запоминание информации в матрице фотодиодов реализуется в виде накопления зарядов на емкостях фотодиодов.

Память на устройствах функциональной электроники

Функциональная электроника - новое направление в микроэлектронике

Современная электроника твердого тела в значительной степени является интегральной электроникой; в основе ее лежит принцип элементной (технологической) интеграции—изготовление на одном кристалле большого количества электронных приборов, соединенных между собой в электрическую схему.

Схемотехнический путь развития интегральной электроники неизбежно связан с ростом числа элементов и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых интегральной схемой функций. Однако чисто количественное наращивание степени интеграции и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Анализ традиционных путей развития интегральной электроники показывает, что в настоящее время достигнут настолько высокий уровень интеграции, что приходится считаться с рядом физических и технологических ограничений при его дальнейшем повышении. Только интегрализация элементов на определенном этапе уже не обеспечивает достижения положительных результатов.

Функциональная электроника предлагает качественно новый подход. В основе лежит принцип физической интеграции, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объему твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, так что промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной схемы не требуется.

При физической интеграции носителем информации является не состояние некоторой схемы, созданной на основе традиционных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и т. д.), а состояние локального объема в однородной активной среде с динамически изменяемыми параметрами. Изменения состояния локального объема однородного материала достигаются не технологическими, а физическими способами, например инжекцией зарядов в локальный объем с помощью светового излучения либо воздействием электрических или магнитных полей, возбуждением поверхностных волн и т. д.

Таким образом, основной чертой физической интеграции является отсутствие или значительное снижение удельного веса схемотехники и использование динамических неоднородностей для выполнения определенных функций. Запись и обработку информации выполняет не схема, включающая в себя множество приборов и элементов, а сама активная среда, в которой накапливается подвергаемая обработке информация.

Любой прибор традиционной электроники сам по себе накапливать информацию не может. Так, в элементе памяти на триггере запись информации осуществляется не самим транзистором, входящим в состав схемы, а всей схемой триггера, содержащей как минимум два транзистора. Запись и обработка сигнала непосредственно в приборах традиционной электроники не осуществляются — эти функции выполняет схема, включающая в себя множество приборов. Активная среда устройств функциональной электроники обладает двумя характерными свойствами: в ней может храниться и обрабатываться большой объем информации; управление ею обеспечивает изменения алгоритма обработки сигнала. С этой точки зрения устройства функциональной электроники по своим отличительным признакам близки к процессору ЭВМ, реализуемому в виде интегральных схем на традиционных транзисторных структурах. Заметим, что во многих случаях устройства функциональной электроники могут хорошо сочетаться с цифровыми ИС, дополняя и расширяя их возможности.

В настоящее время существует несколько направлений исследований, основанных на непосредственном использовании физических явлений, потенциально пригодных для создания функциональных устройств. В качестве носителей информации используются сгустки заряда, цилиндрические магнитные домены, пакеты волн различной природы и т. п. Данный перечень может быть расширен и дополнен в ходе проведения исследований. Цель всех этих исследований — создание принципов конструирования и производства достаточно экономичных устройств с высокой степенью интеграции. Внутри этой проблемы можно выделить наиболее актуальную проблему—создание интегральных устройств памяти большого объема, энергонезависимых, малогабаритных и малопотребляющих, с достаточно высоким быстродействием.

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 Т_к , но и внешним магнитным полем Н_ц 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.