Устройства памяти (запоминающие устройства). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Устройства памяти (запоминающие устройства) - в вычислит. технике (см. Электронная вычислительная машина)устройства для записи, хранения и воспроизведения информации. В качестве носителя информации может выступать физ. сигнал, распространяющийся в среде, или сама среда; при этом информация задаётся в виде параметров сигнала или параметров состояния среды соответственно. Напр., в случае магн. П. у. носителем является магн. среда, а параметром состояния - намагниченность.
Процесс записи информации осуществляется при воздействии сигнала на носитель, изменяющем состояние этого носителя. Обратный процесс - считывание информации - состоит в изменении параметров считывающего сигнала или в его генерации под действием носителя. Физические способы записи, хранения и считывания информации могут быть различными: электрическими, магнитными, оптическими, акустическими и др.
Наим. участок среды - носителя информации, позволяющий хранить единицу информации, наз. элементом памяти (ЭП). Если он может принимать и сохранять два стабильных состояния, элемент является бистабильным, если q стабильных состояний - q-стабильным. Число бит информации п, к-рое может хранить q-стабильный элемент, определяется как п=1n₂q. Напр., регистр, содержащий 4 бистабильных ЭП, имеет 16 стабильных состояний и позволяет хранить 4 бита информации. В вычислит. технике информация хранится (записывается, считывается) блоками по п бит, наз. словами или ячейками памяти. Примером трёхстабильного ЭП может служить магн. ЭП на ферритовом кольце (см. ниже). Он имеет три состояния намагниченности: положительную, отрицательную и нулевую. П. у. состоит из набора последовательно пронумерованных слов. Запись (считывание) отд. слова осуществляется по его номеру, наз. адресом. В ряде П. у. можно обращаться также к отд. байтам внутри слова. Число п кратно 8, напр, при п = 8 слово содержит 8 бит (1 байт), а при п = 16 оно содержит 16 бит (2 байта).
П. у. характеризуются временем записи (считывания) информации, характерными временем её сохранения, плотностью размещения информации на носителе, информац. ёмкостью, энергией, необходимой для переключения ЭП, и т. п. Время записи (считывания) информации определяется временем переключения ЭП из одного устойчивого состояния в другое при записи (считывании) информации, характерное время сохранения информации носителем - физ. принципами её хранения. Напр., время сохранения заряда на конденсаторе в полупроводниковом П. у. существенно зависит от величины заряда и скорости его рассасывания (тока утечки). Для увеличения времени сохранения информации она может периодически перезаписываться (регенерироваться). Период регенерации должен быть меньше характерного времени сохранения информации в носителе. Плотность размещения информации определяется характерными размерами ЭП и измеряется отношением числа бит, сохраняемых носителем, к его площади (или объёму для объёмных носителей). Информац. ёмкость П. у. определяется произведением полного числа ЭП в П. у. на число бит в ЭП.

Элементы памяти на макроскопических структурных изменениях (нарушениях формы) носителя. Хранение информации осуществляется в таких структурных изменениях (нарушениях) поверхности носителя, как изменение рельефа поверхности, степень её разупорядоченности (кристаллич. или аморфная структура), механич. перфорация носителя, прожигание микроотверстий в непрозрачной подложке (абляцпя), различного рода микровздутия из-за термического локального нагрева и др. Примерами носителей для таких ЭП являются перфокарта, перфолента, грампластинка, оптический диск.
Запись информации производится при помощи механич. нарушения носителя (пробивка отверстий в перфокарте или перфоленте), абляционным способом, термооптически или термоэлектрически (используются для записи информации на оптич. диск; см. ниже) и др., считывание информации - механич., эл--механич. или оптич. методами.
Примером совр. П. у., использующим ЭП описанного типа, является оптич. дисковое П. у. (рис. 1). Запись информации (рис., 1, а) осуществляется лазерным пучком, вызывающим абляцию носителя 4, путём создания на нём вздутий при локальном нагреве (т. е. при локальном изменении коэф. отражения) или переводом носителя 4 из кристаллич. фазы в аморфную и наоборот [1]. Считывание информации производится тем же лазерным пучком (но меньшей интенсивности), что и запись, а разделение падающего и отражённого пучков осуществляется по поляризации благодаря фазовой пластанке

и поляризац. светоделителю П. Из-за различия коэф. отражения ЭП. подвергнутых и не подвергнутых действию лазерного излучения, каждый ЭП имеет 2 стабильных состояния и позволяет хранить 1 бит информации.

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

Мин. размер ЭП определяется диаметром области фокусировки записывающего лазерного пучка и составляет 0,4 - 1 мкм, что позволяет хранить на стандартном оптич. диске (дпам. 30,5 см) 12

32 Гбит. Время записи (считывания) информации для оптич. диска составляет от 100 до 500 мс [1].

Магнитные элементы памяти [2]. Принцип действия основан на эффекте сохранения намагниченности носителя (остаточная намагниченность) после выключения внеш. магн. поля (рис. 2, а). Различают магн. ЭП, использующие намагниченность всего объёма элемента (ферритовые кольца, рис. 2, б)и намагниченность макроскопич. участков носителя. На рис. 2, в приведена схема ЭП, размещённых на подвижном магн. носителе (магн. лента, диск). Запись (считывание) информации осуществляется при взаимном перемещении носителя и головки записи (считывания). Запись происходит при подаче на головку тока записи I_записи, создающего поле записи в зазоре головки и на магн. носителе, а считывание информации - путём съёма ЭДС, индуцированной в головке при перемещении намагниченного участка мимо зазора.

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

Др. типом магн. ЭП является устройство на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) [2] (рис. 2, г). В нем осуществляется перемещение ЦМД по направлению от головки записи к головке чтения при приложении внешнего продольного поля, создаваемого путём коммутации тока системой проводников 4 в подложке.
Мин. размер магн. ЭП составляет от

5 мкм для магн. ленты (диска) до

1 мкм для ЦМД. Плотность записи информации с учётом технол. особенностей изготовления магн. П. у. составляет для магн. ленты

600 бит/мм, для магн. диска ~ 10⁴ бит/мм², для П. у. на ЦМД может достигать ~10⁵ бит/мм² [2]. Характерное время сохранения информации в магн. П. у. определяется естеств. размагничиванием носителя (практически от неск. лет до неск. десятков лет). Время записи (считывания) в таких П. у. ограничено не временем перемагничивания, а, как правило, скоростью движения носителя, электронными схемами управления П. у. и т. п. Достигнутые скорости считывания информации лежат в диапазоне от 1

100 кбит/с для магн. ленты до 1 Мбит/с для П. у. на ЦМД и

10 Мбит/с для магн. дисков.
Достоинствами магн. П. у. являются их энергонезависимость (способность сохранять информацию при отключении питания) при хранении информации и высокая радиац. стойкость.

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

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

Физ. механизмы работы полупроводниковых П. у. даны в табл.

Физические механизмы работы полупроводниковых устройств памяти

Тип устройства памяти	Запоминание заряда	Метод записи	Метод считывания	Примечание
ПЗУ	Не производится	Формирование (разрушение) перемычек при изготовлении	Неразрущаю-щий "опрос" перемычек	-
СППЗУ	На плавающем зат-воре транзистора ЭП	Инжекция на плавающий затвор триггера	Считывание (без измене-ния) напряжения на триггере	Стирание информации при освещении УФ-излу-чением
ЭСППЗУ	На поверхностном состоянии плавающего затвора транзистора ЭП	Туннельная инжекция	- " -	Стирание информации при инжекции заряда другого знака
СЗУПВ	В статическим триггере ЭП	Передача сигнального заряда на ин-формац. вход	Считывание сигнального заряда (без его изменения)	-
ДЗУПВ	На ёмкости затвора транзистора ЭП	Передача сигнального за-ряда на ин-формац. вход	Считывание сигнального заряда (с его изменением)	Необходима перио-дич. регенерация

В ЭП ПЗУ информация записывается на этапе изготовления П. у. (наличие или отсутствие ряда проводников схемы, или перемычек). В ЭП на рис. 3, а перемычкой является цепь истока полевого транзистора. ЭП ПЗУ может также строиться на основе наличия или отсутствия диффузионных областей стока или истока (см. Прибор с зарядовой связью ).Современные ПЗУ ёмкостью 1 Мбит состоят из ЭП площадью

30 мкм² и с временем переключения

150 нс.
ППЗУ представляют собой программируемые (уже после изготовления П. у.) ПЗУ, лишённые возможности стирания информации. В них используются ЭП с перемычкой (рис. 3, б), пережигаемой электрич. импульсом, или р-п-диод, к-рый замыкается накоротко при подаче импульса, вызывающего лавинный пробой. ППЗУ выполняются по биполярной (быстродействующие ППЗУ) и др. технологиям (см. МДП-структура, Микропроцессор, Логические схемы). Совр. биполярные ППЗУ ёмкостью 64 кбит состоят из ЭП площадью

100 мкм²и с временем переключения

50 нс [3]. ЭП ПЗУ и ППЗУ относятся по сути к ЭП на изменениях (нарушениях) структуры носителя (создание или разрушение перемычек, замыкание диодов) со считыванием информации электрич. методами.
Работа ЭП СППЗУ и ЭСППЗУ основана на практически пост. удержании заряда. Заряд накапливается в проводящей области, находящейся внутри подзатворного окисла МДП-структуры, поэтому их работа определяется принципами работы МДП-приборов. Т. к. носители остаются в плавающем затворе и после отключения питания, СППЗУ и ЭСППЗУ являются энергонезависимыми П. у. [3, 4]. В ЭП СППЗУ (рис. 3, в) состояние ЭП определяется наличием или отсутствием заряда на плавающем затворе полевого транзистора (МДП - транзистора) с двойным затвором. СППЗУ ёмкостью 1 Мбит состоят из ЭП площадью 20

30 мкм² и имеют время переключения 80 - 150 нс [4]. ЭП ЭСППЗУ (рис. 3, г)содержит транзистор с плавающим затвором, отделённым от кремния слоем окисла. Запись (стирание) информации осуществляется при пропускании туннельного тока между затвором и подложкой.
ЭП СЗУПВ строятся на базе триггеров .При этом могут использоваться как полевые транзисторы (рис. 3, д), так и транзисторы биполярные (рис. 3, е). По быстродействию биполярные СЗУПВ превосходят все остальные типы полупроводниковых П. у. Типичное время переключения биполярных СЗУПВ ёмкостью 10 кбит составляет менее 4 нс, а СЗУПВ ёмкостью 256 кбит - менее 30 нс, при размере ЭП 5 мкм и 2 мкм соответственно [3, 4].
Альтернативой статическому триггеру являются динамический ЭП, в к-рых заряд хранится лишь в течение небольшого времени. Наиболее распространённый ЭП ДЗУПВ состоит из конденсатора и транзистора (рис. 3, ж). Транзистор используется лишь для достуна к заряду, хранящемуся в конденсаторе. Поскольку заряд постепенно уменьшается (из-за процессов генерации и рекомбинации), необходимо с периодом ~1()^-3с регенерировать информацию в ЭП. Совр. ДЗУПВ имеют ёмкость в неск. Мбит. Динамика увеличения плотности размещения ЭП на носителе полупроводниковых П. у. представлена на рис. 4. Сравнение предельных характеристик П. у. разл. типа приведено на рис. 5.

Рис. 4. Динамика увеличения плотности хранения информации для полупроводниковых устройств памяти.

Рис. 5. Сравнение предельных характеристик устройств памяти различных типов.

Оптические элементы памяти [6]. В основе оптич. ЭП лежит явление оптической бистабилъности или мультистабильностп (см. также Оптические компьютеры ).Реализация таких ЭП должна удовлетворять следующим требованиям: схема ЭП должна быть нелинейной и иметь обратную связь. Тогда при циклич. изменении, напр., входной интенсивности светового пучка на входе оптич. бистабильного ЭП он может функционировать обратимо. Простейшим примерем бистабильного оптич. ЭП является интерферометр Фабри - Перо, заполненный средой с насыщающимся поглощением (рис. 6, а). Поскольку пропускание интерферометра зависит от длины резонатора, свойств заполняющего его вещества и длины световой волны, управляя параметрами вещества и интенсивностью падающего света, можно регулировать пропускание интерферометра. Зависимость интенсивности прошедшего пучка от интенсивности падающего имеет вид петли гистерезиса (рис. 6, б), где области 1 и 3 являются областями стабильности ЭП [6].

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

Мин. размер оптич. ЭП определяется минимально необходимым числом атомов ансамбля, для к-рого устойчиво наблюдается оптич. бистабильность. Это число составляет ~10³ двухуровневых атомов (полная энергия системы

0,25 фДж для фотонов с энергией 1,5 эВ). Такая ситуация имеет место в оптич. ЭП на базе GaAs при температуре 10 К, переключаемых энергией 15 фДж, распределённой на площади диаметра 0,25 мкм. Времена переключения ограничиваются временем установления поля в резонаторе, временем отклика среды и динамич. эффектами резонатора и могут достигать долей нс (рис. 5). Важными особенностями оптич. ЭП являются их высокая помехозащищённость от эл--магн. шумов и высокая надёжность (кол-во переключений неограниченно).
Перспективные элементы памяти. Среди перспективных П. у. можно выделить голографические, использующие для записи, хранения и восстановления изображений ЭП, основанные на принципах голографии. В этом случае мы имеем дело с аналоговыми ЭП, поскольку оптич. плотность носителя информации (напр., эмульсионного слоя фотопластинки) изменяется непрерывно. Интенсивно развивающийся цифровой синтез голограмм позволяет сопрягать между собой голографич. ЭП и цифровые системы [7].
Среди перспективных полупроводниковых П. у. можно выделить устройства на одноквантовых джозефсоновских ЭП (см. Джозефсона эффект)и на одноэлектронных ЭП (туннслироваиие одиночных электронов в туннельных переходах сверхмалых размеров) [5]. Мин. размер одноквантовых джозефсоновских ЭП ограничен снизу величиной порядка глубины проникновения

0,1 мкм, обеспечивающей плотность записи информации 10⁴10⁵ бит/мм². Времена переключения таких ЭП при температуре жидкого азота составляют ~ 10^-11 с. В одноэлектронных ЭП их мин. размер ограничен толщиной туннельной прослойки (

3 - 4 нм). В перспективе такие ЭП позволят создать П. у. с плотностью записи информации 10⁸ бит/мм² и временем переключения ~1 нс[5].
Наряду с разработкой новых полупродниковых ЭП интенсивно ведутся работы по созданию ЭП на молекулярном уровне (молекулярные ЭП) [8]. Для их реализации необходимы наличие в молекулярной системе не менее двух различимых стабильных состояний системы, достаточно большое время их жизни и возможность избирательно переводить систему в каждое из этих состояний. Оценка плотности записи информации в молекулярном П. у. составляет ~10⁶ бит/мм². При использовании частотно-селективной записи (т. и. спектральная память) её можно увеличить до значения ~10⁹ бит/мм² [8]. Путь уменьшения размера ЭП приводит вслед за разработкой молекулярных ЭП к атомным ЭП, в к-рых в качестве носителя информации может выступать одиночный атом. Действительно, двухуровневый атом представляет собой бистабильный логич. элемент, переключение к-рого осуществляется при переходе атома из одного энергетич. состояния в другое под действием внеш. поля.

Иерархия П. у. Наряду с делением П. у. по физ. принципам работы ЭП исторически сложилось деление П. у., используемых в ЭВМ, на внешние П. у., характеризующиеся большой ёмкостью информации (до 100 Гбайт) и относительно большим временем доступа к информации (

10^-3 мс); оперативные П. у., характеризующиеся ср. параметрами по быстродействию (

100 нс) и ёмкости (1

10 Мбайт); кеш - П. у. (от англ. cache - тайник) с ёмкостью от 100 байт до десятков кбайт и быстродействием

10 нс; регистровые П. у. ёмкостью в неск. десятков байт и быстродействием

0,5

1 нс.
Назначение П. у. определяет тип ЭП, используемых в П. у. Напр., для кеш-П. у. применяются, как правило, биполярные схемы, для оперативного II. у. - ДЗУПВ или СЗУПВ.

Архитектура П. у. Под архитектурой П. у. понимается логич. организация совокупности аппаратных средств объединения ЭП. П. у. можно разделить но способам доступа к содержащейся в них информации и разрядности (числу одновремено считываемых бит информации). Существуют произвольный и последоват. метод доступа (чтения или записи) к информации в П. у. При произвольном методе доступа обращение происходит либо по заданному номеру ЭП, либо по ассоциативному признаку информации (заданному коду), определяющему номер ЭП. Простейшим примером ассоциативного доступа является поиск файла на магн. ленте по его имени (признаком является имя файла).
Кол-во одновременно записываемых (считываемых) бит определяет разрядность П. у. Увеличение разрядности П. у. приводит к снижению времени доступа к необходимой информации. Развитие архитектуры П. у. идёт по пути распараллеливания операций записи (считывания) информации (создание т. н. многопортовых П. у.), использования объёма носителя (объёмные П. у.) [4] и др.

Литература по устройствам памяти (запоминающим устройствам)

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.