Работа «Оперативка» (стр. 10 из 11)
Бактериородопсин был выбрал потому, что фотоцикл (последовательность структурных изменений, которые молекула претерпевает при реакции со светом) делает эту молекулу идеальным логическим запоминающим элементом типа "&" или типа переключателя из одного состояния в другое (триггер). Как показали исследования Бирга, bR-состояние (логическое значение бита "0") и Q-состояние (логическое значение бита "1") являются промежуточными состояниями молекулы и могут оставаться стабильными в течение многих лет. Это свойство, в частности, обеспечивающее удивительную стабильность протеина, и было приобретено эволюционным путем в борьбе за выживание в суровых условиях соляных болот.
По оценкам Бирга, данные, записанные на бактериородопсинном запоминающем устройстве, должны сохраняться приблизительно пять лет. Другой важной особенностью бактериородопсина является то, что эти два состояния имеют заметно отличающиеся спектры поглощения. Это позволяет легко определить текущее состояние молекулы с помощью лазера, настроенного на соответствующую частоту.
Был построен прототип системы памяти, в котором бактсриородопсин запоминает данные в трехмерной матрице. Такая матрица представляет собой кювету (прозрачный сосуд), заполненную полиакридным гелем, в который помещен протеин. Кювета имеет продолговатую форму размером 1x1x2 дюйма. Протеин, который находится в bR-состоянии, фиксируется в пространстве при полимеризации геля. Кювету окружают батарея лазеров и детекторная матрица, построенная на базе прибора, использующего принцип зарядовой инжекции (CID - Charge Injection Device), которые служат для записи и чтения данных.
Рис.5.3.1 прибор, использующий принцип зарядовой инжекции
При записи данных сначала надо зажечь желтый "страничный" лазер - для перевода молекул в Q-состояние. Пространственный световой модулятор (SLM), который, как говорилось ранее, представляет собой LCD-матрицу, создающую маску на пути луча, вызывает возникновение активной (возбужденной) плоскости в материале внутри кюветы. Эта энергоактивная плоскость представляет собой страницу данных, которая может вмешать массив 4096x4096 bit. Перед возвратом протеина в состояние покоя (в нем он может находиться довольно длительное время, сохраняя информацию) зажигается красный, записывающий лазер, располагаемый под прямым углом по отношению к желтому. Другой SLM отображает двоичные данные и, таким образом, создает на пути луча соответствующую маску, поэтому облучению подвергнутся только определенные пятна (точки) страницы. Молекулы в этих местах перейдут в Q-состояние и будут представлять двоичную единицу. Оставшаяся часть страницы возвратится в первоначальное bR-состояние и будет представлять двоичные нули. Для того, чтобы прочитать данные, надо опять зажечь страничный лазер, который переводит читаемую страницу в Q-состояние. Это делается для того, чтобы в дальнейшем, с помощью различия в спектрах поглощения, идентифицировать двоичные нули и единицы. Через 2ms после этого страница "окунается" в низкоинтенсивный световой поток красного лазера. Низкая интенсивность нужна для того, чтобы предупредить "перепрыгивание" молекул в Q-состояние. Молекулы, представляющие двоичный нуль, поглощают красный свет, а представляющие двоичную единицу пропускают луч мимо себя. Это создает "шахматный" рисунок из светлых и темных пятен на LCD-матрице, которая захватывает страницу цифровой информации.
Для стирания данных достаточно короткого импульса синего лазера, чтобы вернуть молекулы из Q-состояния в исходное bR-состояние. Синий свет не обязательно должен идти от лазера: так можно стереть всю кювету с помощью обыкновенной ультрафиолетовой лампы. Для обеспечения целостности данных при выборочном стирании страниц применяется кэширование нескольких смежных страниц. При операциях чтения-записи также используются два дополнительных бита четности, чтобы защититься от ошибок. Страница данных может быть прочитана без разрушения до 5000 раз. Каждая страница отслеживается счетчиком, и если происходит 1024 чтения, то страница "освежается" (регенерируется) с помощью новой операции записи.
Учитывая, что молекула меняет свои состояния в пределах 1ms, суммарное время для выполнения операции чтения или записи составляет около 10ms. Однако, по аналогии с системой голографической памяти, это устройство осуществляет параллельный доступ в цикле чтения-записи, что позволяет рассчитывать на скорость до 10MBps. Предполагается, что если объединить по восемь запоминающих битовых ячеек в байт с параллельным доступом, то можно достигнуть скорости 80MBps, но для такого способа необходима соответствующая схемотехническая реализация подсистемы памяти. Некоторые версии устройств SLM выполняют страничную адресацию, которая в недорогих конструкциях используется при направлении луча на нужную страницу с помощью поворотной системы гальванических зеркал. Такой SLM обеспечивает доступ за 1ms, но и стоит соответственно в четыре раза дороже.
Сам Бирг утверждает, что предложенная им система по быстродействию близка к полупроводниковой памяти, пока не встретится страничный дефект. При обнаружении такого дефекта необходимо перенаправить луч для доступа к таким страницам с другой стороны. Теоретически, кювета, о которой уже шла речь, может вместить 1ТВ данных. Ограничения на емкость связаны, в основном, с проблемами линзовой системы и качеством протеина.
Сможет ли молекулярная память конкурировать с традиционной полупроводниковой памятью? Ее конструкция, безусловно, имеет определенные преимущества. Во-первых, она основана на протеине, который производится в большом количестве и по недорогой цене, чему способствуют достижения генной инженерии. Во-вторых, система может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память. В-третьих, данные сохраняются постоянно даже если выключить питание системы памяти, это не приведет к потере информации. И, наконец, кубики с данными, имеющие маленькие размеры, но содержащие гигабайты информации, можно помещать в архив для хранения копий (как магнитные ленты). Так как кубики не содержат движущихся частей, это удобнее, чем использование портативных жестких дисков или картриджей с магнитной лентой.
5.4 Наноструктуры
Исследования, проведённые специалистами Университета Пердью (Уэст-Лафайетт, штат Индиана), открывают пути к созданию новых технологий производства памяти. Нанокольца - это новые наноструктуры, открытые в лабораториях университета, которые позволят повысить быстродействие памяти и плотность упаковки информации, при том, что стоимость этих решений будет приемлема для массового рынка.
Сегодня разработчики устройств хранения данных, как и вся индустрия электроники, возлагают надежды на достижения нанотехнологий. Миниатюризация компонентов до десятитысячных долей толщины человеческого волоса даёт возможность выпускать все более быстродействующие микросхемы. Но технологический процесс до сих пор находится в стадии разработки, а с уменьшением компонентов растёт стоимость их производства.
Химик из Университета Пердью Александр Вэй нашёл поразительно простое и дешёвое решение проблемы хранения данных. Исследовательская группа Вэя разработала метод создания микроскопических, диаметром значительно меньше ста нанометров, колец из частиц кобальта. Эти кольца могут сохранять намагниченность при комнатной температуре и, самое главное, формируются самостоятельно.
Кобальтовые частицы представляют собой микромагниты, которые имеют северный и южный полюса. Формирование колец происходит, когда частицы кобальта оказываются в непосредственной близости друг от друга и притягиваются под воздействием магнитных сил. Следовало полагать, что частицы соберутся в цепочку, но при определённых условиях вместо этого образуются кольца, комментирует Вэй.
Рис.5.4.1 Магнитные поля отдельных частиц нанокольца сливаются в единый поток
После образования кольца частицы кобальта ориентируются таким образом, что силовые линии их магнитных полей образуют замкнутую структуру. Таким образом, кольцо не оказывает магнитного влияния на объекты, находящиеся за его пределами, что обещает отсутствие помех для других ячеек будущей памяти. Магнитное поле в кольце может быть ориентировано в двух направлениях по часовой и против часовой стрелки, таким образом, есть возможность кодировать двоичную информацию. Предварительные исследования показали, что влиять на направленность поля можно с помощью внешних магнитных сил. Александр Вэй рассчитывает добиться этого, комбинируя нанокольца с нанопроводниками, с помощью которых возможно создавать чётко локализованные магнитные поля.
Разработка исследователей из Университета Пердью может привести к созданию новых устройств долговременного хранения информации, а также энергонезависимой оперативной памяти. Большой плюс разработки кроется в возможности функционирования при комнатной температуре и простоте получения наноколец.
В этой курсовой работе были раскрыты нюансы оперативной памяти. Мы убедились, что эта память является одним из важнейших компонентов компьютера. Ведь именно от нее во многом зависит быстродействие компьютера, а также программное обеспечение, которое мы сможем использовать на нем. Не следует забывать и о том, что быстродействие оперативной памяти не зависит напрямую от её частоты, а скорее от структуры.