存储器,顾名思义就是存储信息的器件,内容寻址存储器是其中特殊的一种。早期的芯片中,当输入一个网络地址时,需要通过大量搜索找到对应的接口,方可进行数据访问。这一系列“小蝌蚪找妈妈”式的匹配过程中,效率是很低的;而内容寻址存储器就像让存储在其中的大量被寻找的“青蛙妈妈”喊出名字,实现快速的搜索与配对。
如何让寻找这一过程的效率更高、时间更短,这是科学家们聚焦的重要问题。
“腾出”大量空间的记忆二极管
你还记得《最强大脑》里记忆大师王峰的惊艳表现吗?快速准确的记忆能力,以及从大脑中迅速提取出所需数据的能力,让他在赛场上所向披靡。而要让存储器也能这样用最短的时间寻找出所需接口,就得像王峰一样记得多,记得巧,甚至还需长时间储存!
记忆大师王峰
小编先给大家小小的科普一下,目前芯片存储技术主要有两类,第一类存储时间较短,切断电源后数据就会立即消失,计算机的内存就属于这一类。第二类就如我们的U盘,可以长时间保存数据。
目前被广泛研究的忆阻器就类似于U盘,能保存较长时间,但问题在于普通的忆阻器数据输入输出不分端口,所以常常信号之间会发生干扰,阻碍正常工作。如何让电流像河流一样单向流动而不互相打架干扰呢?研究人员从生物的神经突触中寻找到灵感,希望将同样具有单向传递特性的二极管与存储器进行结合。
忆阻器
那么问题又来了,如何才能将这两种东西完美结合呢?课题组通过大量实验,锗这一半导体材料从茫茫材料中脱颖而出!他们利用锗独特的表面性质,在锗表面生长忆阻器材料,形成一种新的器件,研究人员称之为“记忆二极管”。
项目负责人赵毅说:“我们团队研发的这个新器件,将原来需要一个电路才能做到的工艺,用一个器件就能实现其功能。使用面积缩小几十分之一。”
可不要小看这一个改变,在我们常使用的手机等小型化电子设备中,这样的缩小可以为其他功能的实现“腾出”大量空间。说不定以后就在这些腾出的空间上发展出我们意想不到的手机功能呢!
提高上网速度,给数据“打标签”
记忆二极管实现了多和小,那速度问题还没有解决呢?
在比较拥挤的商场和火车站里,你是不是常常只能眼睁睁地看着手机信号从4G变成2G,却束手无策呢?从IP地址上着手,业界已提出将传统的两个维度开展一对一搜索和比对的“二态对比”升级为通过三个维度增强对比覆盖率的“三态对比”,理论上可以加快数据流通速度,实现整体上网速度的加快。
这种加速或许对例如一个区域内只有一两台手机上网这样的情况无法体现得那么明显,但当人口稠密时,其优势就可以得到显现。但是在硬件实现上,利用现有存储器技术,在芯片面积方面都仍是瓶颈。赵毅介绍,“利用我们提出的这种‘记忆二极管’可以很容易实现三态存储和对比。 ”
TCAM(三态内容寻址存储器)的工作原理示意图:查找数据并行输入存储器内部后与存储数据进行同时匹配,并输出匹配结果。其中,相比于传统的由10个晶体管构成的基于SRAM的核心单元,本研究中的核心单元只由两个简单的记忆二极管构成。
IP地址实际上就是一种标签,让某个数据通过识别标签精确地传递到某处,但是,将如此大量的地址每个都打上标签,要求的成本太高啦。研制出的记忆二极管阵列构成的三态寻址存储器就可以轻松完成这一点,完全不用考虑成本。通过对数据“打标签”,或将让搜索变得更为便捷,大大提高了对“大数据”的处理能力。
较为简单的构造,大大降低的生产成本再配上忆阻器低能耗、可以长时间保存的特性,巨大的优势让科学家对他们研制的新器件在未来的应用展开了无限的设想。
具体研究结果将在6月份的国际超大规模集成电路峰会(2018 Symposia on VLSI Technology and Circuits)上发表。该会议为集成电路领域的顶级国际会议,在国际集成电路学术界以及工业界均享有很高的学术地位和广泛影响。这也是浙大学者首次在Symposia on VLSI Technology and Circuits上发表论文。
该研究受到国家重点研发计划与国家自然科学基金的支持。
内容整合自:求是新闻网|浙江大学头条号
文字记者:柯溢能
摄影记者:冯春霖,部分图片来源于网络