AULA 12 - Microprocessadores - Graduação

Memória Interna

Embora o conceito de memória seja relativamente simples, é talvez o componente que apresenta maior variedade de tipos, tecnologias, organizações, desempenhos e custos.

Nenhuma das tecnologias de memória existentes satisfaz de maneira ótima todos os requisitos de armazenamento de dados em computadores.

Assim, um sistema de computador típico é equipado com uma hierarquia de subsistemas de memória, algumas internas (diretamente acessíveis pelo processador) e outras externas (acessíveis ao processador por meio de um módulo de E/S).

Esta aula enfatiza as memórias internas, enquanto as memórias externas serão tratadas no próximo conteúdo. A primeira seção aborda as características fundamentais dos sistemas de memória dos computadores. As seções seguintes examinam os subsistemas de memória principal de semicondutor, incluindo memórias ROM, DRAM e SRAM.

Diferentes tipos de RAM. A partir do alto: DIP, SIPP, SIMM 30 pin, SIMM 72 pin, DIMM (168-pin), DDR DIMM (184-pin)

Em seguida, um elemento essencial dos sistemas de computação modernos será discutido: a memória cache.

Classificação de sistemas de memória

Os sistemas de memória podem ser mais facilmente compreendidos por meio de sua classificação.

As características mais importantes que são relacionadas abaixo:

Localização

A memória de um computador é organizada de maneira hierárquica.

Memória interna

O nível superior (mais próximo do processador) é constituído de registradores do processador.

Em seguida, vem um ou dois níveis de memória cache, designados como caches L1 e L2.

Depois, vem a memória principal, que normalmente usa módulos de memória dinâmica de acesso aleatório (dynamic random-acess memory - DRAM).

Essas memórias são consideradas as memória internas ao sistema de computação.

Memória externa

A hierarquia continua com a memória externa, na qual os níveis seguintes são, tipicamente, compostos por disco rígido, pen-drives, etc.

Capacidade

A característica mais óbvia de uma memória é sua capacidade, que normalmente é expressa em bytes (1 byte = 8 bits) ou palavras.

Os tamanhos mais usuais de palavras são 16, 32 e 64 bits.

As principais definições são:

• Palavra - unidade natural de organização de memória. O tamanho de uma palavra é tipicamente igual ao número de bits usado para representar um número inteiro e ao tamanho de uma instrução.

• Unidade endereçável - na maioria dos sistemas, é a própria palavra. Entretanto, alguns sistemas permitem o endereçamento individual de bits, ou bytes.

• Unidade de transferência - representa o número de bits de dados da memória principal que podem ser lidos ou escritos, de uma só vez.

Unidade de transferência

Na memória externa, os dados são frequentemente transferidos em unidades muito maiores que uma palavra, chamados blocos.

Método de acesso

O método de acesso aos dados pode ser:

Acesso sequencial

Os dados são organizados na memória em unidades chamadas registros.

O acesso é feito segundo uma sequencia linear específica.

Além dos dados, são armazenadas informações de endereçamento, utilizadas para separar um registro do registro seguinte, e facilitar o processo de busca por um determinado registro.

Um mecanismo compartilhado é usado para leitura e escrita; a cada operação ele é movido de sua posição atual para a desejada, ignorando registros intermediários. Portanto, o tempo de acesso a um registro arbitrário varia muito.

Exemplo: Unidades de fita magnética.

Acesso direto

Assim como com o acesso sequencial, o acesso direto emprega um mecanismo compartilhado para leitura e escrita.

Entretanto, cada bloco individual ou registro possui um endereço único, baseado em sua localização física. O acesso é feito por meio de um acesso direto a uma vizinhança genérica do registro e, em seguida, por uma pesquisa sequencial, por contagem ou espera, até atingir a posição final.

O tempo de acesso também é variável.

Exemplo: unidades de disco.

Acesso aleatório

Cada posição de memória endereçável possui um mecanismo de endereçamento único e fisicamente conectado a ela.

O tempo de acesso a uma determinada posição é constante e independente da sequencia de acessos anteriores.

Desta maneira, qualquer posição pode ser selecionada de modo aleatório, sendo endereçada e acessada diretamente.

Arquivo:MIPacesaleat.png

Exemplo: A memória principal, assim como alguns sistemas cache, são dispositivos de acesso aleatório.

Associativo

Consiste em um tipo de memória de acesso aleatório que possibilita comparar simultaneamente um certo número de bits de uma palavra com todas as palavras da memória, determinando quais dessas palavras contêm o mesmo padrão de bits.

Uma palavra é buscada na memória com base em uma parte do seu conteúdo, e não de acordo com seu endereço.

Assim como na memória de acesso aleatório, cada posição de memória possui seu mecanismo de endereçamento próprio e o tempo de busca é constante e independente da posição ou do padrão dos acessos anteriores.

Exemplo: As memórias cache podem empregar mecanismo de acesso associativo.

Desempenho

Do ponto de vista do usuário, as duas características mais importantes da memória são sua capacidade e seu desempenho.

Os parâmetros utilizados para medir o desempenho são:

Tempo de acesso

em uma memória de acesso aleatório, esse é o tempo gasto para efetuar uma operação de leitura ou de escrita: é o tempo decorrido desde o instante em que um endereço é apresentado à memória, até o momento em que os dados são armazenados ou disponibilizados para utilização.

Em uma memória de acesso não-aleatório, o tempo de acesso é o tempo gasto para posicionar o mecanismo de leitura-escrita na posição desejada.

Tempo de ciclo de memória

esse conceito é aplicável principalmente a memórias de acesso aleatório e compreende o tempo de acesso e o tempo adicional requerido, antes que um segundo acesso possa ser iniciado.

Esse tempo adicional pode ser necessário para o desaparecimento de transientes nas linhas de sinais ou para a regeneração dos dados.

Taxa de transferência

é a taxa pela qual os dados podem ser transferidos de ou para a unidade de memória.

Na memória de acesso aleatório, é equivalente à frequência, em Hz, do relógio de sistema, ou 1/(período)

, onde período é a duração de um ciclo.

Para uma memória de acesso não-aleatório, é válida a seguinte relação:

TN = TA + N/R

onde:

• TN - tempo médio para ler ou escrever N bits
• TA - tempo médio de acesso
• N - número de bits
• R - taxa de transferência em bits por segundo (bps)

Tecnologias

Diversas tecnologias têm sido empregadas para a fabricação de memórias de computadores. As mais comuns atualmente são as memórias de semicondutor, as memórias de superfície magnética, as memórias óticas e as magneto-óticas.

As principais tecnologias de implantação de memórias em uso corrente são:

• Portas lógicas e flip-flops, usados na implementação da memória cache.
• Transistores e circuitos de refresh, usados na implementação da memória principal.
• Arranjos de conexões, utilizados na implementação de certas ROMs (memórias de leitura).
• Fitas magnéticas, utilizadas principalmente para cópias de segurança e arquivamento a longo prazo.
• Discos magnéticos, como discos rígidos e disquetes - a principal tecnologia de implementação de memória secundária.
• Discos ópticos, como CDs e DVDs, e suas diversas variações.
• Memória flash, um tipo de memória semicondutora não volátil, muito usada em câmeras digitais e leitores de MP3.

Memórias magnéticas

Memórias magnéticas tem um papel de destaque no mundo da tecnologia.

Os HDs são o exemplo clássico, ainda em pleno uso e bastante comuns.

Dentre as diversas tecnologias de memórias e armazenamento, o uso de um meio magnético sempre foi um conceito importante. Além dos HDs, outras mídias que se baseiam em armazenamento magnético são os Floppy Discs e as fitas K7 e VHS, todos já em desuso.

A grande vantagem das memórias magnéticas é, além de serem não-voláteis, o seu preço, bem menor do que outras tecnologias de armazenamento. A principal desvantagem é a velocidade, bem menor do que memórias RAM, por exemplo.

O princípio de funcionamento das memórias magnéticas é relativamente simples. Consiste em utilizar um meio magnetizável no qual diferentes micro-regiões possam ser polarizadas de forma diferente. Assim, cada bit 0 ou 1 é representado por uma orientação magnética diferente.

O processo de escrita basicamente consiste na polarização dessas regiões de acordo com o padrão de 0s e 1s a serem armazenados.

A leitura, grosso modo, é a operação de detectar a orientação magnética de cada setor para determinar cada bit de informação.

Em geral, uma cabeça de leitura-escrita é usada para fazer essas operações ao mover-se pela superfície do material magnético.

Diferentes tecnologias e dispositivos variam em como a cabeça de leitura percorre a superfície da mídia e como as regiões são organizadas, mas o princípio é o mesmo.

Mas existem novas tecnologias que estão sendo pesquisadas e que têm potencial para se tornar a base para novos dispositivos de memória magnética.

A primeira é a MELRAM – Magnetoeletric RAM, que tem sido estudada por centros de pesquisa como o MIPT – Moscow Institute of Physics and Technology e University of Valenciennes (França).

A segunda são as memórias baseadas em Skyrmions magnéticos, uma novidade ainda em processo de amadurecimento, mas que recentemente teve grandes avanços na ASTAR – Singapore’s Agency for Science, Technology and Research e na NTU – Nanyang Technological University.

As memórias MELRAM são um avanço principalmente em relação à redução do consumo de energia a cada operação de leitura/escrita. Potenciais memórias baseadas em Skyrmions também são mais eficientes, e representariam um salto em capacidade e estabilidade.

Memórias RAM magnetoelétricas

Memórias RAM magnetoelétricas As memórias MELRAM foram desenvolvidas a partir de uma nova arquitetura baseada em camadas de liga TbCo2 e liga FeCo(Ferro-Cobalto). A nova arquitetura é não volátil e pode reduzir o consumo de energia para operações de leitura/escrita por um fator de 10 mil ou mais.

Cada célula de memória MELRAM é constituída de um material piezoelétrico(que possui a propriedade de se deformar em resposta a uma tensão elétrica e vice-versa) e uma estrutura de camadas de alta magnetoelasticidade, o que significa que sua magnetização depende da tensão mecânica aplicada a ela. Assim, aplicando-se um sinal elétrico na camada piezoelétrica, gera-se deformações mecânicas que polarizam a camada magnetoelástica.

O que permite a utilização desse conjunto como memória é o fato de sua estrutura ser anisotrópica, ou seja, é organizada de forma diferente dependendo do eixo de referência na sua estrutura. Devido a isso, cada célula pode ser magnetizada ao longo de duas direções, que são os 0s e 1s usados para armazenar informação. (Explicação detalhada).

MELRAMs Novas tecnologias de memórias magnéticas. As células MELRAM possuem uma camada piezoelétrica deformável que chaveia as camadas de TbCo2 e FeCo para mudar os seus pólos magnéticos, ou seja, mudar entre 0 e1. (Fonte: MIPT)

A principal vantagem em relação a DRAM e RAM, é o fato de ser uma memória não-volátil, não perdendo suas informações ao ser desligada. A principal desvantagem é que a cada processo de leitura, logo após o bit ser lido, o mesmo é perdido, sendo necessário reescrevê-lo logo em seguida.

Apesar de o protótipo ainda não ser adequadamente miniaturizado, os pesquisadores já anteveem aplicações em memórias com consumo ultra-baixo. Ao todo 6 centros de pesquisa e universidades da Rússia e França desenvolveram o protótipo.

Memórias baseadas em skyrmions magnéticos No caso das memórias baseadas em Skyrmions, ainda não existe um protótipo de dispositivo de armazenamento. Mas recentemente, pesquisadores de Singapura conseguiram dar o passo que é visto como divisor de águas para o desenvolvimento de dispositivos que usem essa tecnologia.

Os Skyrmions magnéticos foram previstos teoricamente em 1962 pelo físico britânico Tony Hilton Royle Skyrme, e observados experimentalmente em 2009 em temperaturas extremamente baixas. Em 2013 foram descobertos à temperatura ambiente em pilhas de camadas de ligas e metais diferentes. Desde então cresceram as apostas em pesquisas para desenvolver memórias que os utilizem.

É mais simples pensar um Skyrmion em termos de seu funcionamento. Eles se comportam como partículas magnéticas na escala de nanômetros. Possuem a capacidade de se organizar em matrizes ou estruturas determinadas e, mais importante, podem ser criados, deletados e movidos, um por um, por meio de correntes elétricas. Devido à sua topologia, são também chamados de Vórtices magnéticos.

Array de Skyrmions magnéticos. Fonte: www.eetimes.com(vide referências)

A figura acima mostra uma ilustração do campo de vetores magnéticos nos Skyrmions.

O avanço feito pelos pesquisadores da ASTAR e NTU foi desenvolver um filme multicamadas que serve de plataforma para a formação e controle dos Skyrmions magnéticos. Trata-se de uma sequência de Ir, Fe, Co e Pt, ou seja, uma estrutura com quatro camadas, que pode ser repetida mais de uma vez. Essa plataforma permitiu o controle das interações magnéticas que governam as propriedades dos Skyrmions por meio da variação da espessura das camadas constituintes da plataforma.

Como seria o mecanismo exato de leitura e escrita e como fabricar equipamentos que garantam estabilidade magnética são os próximos grandes desafios dos pesquisadores. Embora não seja ainda um protótipo de memória, a tecnologia já começa a tomar forma, e seria uma grande mudança no princípio de funcionamento dos dispositivos de armazenamento magnético.

As referências e divulgação dessas novas tecnologias estão indicadas abaixo e são ótimas fontes de informações e maiores detalhes. Este texto não se trata de um artigo essencialmente técnico, mas busca divulgar essas inovações. Caso você tenha outras referências e sugestões, compartilhe conosco!

Características físicas

Volátil/Não-volátil Apagável/Não-apagável