Вторая контрольная работа (1127792), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Молекулярная память

Другой радикально иной подход в создании устройств хранения данных - молекулярный. Группа исследователей центра "W.M. Keck Center for Molecular Electronic" под руководством профессора Роберта Р. Бирга (Robert R. Birge) уже относительно давно получила прототип подсистемы памяти, использующей для запоминания цифровые биты молекулы. Это - молекулы протеина, который называется бактериородопсин (bacteriorhodopsin). Он имеет пурпурный цвет, поглощает свет и присутствует в мембране микроорганизма, называемого halobacterium halobium. Этот микроорганизм "проживает" в соляных болотах, где температура может достигать +150 °С. Когда уровень содержания кислорода в окружающей среде настолько низок, что для получения энергии невозможно использовать дыхание (окисление), он для фотосинтеза использует протеин. 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.

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.

2.) Разметка адресных полей для виртуальных и физических тегов

Вся физическая память, которая может быть помещена в кэш, разделена на виртуальные «линии», размер которых невелик, но, тем не менее, больше размера порции данных, необходимых для выполнения одной команды. Обычно на x86- совместимых процессорах, размер линии равен 64 байтам. Каждая линия в оперативной памяти имеет номер (это адрес памяти с отброшенными младшими битами). В кэше каждой линии ставится в соответствие тег, который является адресом (в оперативной памяти) продублированых в этой линии данных. Теперь вспомним о том, что большинство современных операционных систем используют механизмы виртуальной памяти. Было бы естественно, чтобы кэш архитектурно учитывал эту особенность работы операционных систем. Решение довольно естественно: будем хранить в теге линии кэш-памяти не физический адрес, а виртуальный. Таким образом мы избежим проблемы необходимости трасляции виртуального адреса в физический, если запрашиваемый блок виртуальной памяти уже хранится в кэше процессора. Однако, не все так просто: один и тот же адрес виртуальной памяти для нескольких различных процессов может указывать на разные места в физической памяти. Возможны также ситуации (например, при использовании механизмов разделяемой памяти для синхронизации между процессами), когда несколько различных виртуальных адресов ссылаются на один и тот же блок данных в

физической памяти. Механизмы решения этих проблем различны в различных процессорах. Так, например, процессоры ARMv5 при переключении на другой процесс полностью выгружают кэш процессора в основную память устройства и загружают данные из физической памяти, принадлежащей процессу, на который происходит переключение. Хотя такая схема и кажется неоптимальной, в случае небольшого числа процессов и редкого переключения между ними, она оказывается достаточно выгодной. Для многоуровневых кэшей тоже оказывается достаточно выгодно использовать механизм виртуальных тегов. Вспомним, что при всякой загрузке данных в кэш уровня N, данные сначала загружаются в кэш уровня (N + 1) (кэшем максимального уровня можно считать непосредственно оперативную память). Если хранить в кэше уровня N адрес блока данных в кэше уровня (N + 1), то мы сможем избежать дополнительных расходов, связанных с поиском блока данных в кэше по его физическому адресу. Это дает значительный прирост производительности кэш-памяти, хотя и усложняет ее архитектуру.

Системы с общей оперативной памятью подразделяются на UMA (Uniform Memory Access) (система с однородным доступом в память) и NUMA (NonUniform Memory Access) (система с неоднородным доступом в память). В качестве конкретной реализацией UMA системы можно привести SMP – симметричная мультипроцессорная система (Symmetric Multiprocessor).

Когда у систем есть общая оперативная память, то стаёт вопрос о том, как её кешировать!

Кэш называется когерентным, если выполняются следующие условия:

1. Если процессор Р записывает значение в переменную Х, то при следующем считывании Х он должен получить ранее записанное значение, если между записью и чтением Х другой процессор не производил запись в Х. Это условие связано с сохранением порядка выполнения программы, это должно выполняться и для однопоточной архитектуры.

2. Операция чтения Х процессором P1, следующая после того, как другой процессор P2осуществил запись в Х, должна вернуть записанное значение, если другие процессоры не изменяли Х между двумя операциями. Это условие определяет понятие когерентной видимости памяти.

3. Записи в одну и ту же ячейку памяти должны быть последовательными. Другими словами, если два процессора записывают в переменную Х два значения: А, затем В — не должно случиться так, чтобы при считывании процессор сначала получал значение В, а затем А.

В этих условиях предполагается, что операции чтения и записи происходят мгновенно. Однако этого не происходит на практике из-за задержек памяти и других особенностей архитектуры. Изменения, сделанные процессором P1, могут быть не видны процессору P2, если чтение произошло через очень маленький промежуток времени после записи. Модель консистентности памяти определяет, когда записанное значение будет видно при чтении из другого потока.

В системе с общей оперативной памятью имеется ОЗУ, и любой процессорный элемент имеет доступ к любой точке общего ОЗУ, то есть любой адрес может быть исполнительным для любого процессора.

SMP(UMA) система:

Характеристики доступа любого процессорного элемента в любую точку ОЗУ не зависят от конкретного элемента и адреса (Все процессоры равноценны относительно доступа к памяти).

Кеш в данном случае у каждого элемента свой, и для того, чтобы у разных процессоров лежали в кеше правильные одинаковые значения, существует протокол согласования кешей (caсhe coherence protocol)

Нужно также понимать, что при синхронизации кешей, приходится загружать шину соответствующей служебной информацией.

Механизмы когерентности кешей:

1. Когерентность с использованием справочника (directory). Информация о состоянии блока физической памяти содержится только в одном месте, называемом справочником (физически справочник может быть распределен по узлам системы).

2. Когерентность с использованием отслеживания (snooping). Каждый кэш, который содержит копию данных некоторого блока физической памяти, имеет также соответствующую копию служебной информации о его состоянии. Централизованная система записей отсутствует. Обычно кэши расположены на общей (разделяемой) шине и контроллеры всех кэшей наблюдают за шиной (просматривают ее) для определения того, не содержат ли они копию соответствующего блока.

3. Перехват (snarfing). Когда из какого-либо одного кэша данные переписываются в оперативную память, контроллеры остальных получают сигнал об этом изменении ("перехватывают" информацию об изменении данных) и, если необходимо, изменяют соответствующие данные в своих кэшах.

Это были перечислены механизмы синхронизации, а моделей и протоколов, т.е. собственно реализаций существует достаточно большое количество:

• Протокол MSI

• Протокол MESI en:Illinois protocol (intel pentium, Core)

• Протокол MOSI

• Протокол MOESI (amd opteron)

• MOWESI

• Протокол MERSI

• Протокол MESIF (intel nehalem)

• Протокол Write-once

• Synapse protocol

• Berkeley protocol

• Firefly protocol (DEC)

• Dragon protocol (Xerox)

Пример синхронизации кеша на основе механизма перехвата в SMP системе:

Рассмотрим проблему когерентности кешей на примере NUMA-системы (NUMA: Процессорные элементы работают на общем адресном пространстве, но характеристики доступа процессора к ОЗУ зависят от того, куда он обращается).

Для решения проблемы когерентности кешей можно использовать следующие решения:

• использовать процессоры без кэша (использовать только Cache L2)

• использовать ccNUMA (NUMA-системы с когерентными кэшами)

3.) Механизмы динамического предсказания переходов

Предсказание переходов в условных операторах программы (branch prediction) позволяет продолжать выборку и декодирование потока инструкций после выборки инструкции ветвления (условного перехода), не дожидаясь проверки самого условия. Механизм предсказания переходов направляет поток выборки и декодирования команд программы по одной из ветвей. Исполнение по предположению, называемое также спекулятивным (speculative execution), идет дальше - предсказанные после перехода инструкции не только декодируются, но и по возможности исполняются до проверки условия перехода. Если предсказание сбывается, то работа предсказателя оказывается оправданной, если не сбывается - конвейер оказывается недогруженным и простаивает. Методы реализации предсказателей разделяются на статические и динамические методы.

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)