Как сделать ячейку памяти

Обновлено: 06.07.2024

Пространственные ячейки памяти (англ. Spatial Storage Cell) — это своего рода полноценные жёсткие диски для записи территории в игре.

Пространственные ячейки памяти устанавливаются в пространственный порт ввода/вывода.

2 3 пространственная ячейка памяти способна запомнить область куба в 2×2×2 блоков. (8 блоков, если не куб)

16 3 пространственная ячейка памяти способна запомнить область куба в 16×16×16 блоков. (4096 блоков, если не куб)

128 3 пространственная ячейка памяти способна запомнить область куба в 128×128×128 блоков. (2097152 блоков, если не куб)

Посмотрите также, как создать пространственную структуру для захвата территории, если это вам интересно.

Простейшим примером организации па­мя­ти яв­ля­ет­ся по­сто­ян­ное за­по­ми­на­ю­щее уст­рой­ст­во. В та­кой па­мяти с дол­го­вре­мен­ным хра­не­ни­ем ин­фор­ма­ции оп­ре­де­ля­ю­щим эле­мен­том слу­жат пе­ре­мыч­ки в дву­мер­ном мас­си­ве про­вод­ни­ков. Из­на­чаль­но все стро­ки и столб­цы со­е­ди­не­ны меж­ду со­бой с по­мощью пе­ре­мы­чек — то­ко­про­во­дя­щих мос­ти­ков. В про­цес­се за­пи­си дан­ных в мат­ри­цу хра­не­ния часть пе­ре­мы­чек ос­та­ет­ся не­тро­ну­ты­ми и со­е­ди­ня­ют ли­нии строк и ли­нии столб­цов это­го мас­си­ва, а ос­таль­ные раз­­ру­­ша­­ют­­ся.

Замкнутому с помощью перемычки состоянию проводника можно при­сво­ить зна­че­ние ло­ги­че­ско­го нуля, а ра­зом­к­ну­то­му — логической еди­ни­цы. Измеряя со­про­тив­ле­ние меж­ду кон­крет­ны­ми ли­ни­я­ми строк и столбца, по его вы­со­ко­му значению (разомкнутому состоянию про­вод­ни­ков) мож­но считать логическую еди­ни­цу, а по ко­рот­ко­зам­кну­то­му состоянию принять решение о хранении там ло­ги­че­ско­го ну­ля. Такая оценка электрических параметров коммутируемого соединения становится формой хра­не­ния ин­фор­ма­ции и определяет метод доступа к со­дер­жи­мо­му заданной ячейки памяти.

Оценка электрических параметров коммутируемого соединения как форма доступа к содержимому заданной ячейке памяти


Рис 1. Оценка электрических параметров коммутируемого соединения
как форма доступа к содержимому заданной ячейке памяти

Отказ от необратимого способа записи требует пересмотра схем управления запоминающей матрицы, но не от­ме­ня­ет сам принцип хранения информации. Оперативная память использует все тот же механизм доступа по строкам и стол­б­цам, полагаясь на электронные ключи в узлах коммутации вместо тривиальных перемычек, характерных для по­сто­ян­ных запоминающих устройств.

Как работает ячейка DRAM?

Если рассматривать внутреннюю структуру кристалла динамической памяти (DRAM), то в контексте однобитной его организации сложилась терминологическая традиция горизонтальные строки запоминающей матрицы счи­тать (условно) wordline, где слово Word здесь подразумевает все биты строки. Тогда bitline — это столбец (вер­ти­каль­ная стро­ка) матричной организации памяти. Такая абстракция хорошо иллюстрирует механизм про­из­воль­но­го доступа, когда битовые линии образуют шину данных, а горизонтальные строки обеспечивают запись и чтение адресуемого слова. Как мы увидим ниже, схемотехника модуля памяти и его обработка центральным про­цес­со­ром имеют более сложную архитектуру.

Внутренняя структура кристалла DRAM в контексте однобитной его организации


Рис 2. Внутренняя структура кристалла DRAM
в контексте однобитной его организации

Фактор короткоживущей памяти — еще одна проблема в архитектуре DRAM. Валидность информации в памяти компьютера зависит от того, как долго конденсатор сможет хранить заряд. Саморазраяд, причиной которого яв­ля­ет­ся миниатюрность конденсатора на подложке управляющего транзистора, приводит к тому, что до­сто­вер­ность данных ограничена тысячными долями секунды. Регенерация этого процесса делегируется со­от­вет­ству­ю­щим схемам обслуживания, которые вынуждены периодически считывать информацию из ячеек с последующей их перезаписью.

Во время выполнения циклов регенерации, запоминающая матрица недоступна для операций чтения и записи, и это обстоятельство неизбежно сказывается на производительности. Статические элементы оперативной памяти (SRAM), в узлах которой используются более сложные схемы на основе триггеров с двумя устойчивыми со­сто­я­ни­я­ми, лишены этого недостатка и обладают лучшим быстродействием. Эффективным компромиссом про­из­во­ди­тель­но­сти и стоимости является использование оперативного запоминающего устройства на основе DRAM в со­че­та­нии с кэш-памятью небольшого размера на основе SRAM. В кэш-память оперативно загружаются данные, ско­рость дос­ту­па к которым наиболее критична для обеспечения производительности.

Примечание. Рассматривая пример динамической памяти, обратим внимание на то, что описанная ячейка DRAM хранит всего один бит информации. Для понимания принципа работы этого допущения вполне до­ста­точ­но.

Аппаратная реализация модуля DRAM, с которым оперирует контроллер памяти, также базируется на интеграции ячеек, хранящей один или не­сколь­ко байт информации, прямоугольную матрицу. Ее горизонтальные линии об­ра­зу­ют Row (строки), а вертикальные — Column (столбцы). Итак, в узлах за­по­ми­на­ю­щей матрицы по­лу­про­вод­ни­ко­вый прибор (транзистор), находясь в закрытом состоянии, пред­от­вра­ща­ет потерю конденсатором очень важного кванта информации — заряда. Но стоит подать на заданную строку за­по­ми­на­ю­щей матрицы специальный им­пульс — транзисторные ключи всех узлов строки сработают. От­кры­ва­ясь, каж­дый из них соединит свой кон­ден­са­тор с конкретным столбцом. Схема детектирования, мониторящая состояние столбцов матрицы, от­ре­а­ги­ру­ет на воз­ник­ший ток и считает всю строку целиком — в упомянутый выше транзитный буфер, который при­ня­то на­зы­вать стра­ни­цей (Page).

Двумерная адресация ячеек динамической памяти по строкам и столбцам


Рис 3. Двумерная адресация ячеек динамической памяти по строкам и столбцам

Это об­сто­я­тель­ство весьма важное в понимании работы DRAM: именно страница, сформированная из данных о состоянии яче­ек по всем столбцам, и является минимальной порцией обмена. Доступ к отдельно взятой ячейке ди­на­ми­че­ской памяти невозможен, в отличие от простейшего постоянного запоминающего устройства, рас­смот­рен­но­го выше, где чте­ние данных могло выполняться по конкретному адресу. В данном случае запрос ин­фор­ма­ции по одной строке мат­ри­цы откроет все ключи и приведет к считыванию состояния всех, подключенных к этой линии конденсаторов.

Запоминающая матрица банка динамической памяти


Рис 4. Запоминающая матрица банка динамической памяти

Существенное отличие доступа по строкам и столбцам от приведенной на Рис 2. блок-схемы в том, что вместо од­но­бит­ной организации современная подсистема памяти использует 64-битную 1 ) шину данных. Она осталась за кад­ром, уступив место двумерной адресации 64-битных ячеек. Для одномерной их адресации в современных ус­ло­ви­ях пришлось бы использовать более сорока адресных линий, что невероятно накладно для конструкции ком­пью­тер­ной платформы и к тому же негативно сказалось бы на производительности ОЗУ. Раздельная ад­ре­са­ция по строкам и столбцам позволяет оперировать со страницами памяти по адресной шине меньшей раз­мер­нос­ти. Для этого, правда, приходится выставлять адрес требуемой страницы посредством двух посылок — т.е. дважды.

За адресацию ОЗУ отвечает контроллер памяти, который с недавних пор перекочевал из чипсета системной ло­ги­ки в центральный процессор. Ему в это помогают схемы синхронизации, формирующие дополнительные сигналы управления RAS (Row Access Strobe) и CAS (Column Access Strobe). Сначала на адресную шину выставляется адрес строки, затем — столбца. В классической модели SDRAM первая из посылок выполняется по спаду (заднему фрон­ту) тактирующего импульса RAS, вторая — по спаду CAS. После этого в течении заданного времени кон­т­рол­лер мо­жет опе­ри­ро­вать с данными в оперативной памяти (читать их или писать).

Временная диаграмма работы классической запоминающей матрицы динамической памяти


Рис 5. Временная диаграмма работы классической запоминающей матрицы динамической памяти

Окно возможностей закрывается с началом упомянутого уже регулярного цикла регенерации (Memory Refresh). Для поддержания сохранности данных необходимо выполнить обход ячеек памяти, освежив в них информацию холостыми циклами перезаписи. Регенерация памяти происходит сразу по всей строке, в силу транзисторной ар­хи­тек­ту­ры матрицы. Оперативная память видеоадаптера специальных циклов регенерации не требует: фор­ми­ро­ва­ние развертки для вывода на экран изображения создает условия, при которых периодичность обращения к памяти обеспечивает своевременную перезарядку запоминающего конденсатора.

Даже при наличии буфера обмена, чип динамической памяти не в состоянии обеспечить мгновенный доступ к за­тре­бо­ван­ной контроллером информации. Чтобы избежать пауз, создаваемых операцией Refresh, современные ми­кро­схе­мы DRAM поддерживают несколько независимых запоминающих матриц — они называются банками па­мя­ти. Обмен данными выполняется с минимальными задержками, если требуемая информация хранится в раз­ных бан­ках одного и того же чипа.

Видео гайд по Ячейка памяти и Блок памяти в игре Mindustry

В этом видео гайде для новичков и опытных игроков по механикам игры Mindustry рассказывается о том, каким способом правильно пользоваться и использовать Ячейка памяти и Блок памяти в Миндастри:

  • Как записать и сохранить данные в ячейке памяти;
  • Как записать и сохранить данные в блоке памяти;
  • Как загрузить и считать данные из ячейки памяти;
  • Как загрузить и считать данные из блока памяти.

Текст видео гайда (субтитры)

Итак, что же можно записать в ячейку памяти в ячейку памяти можно записать практически абсолютно любые данные именно числовые слова в ячейку памяти записать не получится.

Итак давайте для наглядности сделаем какой-нибудь примерчик добавляем сет здесь пишем число число 1 число 1 у нас будет равняться 5 отлично также копируем добавляем здесь число два и указываем 25 теперь вот эта команда в райд отвечает за запись в нашу ячейку памяти команда рид отвечает за чтение из ячейки памяти добавляем команду в right здесь мы должны указать именно ту переменную, которую мы хотим записать запишем первое число 5 добавляем его вот сюда пишем такое же имя как.

И вот здесь запись нашего числа куда здесь указано ячейка памяти вот ее имя, поскольку мы знаем, то что у нас размер памяти 64 счет этой памяти начинается с 0, то есть от нуля и до 63 и того шестьдесят четыре ячейки, чтобы вам было проще это понимать представьте себе маленькие полочки, то есть у нас стоит огромный шкаф и на нем есть 64 полочки мы наше число 5 кладем на первую полочку на счет начинается с 0 копируем нашу команду в райт записи и добавляем число 2 это у нас 25 также записываем ее в нашу ячейку памяти, но кладем уже второе число на полочку один это у нас 1 пол-очка это вторая палочка.

Так можно назвать округлить если не получится в этом процессоре, то мы должны будем это сделать именно в первом процессоре здесь добавляем операцию пишем x и выбираем floor for x также делаем для игрека игрек flor y.

На этом все обязательно ставьте лайки под видео комментируйте все комментарии я читаю с вами был restore увидимся.

Для данной статьи существует видоеверсия с большим количеством анимаций, рекомендую к просмотру именно её, вместо текстовой версии:

Принципы работы ячеек памяти, определение носителя информации, принципы считывания состояния ячейки памяти

Каждая ячейка памяти — это полевой транзистор с изолированным затвором, но не простой, а хитрый. Со сдвоенным затвором. Если кто не в курсе общая суть полевого транзистора заключается в следующем:

У нас есть исток и сток, проще говоря вход и выход, и между ними область через которую может проходить заряд от стока к истоку, и есть ещё одна отделённая область от этих структур диэлектриком, которая называется — затвор. И если подать заряд на затвор, то затвор своим электромагнитным полем начинает влиять на легированную часть транзистора между стоком и истоком и этим перекрывает возможность протекания тока между ними.



То есть если поместить в него какой-то заряд, то этот заряд сам никуда не денется. И тут начинается самое интересное. Предположим, что заряда на плавающем затворе — нет. В таком случае — транзистор работает ровно так же, как и в случае когда второго затвора не было вообще. То есть не подаём заряд на затвор ток не идёт — подаём — ток идёт. Но если в плавающий затвор подать отрицательный заряд, то логика работы меняется. Если не подавать заряд на обычный затвор, то ток идти не будет, но если падать положительный заряд, то этот заряд будет компенсирован отрицательным зарядом плавающего затвора и в сумме они не дадут необходимого заряда чтобы ток через транзистор пошёл. То есть в случае активации транзистора ток через него всё равно не идёт. Иными словами — в случае подачи положительного заряда, если на плавающем ничего нет, то транзистор будет открыт, а если заряд есть — то транзистор будет закрыт. А теперь вспоминаем, что заряд в плавающем затворе никуда не девается, в том числе и в моменты когда питание на весь накопитель не подаётся вообще. То есть в любой момент времени мы можем по поведению тока сток исток понять есть ли заряд в нашем хитром затворе или нет. То есть прочитать заранее сохранённое состояние нашего транзистора, который стал уже вовсе и не транзистором, а ячейкой памяти.

Запись данных в ячейку памяти и причины ограниченности ресурса работы SSD

С запоминанием информации в целом понятно. С тем как понять что записано надеюсь тоже понятно. Остаётся понять только то, как осуществляется зарядка и разрядка плавающего изолированного затвора. То есть изменение состояния самой ячейки памяти. Иными словами — запись и стирание данных. И тут всё в общем-то не так сложно. Общая суть в том, что если приложить достаточное напряжение — то электроны могут пройти через диэлектрик, в нашем случае диоксид кремния.


При подаче высокого напряжения на Затвор и Сток электроны вынужденно проходят в область плавающего затвора

И имея вокруг нашего хитрого затвора достаточную разность потенциалов можно в него насильно впихнуть электроны, или наоборот высосать из него электроны, тем самым придав ему некий заряд, который сам по себе, без этих повышенных напряжений, никуда уже не денется долгие годы. Собственно таким образом и производится запись в ячейки памяти.

Проблема только в том, что эти насильственные действия над транзистором на повышенном напряжении разрушают диоксид кремния вокруг затвора раз за разом при каждом прохождении через него заряда.


Что ведёт к деградации свойств, и в конечном итоге к выходу ячейки памяти из строя. То есть при многократном воздействии на изолированный плавающий затвор для изменения его заряда — разрушается транзистор. То есть для транзистора существует предельное количество циклов изменения состояния этого затвора перед тем как ячейка памяти перестанет работать должным образом. Естественно разработчики накопителей в курсе проблемы, это всё учитывается в создаваемых контроллеров памяти, которые стремятся равномерно производить износ всего накопителя, вводятся резервные области для замены вышедших из строя ячеек, есть и другие софтовые оптимизации уже и на уровне операционных систем позволяющие максимально редко производить ненужные перезаписи.

Многобитные ячейки памяти. MLC, TLC, QLC. Принципы работы и отличия от однобитных. Причины падения скорости от увеличения битности.

С точки зрения работы транзистора наш дополнительный затвор позволяет сдвигать сток затворную характеристику. И кардинальное наличие заряда в плавающем затворе сдвигает эту характеристику так далеко, что рабочие напряжения для транзистора его не открывают.

Отрицательные заряды сильно смещают напряжение Затвор-исток при котором начинает идти ток сток-исток

И в показанной схеме у нас есть некий широкий диапазон напряжений на затворе который нам позволяет понять что записано условно 0 или 1. То есть мы сохраняем 1 бит информации.

И описанный метод записи и чтения — полностью цифровой. То есть транзистор либо проводит ток, либо — нет, и это мы можем интерпретировать условно в то, что записан условно 0 или 1.


Набор стоко-затворных характеристик для разного уровня заряда плавающего затвора

И это уже не цифровая запись, а аналоговая, то есть если мы зарядили чуть-чуть плавающий затвор, то и сместили мы характеристику чуть-чуть и у нас транзистор открывается если подать на затвор напряжение чуть выше чем минимально нужное, если зарядить плавающий затвор чуть сильнее, то и открыть транзистор будет ещё сложнее и т.д. В теории можно допустить бесконечное количество градаций уровней записей. Сейчас наверное некоторые из вас в шоке, но ячейки памяти в MLC, TLC и QLC SSD накопителях — это аналоговые носители информации, а не цифровые. Потому что именно таким образом и производиться запись многобитных ячеек памяти. Ячейка всё равно может сохранить только одно состояние записи, но если для однобитных ячеек записью было наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе, то в многобитных ячейках под записью понимается не факт наличия или отсутствия заряда — а величина заряда. И уже эта величина при чтении должна быть оцифрована таким образом, чтобы это можно было записать в более чем один бит информации. И при оцифровывании любого аналогового сигнала емкость его данных в цифровом виде зависит от получаемой дискретности уровней распознавания сигнала. То есть чем больше градаций сигнала можно распознать, тем выше ёмкость данных аналогового сигнала. В текущий момент дискретизация сигнала производиться не очень сильная. Для двух битов данных нужно распознать 4 уровня величины сохранённого заряда,


для трёх бит нужно распознать 8 уровней величины заряда,


и для 4-х бит нужно распознавать до 16 уровней заряда.


И распознование производиться по смещению характеристики открытия транзистора. Грубо говоря, если у нас разбит весь диапазон тестирования открытия транзистора на 16 диапазонов, то надо по очереди тестировать каждое напряжение на затвор и зная при каком из них у нас в достаточной степени открылся транзистор — такой уровень и считать записанным в этом транзисторе. И просто каждой градации этих напряжений даются порядковые номера которые и есть цифровая интерпретация уровня заряда плавающего затвора. И для 16 градаций или для QLC памяти — это 4 бита. Некоторые компании грозятся сейчас выпустить 5 битные ячейки.


Как вы понимаете именно по технике разницы с 4-х битными не будет, но градаций будет уже не 16, а 32. То есть надо очень точно попадать в нужный диапазон заряда при наполнении плавающего затвора, и гораздо сложнее становится процесс считывания сигнала, вернее процесс оцифровки уровня заряда плавающего затвора. Естественно при этом снижается скорость работы с памятью. Кроме того — напомню, что процесс наполнения затвора зарядом — это аварийный для транзистора режим работы, и этот аварийный режим надо ещё очень точно контролировать, чтобы действительно был помещён нужный заряд, а не чуть больше или чуть меньше, потому что если заряд не попал в строгие рамки, то при его интерпритации он может дать другие цифровые значения. И, естественно, чем больше градаций — тем сложнее попасть в нужный диапазон. И в многобитных ячейках — неверная запись не является чем-то очень редким, поэтому для записи всегда требуется контроль на ошибки, что отнимает время, снижая скорость работы, вдобавок в случае ошибочной записи требуется перезапись ячеек в странице в которой была произведена ошибочная запись, что, как вы понимаете, ещё и снижает ресурс.

Причины снижения ресурса работы накопителей, запись накопителей с уплотнением данных.

Но не только этим снижается ресурс записи на многобитных ячейках. Как вы могли понять из теории — аппаратных различий для MLC, TLC или QLC памяти — нет. Меняется только процесс интерпретации записи, который задаётся программно. Иными словами если контроллер накопителя это позволяет, то QLC можно записывать в более простых для записи TLC, MLC или SLC режимах. Что сейчас активно и делается, хотя не на всех накопителях, но если пару лет назад было редкость — перезапись накопителей с уплотнением, то сейчас редкость когда такого не происходит. Работу уплотнения записи отлично было видно в тестах накопителей, когда при полной последовательной записи скорость падала в несколько градаций.

Разберёмся в том, что при этом происходило с накопителем.

Вначале накопитель занимал весь свой объём записывая всё в однобитном режиме. То есть абы какой заряд уже абы как смещает стоко-затворную характеристику, но этого достаточно чтобы записать один бит на ячейку. И в таком режиме весь объём ячеек быстро заканчивается. По данным о диске он ещё записан совсем чуть-чуть, но на самом деле он полностью забит данными. И для дальнейшего записывания накопитель начинает уплотнять запись. Но происходит это исключительно перезаписыванием. То есть надо во временное место скопировать данные страницы, далее затереть записанные данные, то есть вытащить из плавающих затворов заряды, дальше взять новый кусок информации, собрать его со старым куском информации и записать в те же ячейки, но уже не абы как, а, допустим, в MLC режиме, то есть с 4-мя градациями уровней заряда плавающих затворов. Далее накопитель так же заполняется полностью уже в режиме MLC. Если надо продолжить запись, а в MLC режиме место опять закончилось, то процесс уплотнения, то есть перезаписи в более плотном формате производиться уже в TLC режиме. Далее ещё может быть произведена запись в QLC режиме. Подобный механизм работает и в случае если вам хватило места до уплотнения. Как только вы перестаёте заполнять накопитель он автоматически начинает уплотнять запись, чтобы в случае необходимости он мог опять кратковременно вести запись в однобитном режиме используя свободный остаток. Хотя ещё раз напомню, что не все накопители так делают. В некоторых выделен фиксированный объём для быстрой записи и дальше накопитель заполняется уже с финальной плотностью.

Естественно такое огромное количество травмирующих ячейки перезаписей а также перезаписей из-за ошибок — крайне негативно сказывается на долговечности работы ячеек. Кроме того при большей плотности записи для изменения одного и того же объёма данных записанных случайным образом потребуется перезаписать больше страниц накопителя. Иными словами — ресурс накопителей от увеличения плотности резко падает и, в общем-то, причин на это аж несколько.

Надеюсь теперь полученные знания сделают для вас тесты накопителей увлекательнее.

Видео на YouTube канале "Этот компьютер"

Читайте также: