Цифровая память на основе молекул ДНК
МИНИСТЕРТСВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУРАДСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ «КубГУ»)
Кафедра экономикии управления инновационнымисистемам
Реферат
Новые технологии памяти
Архитектура компьютера предприятия
Выполнила:
Студентка 2 курса
Группы №213
Михеева Светлана Степановна
Преподаватель:
Пономаренко Татьяна Нинельевна
Краснодар
2018
Содержание
Введение........................................................................................ 3 стр.
1. Nano-RAM........................................................................... 4 стр.
2. Пятимерная стеклянная память.......................................... 7 стр.
3. Цифровая память на основе молекул ДНК........................ 9 стр.
Список литературы.................................................................... 11 стр.
Введение
Технологии, как и жажда человечества создать нечто новое и улучшенное, не стоит на месте. Поэтому с каждым годом люди придумывают что-то новое, способное усовершенствовать уже имеющееся. Это также касается памяти.
Ученые стараются придумать способ создать универсальную память, обладающая максимумом достоинств и минимумом недостатков. Испытывались различные физические принципы, опробовались новые материалы, разрабатывались и менялись технологии. В виду этого появилось большее множество микросхем, изменились структуры ячеек памяти, яснее обозначились возможности, достоинства и недостатки различных технологий.
|
|
|
Nano-RAM
Nano-RAM, или же NRAM, это - тип энергонезависимой памяти, основывающийся на механическом позиционировании углеродных нанотрубок, размещенных на чипообразной подложке. Этот тип памяти предназначен для хранения и передачи информации
Углеродные нанотрубки выращиваются из частиц катализатора, в роли которого, как правило, выступает железо.
В исходном состоянии нанотрубки натянуты и не касаются поверхности электродов, расположенных ниже. (Рис. 1) Расстояние между ними примерно 13 нм. (Рис. 2) При записи информации прикладывается напряжение к электродам и элементам межсоединений, и трубки, находящиеся над местом пересения прогибаются вниз и касаются поверхности электрода, тем самым меняя сопротивление цепи. Под действием сил Ван-дер-Ваальса трубки сохраняют такое положение, а подача обратного напряжения позволяет им вновь распрямиться и разорвать контакт с электродом и элементом межсоединения.
Рисунок 1. Структура матрицы.
Рисунок 2. Замкнутое и разомкнутое состояние нанотрубок.
Использовать данный механизм как память позволяет тот факт, что в обоих позициях нанотрубки стабильны. В отключенном состоянии механическая деформация трубок низкая, поэтому они естественным образом сохраняют эту позицию, тем самым «запоминая» «0».
|
|
|
Когда трубки притянуты к контакту при приложении к верхнему электроду нового заряда, он испытывают механическую деформацию. Приняв данную позицию, трубки продолжат сохранять её, тем самым «запоминая» «1».
В процессе чтения измеряется сопротивление между электродом и элементом межсоединения. Если оно мало, то полагают, что в ячейке записан «0», в обратном случае – «1».
Выделяют следующие преимущества:
· устойчивость к нагреванию, вибрации и давлению;
· долгосрочность. В Nantero утверждают, что при температуре 85 градусов Цельсия их память способна служить тысячи лет, а испытания показали, что при 300 градусах она сохраняла работоспособность на протяжении 10 лет;
· использование интерфейса DDR4. Таким образом, каждую секунду может выполняться до 3,2 млрд операций передачи данных на скорости 2400 Мбит/с;
· новый тип памяти должен быть менее энергозатратным;
В виду того, что на данный момент NRAMне поступил на массовое производство, и работа ведётся только с опытными образцами, не особо много известно о недостатках:
|
|
|
· метод удаления ненужных нанотрубок делает систему довольно непрактичной;
· существующие экспериментальные ячейки обладают очень низкой плотностью, сравнимой с существующими системами.
Пятимерная стеклянная память
Пятимерный накопитель ультравысокой плотности на стандартных дисках из кварцевого стекла предназначен для длительного хранения и передачи информации.
Есть два обычных измерения (длина и ширина) куска кварцевого стекла и есть глубина – запись ведется на трех разных уровнях (слоях) внутри стекла. Что касается четвертого и пятого измерений, они реализуются за счет наноструктурирования поверхности стекла таким образом, что онапреломляет и поляризует свет.
Для записи данных на стекло с помощью лазера наносятся точки. Фемтосекундный лазер выдает вспышки света длительностью всего 280 фемтосекунды (280 квадриллионных секунды). Эти точки, благодаря наноструктурированной поверхности, способны вместить до трех битов данных в двух «измерениях». Варьируя фокус лазера, исследователи смогли создать слои точек, разделенных по оси z (в третьем измерении) расстоянием в 5 мкм (0,005 мм). Затем, просто двигая лазер по вертикали и горизонтали, они записывали эти «три-биты» еще в двух измерениях, что в результате и дало формат 5D. (Рис. 3)
|
|
|
Рисунок 3. Иллюстрированная запись 300-КБ файла в кварцевом стекле
Для считывания точек используется оптический микроскоп, способный «распутывать» поляризованный свет, который отражается трехбитными точками. О том, поддерживают ли стеклянные диски перезапись, сведений нет.
Выделяются следующие преимущества:
· небольшой размер;
· способность вместить огромное количество информации;
· устойчивость к высоким температурам, до 1000 °C;
· способность хранить информацию в течение неограниченного времени
Как и в случае NRAMпамяти, работа осуществляется лишь над образцами пятимерной стеклянной памяти, но куратор проекта пока что сообщает об одном недостатке:
· накопители, использующие эту технологию, в данном случае будут стоить десятки тысяч фунтов.
Цифровая память на основе молекул ДНК
Кодирование осуществляется с помощью четырех основных строительных блоков ДНК: аденина (А), гуанина (G), цитозина (C) и тимина (T). Эти блоки соответствуют цифрам кода. Поскольку их четыре, то двоичные числа перед кодированием переводятся в код с другим основанием. В простейшем случае, может использоваться система с основанием 4, тогда A, C, G, T сопоставляются цифрам 0, 1, 2, 3.
Логическое содержимое ячейки памяти определяется тем, как подключена цепочка нуклеотидов к обрамляющим ее меткам. При прямом соединении она означает "1", а при обратном - "0". В этом случае интеграза и эксцизионаза используются для переключения состояния ячейки - соединение первого белка с ячейкой вносит в него логическую единицу, а комбинация ферментов обнуляет ее.
Биоинженеры провели свыше 700 экспериментов, пытаясь защитить био-память от помех в виде лишних молекул ферментов, аномально высокой концентрации одного из них поблизости от ячейки информации и других случайных процессов. Под действием интегразы участки ДНК палочек со встроенным «флюоресцентным» геном разрезались, разворачивались на 180 градусов (инвертировались) и «зашивались» обратно в хромосому, и под фиолетовой лампой бактерии начинали светиться красным («1»). Под действием одновременно интегразы и эксцизионазы (кофактора) участок возвращался в исходную позицию, и бактерии светились зеленым («ноль»).
Эксперимент прошел удачно - ячейки памяти всегда переключались из одного состояния в другое при добавлении точно отмеренного количества ферментов и сохраняли информацию даже при отсутствии этих белков. Более того, ячейки памяти не разрушались и успешно передавались при делении бациллы. Как утверждают исследователи, RAD-модули оставались в бактериях даже через 100 циклов размножения.
Молекулы ДНК, созданные природой для хранения генетической информации живых организмов, способны хранить информацию во много миллионов раз более плотно, чем все существующие технологии для цифровых запоминающих устройств – жесткие и оптические диски, флэш-накопители и др. Кроме того, ДНК может надежно сохранять данные в течении нескольких столетий в отличие от срока от нескольких лет до двух–трех десятилетий для прочих устройств. По оценкам предел плотности записи на ДНК достигает 1 эксабайт на мм3 (1018 байт/мм3) при периоде полураспада более 500 лет. Правда, пока доступ к записанной таким образом информации очень медленный (от десятков секунд до часов), так что такую систему можно использовать только для архивного хранения данных.
Преимущества данного метода записи и хранения информации:
· на ДНК можно записывать и перезаписывать данные много раз;
· для записи и хранения информации можно использовать вирусные энзимы и «мусорные» участки человеческих ДНК, значительная часть которых представляет собой не что иное, как те же вирусные гены;
К сожалению, до практического применения дело не дошло, поэтому о реальных преимущетсвах и недостатках говорить очень сложно.
Список литературы
1. Пятимерная стеклянная память может вместить 360 Тб информации. [Электронный ресурс] – режим доступа: http://www.shema.ru/news/view/1195/ свободный
2. Nano-RAM[электронный ресурс] – режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Nano-RAM свободный
3. Вихарев. Л. Перспективные технологии производства памяти. Современное состояние /Л. Вихерев// Компоненты и технологии. – 2006 г. - №65 – с. 66-73
4. Кишечный чип. [Электронный ресурс] – режим доступа :https://www.gazeta.ru/ свободный
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 226; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!