ذاكرة قابلة للعنونة بالمحتوى

ذاكرة الوصول العشوائي للمحتوى ( CAM ) هي نوع خاص من ذاكرة الحاسوب يُستخدم في بعض تطبيقات البحث فائقة السرعة. تُعرف أيضًا باسم الذاكرة الترابطية أو التخزين الترابطي ، وتقارن بيانات البحث المدخلة بجدول البيانات المخزنة، ثم تُعيد عنوان البيانات المطابقة. ^{[ 1 ]}

تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي المترابطة (CAM) بكثرة في أجهزة الشبكات ، حيث تُسرّع عمليات توجيه المعلومات وجداول التوجيه . كما تُستخدم هذه الذاكرة الترابطية في ذاكرة التخزين المؤقت (الكاش). في ذاكرة التخزين المؤقت الترابطية ، يُخزّن العنوان والمحتوى جنبًا إلى جنب. وعندما يتطابق العنوان، يُسترجع المحتوى المقابل من ذاكرة التخزين المؤقت.

تاريخ

ابتكر دادلي ألين باك مفهوم الذاكرة القابلة للعنونة بالمحتوى في عام 1955. وينسب إلى باك فكرة وحدة التعرف . ^{[ 2 ]}

مصفوفة ترابطية للأجهزة

على عكس ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) القياسية، حيث يُدخل المستخدم عنوانًا في الذاكرة، فتقوم ذاكرة الوصول العشوائي بإرجاع كلمة البيانات المخزنة في ذلك العنوان، فإن ذاكرة الوصول العشوائي المخصصة (CAM) مصممة بحيث يُدخل المستخدم كلمة بيانات، فتبحث ذاكرة الوصول العشوائي المخصصة في كامل ذاكرتها لمعرفة ما إذا كانت تلك الكلمة مخزنة في أي مكان فيها. إذا وُجدت كلمة البيانات، تُرجع ذاكرة الوصول العشوائي المخصصة قائمةً بعنوان تخزين واحد أو أكثر حيث وُجدت الكلمة. وبالتالي، فإن ذاكرة الوصول العشوائي المخصصة هي التجسيد المادي لما يُسمى في مصطلحات البرمجيات بالمصفوفة الترابطية .

يمكن إيجاد مفهوم مماثل في وحدة التعرف على الكلمات في البيانات ، كما اقترحها دودلي ألين باك في عام 1955. ^{[ 3 ]}

المعايير

تم تحديد تعريف رئيسي لواجهة ذاكرة الوصول العشوائي (CAM) ومحركات البحث الشبكية الأخرى في اتفاقية قابلية التشغيل البيني المعروفة باسم واجهة البحث الجانبي (LA-1 وLA-1B)، والتي طورها منتدى معالجة الشبكات . ^{[ 4 ]} وقد أنتجت شركات مثل Integrated Device Technology و Cypress Semiconductor و IBM و Broadcom وغيرها العديد من الأجهزة المتوافقة مع اتفاقية قابلية التشغيل البيني . وفي 11 ديسمبر 2007، نشر منتدى معالجة الشبكات (OIF) اتفاقية واجهة البحث الجانبي التسلسلي (SLA).

تطبيقات أشباه الموصلات

تُعدّ ذاكرة الوصول العشوائي المُجمّعة (CAM) أسرع بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) في تطبيقات البحث عن البيانات. مع ذلك، تُعاني ذاكرة الوصول العشوائي المُجمّعة من عيوبٍ تتعلق بالتكلفة. فعلى عكس شريحة ذاكرة الوصول العشوائي، التي تحتوي على خلايا تخزين بسيطة، يجب أن يكون لكل بت من بتات الذاكرة في ذاكرة الوصول العشوائي المُجمّعة المتوازية بالكامل دائرة مقارنة خاصة به لاكتشاف التطابق بين البت المُخزّن وبت الإدخال. بالإضافة إلى ذلك، يجب دمج مخرجات التطابق من كل خلية في كلمة البيانات للحصول على إشارة تطابق كاملة لكلمة البيانات. تُؤدي هذه الدوائر الإضافية إلى زيادة الحجم المادي وتكلفة تصنيع شريحة ذاكرة الوصول العشوائي المُجمّعة. كما تُؤدي هذه الدوائر الإضافية إلى زيادة استهلاك الطاقة نظرًا لأن كل دائرة مقارنة تكون نشطة في كل دورة ساعة. ونتيجةً لذلك، تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي المُجمّعة فقط في التطبيقات المُتخصصة التي لا يُمكن فيها تحقيق سرعة البحث باستخدام طريقة أقل تكلفة. ومن بين التطبيقات الناجحة المُبكرة، نظام ومعالج متكامل للأغراض العامة. ^{[ 5 ]}

في أوائل العقد الأول من الألفية الثانية، طرحت العديد من شركات أشباه الموصلات، بما في ذلك Cypress و IDT و Netlogic وSibercore ^{[ 6 ]} و MOSAID، منتجات CAM تستهدف تطبيقات الشبكات. وقد سُميت هذه المنتجات بمحركات بحث الشبكة (NSE) ومسرعات بحث الشبكة (NSA) ومعالجات قائمة على المعرفة (KBP)، ولكنها كانت في جوهرها CAM مزودة بواجهات وميزات متخصصة مُحسَّنة للشبكات. وتقدم Broadcom حاليًا عدة عائلات من معالجات KBP. ^{[ 7 ]}

تطبيقات بديلة

لتحقيق توازن مختلف بين السرعة وحجم الذاكرة والتكلفة، تحاكي بعض التطبيقات وظيفة CAM باستخدام تصميمات البحث الشجري أو التجزئة القياسية في الأجهزة، مستخدمةً تقنيات مثل النسخ المتماثل أو التجزئة لتحسين الأداء. تُستخدم هذه التصميمات غالبًا في أجهزة التوجيه . تُعد خوارزمية Luleå تطبيقًا فعالًا لعمليات البحث عن أطول بادئة مطابقة، كما هو مطلوب في جداول توجيه الإنترنت.

طب الأطفال الثلاثي

ذاكرة الوصول العشوائي الثنائية (CAM) هي أبسط أنواع ذاكرة الوصول العشوائي، وتستخدم كلمات بحث تتكون بالكامل من 1 و0 . أما ذاكرة الوصول العشوائي الثلاثية ( TCAM ) ^{[ 8 ]} فتتيح حالة مطابقة ثالثة ( X أو عدم الاكتراث ) لبت واحد أو أكثر في الكلمة المخزنة، مما يضيف مرونة للبحث. على سبيل المثال، ستطابق الكلمة المخزنة 10XX0 في ذاكرة CAM ثلاثية أيًا من كلمات البحث الأربع : 10000 ، 10010 ، 10100 ، أو 10110. تأتي هذه المرونة الإضافية في البحث بتكلفة إضافية مقارنةً بذاكرة CAM الثنائية، حيث يجب على خلية الذاكرة الداخلية الآن ترميز ثلاث حالات محتملة بدلًا من حالتين فقط في ذاكرة CAM الثنائية. تُنفذ هذه الحالة الإضافية عادةً بإضافة بت قناع ( بت الاكتراث أو عدم الاكتراث ) إلى كل خلية ذاكرة. في عام 2013، صنعت شركة IBM ذاكرة TCAM غير متطايرة باستخدام خلايا ثنائية الترانزستور/ثنائية المقاومة (2T-2R). ^{[ 9 ]} نُشر مؤخرًا تصميم لـ TCAM باستخدام FeFET الهجين الكهروإجهادي من قبل مجموعة من العلماء الدوليين. ^{[ 10 ]}

تطبيقات نموذجية

تُستخدم ذاكرة الوصول العشوائي للمحتوى (CAM) بكثرة في أجهزة شبكات الحاسوب . فعلى سبيل المثال، عندما يستقبل مُبدِّل الشبكة إطار بيانات من أحد منافذه، يُحدِّث جدولًا داخليًا بعنوان MAC المصدر للإطار والمنفذ الذي استُقبل عليه. ثم يبحث عن عنوان MAC الوجهة في الجدول لتحديد المنفذ الذي يجب إعادة توجيه الإطار إليه، ويرسله عبر ذلك المنفذ. عادةً ما يُنفَّذ جدول عناوين MAC باستخدام ذاكرة CAM ثنائية، مما يُتيح العثور على منفذ الوجهة بسرعة كبيرة، وبالتالي تقليل زمن استجابة المُبدِّل.

تُستخدم عناوين CAM الثلاثية غالبًا في أجهزة توجيه الشبكة ، حيث يتكون كل عنوان من جزأين: بادئة الشبكة ، التي قد يختلف حجمها تبعًا لتكوين الشبكة الفرعية ، وعنوان المضيف، الذي يشغل البتات المتبقية. لكل شبكة فرعية قناع شبكة يُحدد أي بتات العنوان تُمثل بادئة الشبكة وأي بتات تُمثل عنوان المضيف. تتم عملية التوجيه بالرجوع إلى جدول توجيه يحتفظ به جهاز التوجيه، والذي يحتوي على كل بادئة شبكة وجهة معروفة، وقناع الشبكة المرتبط بها، والمعلومات اللازمة لتوجيه الحزم إلى تلك الوجهة. في تطبيق برمجي بسيط، يُقارن جهاز التوجيه عنوان وجهة الحزمة المراد توجيهها مع كل إدخال في جدول التوجيه، مُجريًا عملية AND منطقية مع قناع الشبكة ومقارنته ببادئة الشبكة. إذا تطابقا، تُستخدم معلومات التوجيه المُقابلة لإعادة توجيه الحزمة. استخدام عنوان CAM ثلاثي لجدول التوجيه يجعل عملية البحث فعّالة للغاية. تُخزَّن العناوين دون الاهتمام بجزء المضيف منها، لذا فإن البحث عن عنوان الوجهة في وحدة CAM يسترجع مباشرةً مدخل التوجيه الصحيح؛ حيث تتم كل من عملية إخفاء قناع الشبكة والمقارنة بواسطة وحدة CAM. ينجح هذا في حالتين: (أ) إذا كانت المدخلات مُخزَّنة بترتيب تنازلي لطول قناع الشبكة، و(ب) إذا أعادت الوحدة أول مدخل مطابق فقط؛ وبالتالي، يُستخدم التطابق مع أطول قناع شبكة ( أطول تطابق للبادئة ). ^{[ 11 ]}

تشمل تطبيقات CAM الأخرى ما يلي:

وحدات تحكم ذاكرة التخزين المؤقت الترابطية بالكامل ومخازن البحث عن الترجمة ^{[ 12 ]}
محركات قواعد البيانات
أجهزة ضغط البيانات
الشبكات العصبية الاصطناعية ^{[ 13 ]}
أنظمة منع الاختراق
معالجات الشبكة
تم بناء العديد من أجهزة الكمبيوتر المخصصة، مثل Goodyear STARAN ، لتنفيذ CAM.

انظر أيضاً

مراجع

↑ "ك. باجيامتزيس* وأ. شيخ الإسلامي، دوائر وهياكل ذاكرة الوصول العشوائي للمحتوى (CAM): دليل ودراسة استقصائية، مجلة IEEE للدوائر المتكاملة، الصفحات 712-727، مارس 2006" (ملف PDF) . مؤرشف (ملف PDF) من النسخة الأصلية بتاريخ 15 مارس 2007.
↑ قسم الحواسيب في شركة TRW. (1963). التقرير المرحلي الأول حول الاستخدام الأمثل للحواسيب وتقنيات الحوسبة في أنظمة التحكم بالأسلحة على متن السفن . (مشروع BuWeps-RM1004 M88-3U1). الإسكندرية، فرجينيا: مركز التوثيق الدفاعي للمعلومات العلمية والتقنية.
↑ قسم الكمبيوتر في شركة TRW مؤرشف في 5 أغسطس 2011، في آلة Wayback ، 1963، ص 17.
↑ اتفاقية تنفيذ واجهة Look-Aside (LA-1B) (ملف PDF) ، 2004-08-04
↑ ستورمون، سي دي؛ ترولينوس، إن بي؛ صالح، إي إم؛ شافان، إيه في؛ برول، إم آر؛ أولدفيلد، جيه في (ديسمبر 1992). "معالج CMOS ترابطي متعدد الأغراض ونظام متكامل". IEEE Micro . 12 (6): 68-78 . doi : 10.1109/40.180249 . S2CID 206432751 .
↑ "Sibercore Technologies - حلول السيليكون للفضاء الإلكتروني" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 19-04-2003.
↑ "معالجات المعرفة غير المتجانسة بتقنية 16 نانومتر (KBPs)" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 19-05-2017.
↑ هوكابي، ديفيد (2004). دليل شهادة امتحان CCNP BCMSN: دراسة ذاتية لشهادة CCNP . دار نشر سيسكو. ISBN 9781587200779.
↑ Jing Li, R. Montoye, M. Ishii, K. Stawiasz, T. Nishida, K. Maloney, G. Ditlow, S. Lewis, T. Maffitt, R. Jordan, Leland Chang, P. Song, "1Mb 0.41 μm2 2T-2R cell nonvolatile TCAM with two-bit encoding and clocked self-refed sensing", IEEE Symposium on VLSI Technology, 2013.
↑ Xunzhao Yin, Yu Qian, M. Imani, K. Ni, Chao Li, Grace Li Zhang, Bing Li, Ulf Schlichtmann, Cheng Zhuo, "Ferroelectric Ternary Content Addressable mers for Energy-Efficient Associative Search", IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, April 2023.
↑ فارغيز، جورج ، خوارزميات الشبكات: منهج متعدد التخصصات لتصميم أجهزة شبكية سريعة ، مورغان كوفمان، 2005
↑ سميث، آلان جاي (سبتمبر 1982). "ذاكرات التخزين المؤقت" (ملف PDF) . مجلة Computing Surveys . 14 (3): 473–530 . doi : 10.1145/356887.356892 . S2CID 6023466. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 3 أبريل 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 أبريل 2022. ذاكرة TLB هي ذاكرة ترابطية صغيرة تربط العناوين الافتراضية بالعناوين الحقيقية.
↑ هينتون، جيفري إي. (1984). "التمثيلات الموزعة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2016-05-02 . تم الاسترجاع بتاريخ 2017-12-14 .

فهرس

أنارجيروس كريكيليس، تشارلز سي. ويمز (محرران) (1997). المعالجة الترابطية والمعالجات ، مطبعة علوم الحاسوب التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. رقم ISBN 0-8186-7661-2
براءة الاختراع الأمريكية رقم 6823434 ، هانوم وآخرون، "نظام وطريقة لإعادة ضبط وتهيئة مصفوفة ترابطية بالكامل إلى حالة معروفة عند التشغيل أو من خلال حالة خاصة بالجهاز"، نُشرت عام 2004
باجيامتيس، ك.؛ شيخ الإسلامي، أ. (2006). "دوائر وهياكل ذاكرة الوصول العشوائي للمحتوى (CAM): دليل ودراسة استقصائية" (ملف PDF) . مجلة IEEE للدوائر المتكاملة . 41 (3): 712-727 . Bibcode : 2006IJSSC..41..712P . doi : 10.1109/JSSC.2005.864128 . S2CID 11178331 .
Stormon, CD; Troullinos, NB; Saleh, EM; Chavan, AV; Brule, MR; Oldfield, JV; معالج CMOS ترابطي للأغراض العامة ونظام، Coherent Research Inc.، East Syracuse، NY، الولايات المتحدة الأمريكية، IEEE Micro، ديسمبر 1992، المجلد: 12 العدد: 6.

روابط خارجية

برايمر كام
معالجة العمليات الحسابية باستخدام الذاكرة الترابطية

[1] "ك. باجيامتزيس* وأ. شيخ الإسلامي، دوائر وهياكل ذاكرة الوصول العشوائي للمحتوى (CAM): دليل ودراسة استقصائية، مجلة IEEE للدوائر المتكاملة، الصفحات 712-727، مارس 2006" (ملف PDF) . مؤرشف (ملف PDF) من النسخة الأصلية بتاريخ 15 مارس 2007.

[2] قسم الحواسيب في شركة TRW. (1963). التقرير المرحلي الأول حول الاستخدام الأمثل للحواسيب وتقنيات الحوسبة في أنظمة التحكم بالأسلحة على متن السفن . (مشروع BuWeps-RM1004 M88-3U1). الإسكندرية، فرجينيا: مركز التوثيق الدفاعي للمعلومات العلمية والتقنية.

[3] قسم الكمبيوتر في شركة TRW مؤرشف في 5 أغسطس 2011، في آلة Wayback ، 1963، ص 17.

[4] اتفاقية تنفيذ واجهة Look-Aside (LA-1B) (ملف PDF) ، 2004-08-04

[5] ستورمون، سي دي؛ ترولينوس، إن بي؛ صالح، إي إم؛ شافان، إيه في؛ برول، إم آر؛ أولدفيلد، جيه في (ديسمبر 1992). "معالج CMOS ترابطي متعدد الأغراض ونظام متكامل". IEEE Micro . 12 (6): 68-78 . doi : 10.1109/40.180249 . S2CID 206432751 .

[6] "Sibercore Technologies - حلول السيليكون للفضاء الإلكتروني" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 19-04-2003.

[7] "معالجات المعرفة غير المتجانسة بتقنية 16 نانومتر (KBPs)" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 19-05-2017.

[8] هوكابي، ديفيد (2004). دليل شهادة امتحان CCNP BCMSN: دراسة ذاتية لشهادة CCNP . دار نشر سيسكو. ISBN 9781587200779.

[9] Jing Li, R. Montoye, M. Ishii, K. Stawiasz, T. Nishida, K. Maloney, G. Ditlow, S. Lewis, T. Maffitt, R. Jordan, Leland Chang, P. Song, "1Mb 0.41 μm2 2T-2R cell nonvolatile TCAM with two-bit encoding and clocked self-refed sensing", IEEE Symposium on VLSI Technology, 2013.

[10] Xunzhao Yin, Yu Qian, M. Imani, K. Ni, Chao Li, Grace Li Zhang, Bing Li, Ulf Schlichtmann, Cheng Zhuo, "Ferroelectric Ternary Content Addressable mers for Energy-Efficient Associative Search", IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, April 2023.

[11] فارغيز، جورج ، خوارزميات الشبكات: منهج متعدد التخصصات لتصميم أجهزة شبكية سريعة ، مورغان كوفمان، 2005

[12] سميث، آلان جاي (سبتمبر 1982). "ذاكرات التخزين المؤقت" (ملف PDF) . مجلة Computing Surveys . 14 (3): 473–530 . doi : 10.1145/356887.356892 . S2CID 6023466. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 3 أبريل 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 أبريل 2022. ذاكرة TLB هي ذاكرة ترابطية صغيرة تربط العناوين الافتراضية بالعناوين الحقيقية.

[Hinton,_Geoffrey_E_19842-13] هينتون، جيفري إي. (1984). "التمثيلات الموزعة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2016-05-02 . تم الاسترجاع بتاريخ 2017-12-14 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]