Què és la memòria associativa?

La majoria de la memòria s'emmagatzema i s'accedeix de la mateixa manera. El contingut es guarda i després es recupera mitjançant una adreça de memòria. Això és generalment útil i s'utilitza gairebé universalment. Malauradament, hi ha un petit problema amb aquest estil d'emmagatzematge. És excel·lent si sabeu on s'emmagatzemen les dades que necessiteu. No funciona bé si voleu cercar una entrada específica.

Suposem que voleu trobar un fitxer; recordeu el seu nom però no quina carpeta heu desat. El vostre ordinador pot cercar el nom del fitxer, però tret que l'hagueu utilitzat recentment, sovint és bastant lent a l'hora de realitzar la cerca. I això és tenint en compte que els sistemes de fitxers s'emmagatzemen com a noms i adreces de fitxers.

La memòria associativa, també coneguda com a memòria adreçable de contingut, o CAM, està dissenyada per ser cercada pel seu contingut. Malauradament, implementar la memòria associativa és molt car. Això significa que només s'utilitza en alguns casos, normalment en maquinari de xarxa de gamma alta. La memòria de noms associatius prové del fet que és una implementació de maquinari d'una matriu de programari associatiu.

Estructura cel·lular

La memòria associativa només s'utilitza quan es necessita un rendiment extremadament alt. Com a tal, es basa en SRAM en lloc de DRAM. Com a punt de partida, només això ho fa car. La DRAM utilitza un transistor i un condensador per bit, i la SRAM utilitza un total de 6 transistors. Per cercar de manera eficient el contingut d'una cel·la de memòria, cada cel·la es modifica per tenir circuits de comparació. Això afegeix un total de 4 transistors més a cada cel·la. Això significa que la memòria associativa és significativament menys densa que la SRAM, que ja és una forma d'emmagatzematge cara.

Ús

La memòria associativa és cara i està optimitzada exclusivament per a les cerques basades en continguts coincidents. Com a tal, només s'utilitza realment en dispositius que necessiten realitzar constantment aquest tipus de cerca; fins i tot llavors, normalment es limita als models de gamma alta. En general, només hi ha dos llocs principals on s'utilitza la memòria associativa, els commutadors de xarxa i els encaminadors.

El maquinari de xarxa com els commutadors i els encaminadors ha d'oferir nivells d'alt rendiment per mantenir diversos gigabits de trànsit de xarxa fluint constantment. Dins d'una xarxa, les adreces MAC s'utilitzen per encaminar el trànsit. Un commutador sabrà a quin dels seus nombrosos ports de xarxa s'han d'enviar les dades, de manera que arribarà al dispositiu amb l'adreça MAC correcta. Per garantir que cada paquet s'enviï al lloc correcte, es cerca la seva adreça MAC de destinació. En un format de memòria tradicional, això trigaria una mica de temps, augmentant la latència de totes les comunicacions de xarxa. Amb la memòria associativa, aquesta recerca pot ser molt més ràpida.

Binari i Ternari

La majoria de la memòria associativa es basa en binari, però algunes es basen en ternàries. Una cel·la de memòria associativa ternària és similar a la binària descrita anteriorment. En lloc de tenir una cel·la SRAM, però, en té dues. Tots dos junts tenen els quatre transistors addicionals necessaris per realitzar la comparació. Això, per descomptat, fa que la memòria associativa ternària sigui encara més cara que la seva cosina binària, així que per a què serveix?

El segon bit de la cèl·lula ternària indica "cuida" o "no m'importa". Això afegeix un tercer estat a la cel·la i a la funció de cerca global. Ara pot emmagatzemar un 1, 0 o X per no importar-ho. Això és especialment útil quan es tracta de taules d'encaminament de xarxa basades en màscares de subxarxa de longitud variable i amb llistes de control d'accés. És possible que tingueu diverses respostes positives a una única adreça de cerca en totes dues. Dins de tots dos, només voleu prendre nota de la instrucció més precisa.

Per tant, una cerca de 192.168.20.19 pot coincidir amb les regles següents 192.168.20.16/28 i 192.168.0.0/16. Si estàveu fent una cerca binària estàndard, hauríeu de realitzar càlculs per verificar que l'adreça es troba dins dels intervals d'adreces especificats. Amb la lògica ternària, però, podeu determinar si la vostra adreça de cerca coincideix amb 192.168.xx en una sola operació. També podeu determinar que la concordança /28 és molt més precisa que la concordança /16 perquè hi ha menys bits "no m'importa". Això us permet aplicar preferentment les regles de control d'accés relacionades.

Com que la memòria associativa ternària és encara més cara que la forma binària, és encara menys freqüent. En general, només es pot trobar en encaminadors de gamma alta i commutadors multicapa.

Conclusió

La memòria associativa és una forma de memòria que funciona de manera molt diferent de la memòria estàndard. En lloc de sol·licitar les dades emmagatzemades en una adreça específica, cerca a tota la memòria d'una vegada per trobar coincidències amb un terme de cerca. Per aconseguir-ho amb nivells d'alt rendiment, les cèl·lules de memòria es basen en una forma modificada de SRAM que inclou una o dues cel·les SRAM combinades amb quatre transistors addicionals utilitzats per dur a terme la lògica de comparació de bits.

Les cèl·lules SRAM individuals s'utilitzen a la memòria associativa binària, mentre que dues cel·les SRAM s'utilitzen en la memòria associativa ternària. La variant ternària permet emmagatzemar un tercer valor, normalment un 1, 0 o "no m'importa". Això permet que el contingut indiqui que hauria de coincidir encara que el terme de cerca no sigui precís.

Com que les cèl·lules de memòria associativa es basen en la cara SRAM, són costoses, sent el ternari el més costós. A causa d'això i de la seva estructura optimitzada explícitament per a la cerca per contingut, la memòria associativa no s'utilitza a la majoria de dispositius.

Només els inclouen els dispositius que se'n beneficien especialment i on el rendiment supera el cost inicial. Com a tal, normalment es troba exclusivament en maquinari de xarxa de grau empresarial. Dins d'aquesta configuració, sovint es coneix com a CAM i TCAM, per a la memòria adreçable de contingut i la memòria adreçable de contingut ternari, respectivament.