Que é a memoria asociativa?

A maior parte da memoria almacénase e accédese do mesmo xeito. O contido gárdase e despois recuperase mediante un enderezo de memoria. Isto é xeralmente útil e úsase case universalmente. Desafortunadamente, hai un pequeno problema con este estilo de almacenamento. É excelente se sabe onde se almacenan os datos que precisa. Non funciona ben se queres buscar unha entrada específica.

Digamos que quere atopar un ficheiro; lembra o seu nome pero non o cartafol que gardou. O teu ordenador pode buscar o nome do ficheiro, pero a menos que o utilizaches recentemente, moitas veces é bastante lento á hora de realizar a busca. E iso tendo en conta que os sistemas de ficheiros almacénanse como nomes e enderezos de ficheiros.

A memoria asociativa, tamén coñecida como Content Addressable Memory, ou CAM, está deseñada para ser buscada polos seus contidos. Desafortunadamente, implementar memoria asociativa é moi caro. Isto significa que só se usa nalgúns casos, normalmente en hardware de rede de gama alta. A memoria de nome asociativo provén do feito de que é unha implementación de hardware dunha matriz de software asociativo.

Estrutura celular

A memoria asociativa só se usa onde se necesita un rendemento extremadamente alto. Polo tanto, baséase en SRAM e non en DRAM. Como punto de partida, só isto encarece. DRAM usa un transistor e un capacitor por bit, e SRAM usa un total de 6 transistores. Para buscar de forma eficiente o contido dunha cela de memoria, cada cela é modificada para ter un circuíto de comparación. Isto engade un total de 4 transistores máis a cada cela. Isto significa que a memoria asociativa é significativamente menos densa que a SRAM, que xa é unha forma cara de almacenamento.

Uso

A memoria asociativa é cara e está optimizada exclusivamente para buscar coincidencias baseadas no contido. Polo tanto, só se usa realmente en dispositivos que precisan realizar este tipo de busca constantemente; aínda así, adoita limitarse a modelos de gama alta. Xeralmente só hai dous lugares principais onde se usa a memoria asociativa, os conmutadores de rede e os enrutadores.

O hardware de rede, como conmutadores e enrutadores, debe ofrecer niveis de alto rendemento para manter varios gigabits de tráfico de rede fluíndo constantemente. Dentro dunha rede, os enderezos MAC úsanse para enrutar o tráfico. Un interruptor saberá a cal dos seus moitos portos de rede hai que enviar os datos para que chegue ao dispositivo co enderezo MAC correcto. Para asegurarse de que cada paquete se envía ao lugar correcto, búscase o seu enderezo MAC de destino. Nun formato de memoria tradicional, iso levaría algún tempo, engadindo a latencia de todas as comunicacións de rede. Coa memoria asociativa, esa busca pode ser moito máis rápida.

Binario e Ternario

A maioría da memoria asociativa baséase en binario, pero algunhas están baseadas en ternario. Unha célula de memoria asociativa ternaria é semellante á binaria descrita anteriormente. Non obstante, en lugar de ter unha cela SRAM, ten dúas. Ambos xuntos teñen os catro transistores adicionais necesarios para realizar a comparación. Isto, por suposto, fai que a memoria asociativa ternaria sexa aínda máis cara que a súa prima binaria, entón para que serve?

O segundo bit da célula ternaria indica "coidado" ou "non me importa". Isto engade un terceiro estado á cela e á función de busca global. Agora pode almacenar un 1, 0 ou X para non importarlle. Isto é particularmente útil cando se trata de táboas de enrutamento de rede baseadas en máscaras de subrede de lonxitude variable e con listas de control de acceso. Pode ter varias respostas positivas a un só enderezo de busca en ambos. Dentro de ambos, só quere tomar nota da instrución máis precisa.

Polo tanto, unha busca de 192.168.20.19 pode coincidir coas seguintes regras 192.168.20.16/28 e 192.168.0.0/16. Se estiveses a realizar unha busca binaria estándar, terías que realizar cálculos para verificar que o enderezo se atopa dentro dos intervalos de enderezos especificados. Con lóxica ternaria, con todo, pode determinar se o seu enderezo de busca coincide con 192.168.xx nunha única operación. Tamén pode determinar que a coincidencia /28 é moito máis precisa que a coincidencia /16 porque hai menos bits "non importa". Isto permítelle aplicar preferentemente as regras de control de acceso relacionadas.

Como a memoria asociativa ternaria é aínda máis cara que a forma binaria, é aínda menos común. Xeralmente só se pode atopar en routers de gama alta e switches multicapa.

Conclusión

A memoria asociativa é unha forma de memoria que funciona de forma moi diferente á memoria estándar. En lugar de solicitar os datos almacenados nun enderezo específico, busca en toda a memoria dunha vez para buscar coincidencias cun termo de busca. Para logralo con niveis de alto rendemento, as celas de memoria baséanse nunha forma modificada de SRAM que presenta unha ou dúas celas SRAM combinadas con catro transistores adicionais utilizados para realizar a lóxica de comparación de bits.

As células SRAM individuais úsanse na memoria asociativa binaria, mentres que dúas células SRAM úsanse na memoria asociativa ternaria. A variante ternaria permite almacenar un terceiro valor, normalmente un 1, 0 ou "non me importa". Isto permite que o contido indique que debe coincidir aínda que o termo de busca non sexa preciso.

Debido a que as células de memoria asociativa baséanse na SRAM cara, son caras, sendo as ternarias as máis custosas. Debido a isto e á optimización da súa estrutura explícitamente para a busca por contido, a memoria asociativa non se utiliza na maioría dos dispositivos.

Só os dispositivos que se benefician especialmente diso e onde o rendemento supera o custo inicial posúeno. Polo tanto, normalmente atópase exclusivamente no hardware de rede de grao empresarial. Dentro desa configuración, a miúdo denomínase CAM e TCAM, para a memoria direccionable de contido e a memoria direccionable de contido ternario, respectivamente.