Was ist assoziatives Gedächtnis?

Der meiste Speicher wird auf die gleiche Weise gespeichert und abgerufen. Inhalte werden gespeichert und dann unter Verwendung einer Speicheradresse abgerufen. Dies ist im Allgemeinen nützlich und wird fast universell verwendet. Leider gibt es bei dieser Art der Speicherung ein kleines Problem. Es ist hervorragend, wenn Sie wissen, wo die benötigten Daten gespeichert sind. Es funktioniert nicht gut, wenn Sie nach einem bestimmten Eintrag suchen möchten.

Nehmen wir an, Sie möchten eine Datei finden; Sie erinnern sich an den Namen, aber nicht an den Ordner, den Sie gespeichert haben. Ihr Computer kann nach dem Dateinamen suchen, aber wenn Sie ihn nicht kürzlich verwendet haben, ist er oft ziemlich langsam bei der Durchführung der Suche. Und das unter Berücksichtigung, dass Dateisysteme als Dateinamen und -adressen gespeichert werden.

Der Assoziativspeicher, auch bekannt als inhaltsadressierbarer Speicher oder CAM, ist so konzipiert, dass er nach seinem Inhalt durchsucht werden kann. Leider ist die Implementierung des assoziativen Speichers sehr teuer. Dies bedeutet, dass es nur in wenigen Fällen verwendet wird, typischerweise in High-End-Netzwerkhardware. Der assoziative Namensspeicher kommt daher, dass es sich um eine Hardware-Implementierung eines assoziativen Software-Arrays handelt.

Zellstruktur

Assoziativer Speicher wird nur dort eingesetzt, wo extrem hohe Leistung benötigt wird. Als solches basiert es eher auf SRAM als auf DRAM. Als Ausgangspunkt macht dies allein es teuer. DRAM verwendet einen Transistor und einen Kondensator pro Bit, und SRAM verwendet insgesamt 6 Transistoren. Um den Inhalt einer Speicherzelle effizient zu durchsuchen, wird jede Zelle so modifiziert, dass sie eine Vergleichsschaltung aufweist. Dies fügt jeder Zelle insgesamt 4 weitere Transistoren hinzu. Das bedeutet, dass Assoziativspeicher deutlich weniger dicht sind als SRAM, das bereits eine teure Form der Speicherung ist.

Verwendung

Assoziativer Speicher ist teuer und ausschließlich für übereinstimmende inhaltsbasierte Suchen optimiert. Als solches wird es nur wirklich in Geräten verwendet, die diese Art von Suche ständig durchführen müssen; Selbst dann ist es normalerweise auf High-End-Modelle beschränkt. Es gibt im Allgemeinen nur zwei Hauptorte, an denen Assoziativspeicher verwendet werden, Netzwerk-Switches und Router.

Netzwerkhardware wie Switches und Router müssen ein hohes Leistungsniveau bieten, um den Netzwerkverkehr mit mehreren Gigabit konstant fließen zu lassen. Innerhalb eines Netzwerks werden MAC-Adressen verwendet, um den Datenverkehr zu leiten. Ein Switch weiß, an welchen seiner vielen Netzwerkports Daten gesendet werden müssen, damit er das Gerät mit der richtigen MAC-Adresse erreicht. Damit jedes Paket an die richtige Stelle gelangt, wird seine Ziel-MAC-Adresse gesucht. In einem herkömmlichen Speicherformat würde dies einige Zeit dauern und die Latenz jeder Netzwerkkommunikation erhöhen. Mit assoziativem Gedächtnis kann diese Suche viel schneller sein.

Binär und Ternär

Die meisten Assoziativspeicher basieren auf Binärspeichern, aber einige basieren auf Ternärspeichern. Eine ternäre assoziative Speicherzelle ist der oben beschriebenen binären ähnlich. Statt einer SRAM-Zelle hat er jedoch zwei. Beide zusammen haben dann die vier zusätzlichen Transistoren, die benötigt werden, um den Vergleich durchzuführen. Das macht den ternären assoziativen Speicher natürlich noch teurer als seinen binären Cousin, also wofür wird er verwendet?

Das zweite Bit der ternären Zelle zeigt „Pflege“ oder „Egal“ an. Dies fügt der Zelle und der gesamten Suchfunktion einen dritten Zustand hinzu. Es kann jetzt eine 1, 0 oder X für don't care speichern. Dies ist besonders nützlich, wenn es um Netzwerk-Routing-Tabellen geht, die auf Subnetzmasken mit variabler Länge und mit Zugriffskontrolllisten basieren. Sie können in beiden Fällen mehrere positive Antworten auf eine einzelne Suchadresse erhalten. In beiden möchten Sie nur die genaueste Anweisung zur Kenntnis nehmen.

Daher kann eine Suche nach 192.168.20.19 mit den folgenden Regeln 192.168.20.16/28 und 192.168.0.0/16 übereinstimmen. Wenn Sie eine standardmäßige binäre Suche durchführen, müssten Sie Berechnungen durchführen, um zu überprüfen, ob die Adresse in die angegebenen Adressbereiche fällt. Mit ternärer Logik können Sie jedoch in einem einzigen Vorgang feststellen, ob Ihre Suchadresse mit 192.168.xx übereinstimmt. Sie können auch feststellen, dass der /28-Match viel genauer ist als der /16-Match, weil es weniger „Don't Care“-Bits gibt. Dadurch können Sie die zugehörigen Zugriffskontrollregeln bevorzugt anwenden.

Da der ternäre Assoziativspeicher noch teurer ist als die binäre Form, ist er noch seltener. Es ist im Allgemeinen nur in Top-End-Routern und Multi-Layer-Switches zu finden.

Abschluss

Das assoziative Gedächtnis ist eine Form des Gedächtnisses, die ganz anders funktioniert als das Standardgedächtnis. Anstatt die unter einer bestimmten Adresse gespeicherten Daten abzufragen, durchsucht es den gesamten Speicher auf einmal nach Übereinstimmungen mit einem Suchbegriff. Um dies mit hoher Leistung zu erreichen, basieren Speicherzellen auf einer modifizierten Form von SRAM mit einer oder zwei SRAM-Zellen in Kombination mit vier zusätzlichen Transistoren, die zur Durchführung der Bitvergleichslogik verwendet werden.

Einzelne SRAM-Zellen werden in einem binären Assoziativspeicher verwendet, während zwei SRAM-Zellen in einem ternären Assoziativspeicher verwendet werden. Die ternäre Variante ermöglicht das Speichern eines dritten Werts, typischerweise eine 1, 0 oder „egal“. Dadurch kann der Inhalt angeben, dass er übereinstimmen sollte, selbst wenn der Suchbegriff nicht präzise ist.

Da assoziative Speicherzellen auf dem teuren SRAM basieren, sind sie kostspielig, wobei ternäre Speicherzellen am kostspieligsten sind. Aus diesem Grund und aufgrund seiner explizit für die Suche nach Inhalten optimierten Struktur wird der assoziative Speicher in den meisten Geräten nicht verwendet.

Nur Geräte, die besonders davon profitieren und bei denen die Leistung die Anschaffungskosten überwiegt, sind damit ausgestattet. Daher ist es normalerweise ausschließlich in Netzwerkhardware der Enterprise-Klasse zu finden. Innerhalb dieser Umgebung wird es oft als CAM und TCAM für inhaltsadressierbaren Speicher bzw. ternären inhaltsadressierbaren Speicher bezeichnet.