FI71623B - Associativt minne - Google Patents

Description

1 71623

ASSOSIATIIVINEN MUISTI

Keksinnön kohteena on elektronisesti toteutettu verkkomainen assosiatiivinen muisti.

Assosiatiivisia muisteja on käsitelty Tiede 2000- lehdessä numerossa 2/1980. Ennestään tunnettuja ovat seuraavankaltaiset muistit: 1. Muistit, joissa tieto on tallennettu määrättyyn muistipaikkaan, mistä tieto sitten haetaan käyttämällä dekooderia, etsintätaulukkoa, loogisia tai matemaattisia hakuja vertailumenetelmiä (esim. korrelaatiofunktiota).

Nämä muistit ovat enemmän tai vähemmän tietokoneohjelmaan tai hakuproseduuriin perustuvia, lähinnä tietojen lajitteluun soveltuvia laitteita.

2. Muistit, joissa tieto on matemaattisin menetelmin hajautettu ympäri muistia. Näissä on mahdollista tallentaa tietoa muistipaikkoihin päällekkäin ja löytää tieto hyvinkin puutteellisen avaintiedon avulla. Vaikeutena tässäkin menetelmässä on ohjelmapohjaisuus ja matemaattiset operaatiot, joista seuraa suuri ja hidas laitteisto.

3. Muistit, joissa avaintietoa verrataan muistissa olevaan tietoon paloittain tai biteittäin (esim. summavirroilla: kohdakkain olevat samanlaiset bitit tai palat lisäävät, mutta erilaiset vähentävät kokonaisvirtaa). Näin löydetään esim. hakutiedon kaltaisia sanoja melko helposti, mutta sanojen on osuttava kohdalleen. Yhdenkin palan tai bitin siirtymä tai venymä voi viedä koko vertailun pieleen. Myöskään tiedon sisäinen rakenne ei oikein tule huomioiduksi. Kaiken kaikkiaan menetelmä on verraten rajoittunut jo jäykän rakenteensakin takia.

Kaikissa edellä luetelluissa muistityypeissä on lisäksi se heikkous, että tieto pyritään tallentamaan sellaisenaan ja poimimaan se jälleen valokuvanomaisesti esiin. Tästä menettelystä nimittäin seuraa suuri muistikapasiteetin tarve, koska myös sellaiset tiedot, joiden itsessään sisältämä in-formatio on suuri, mutta liittymäinformatio (suhteet) muihin tietoihin on pieni, talletetaan kuitenkin sellaisinaan.

2 71623

Lisäksi ovat tunnettuja ns. ohjelmoitavat logiikkavarkot. Näiden rakenna ja ohjelmointitapa (on/ei) sekä signaalin käsittelytapa on siksi alkeellinen, että näitä ei katsota assosiatiivisiksi muisteiksi.

Matemaattisia ja ohjelmapohjaisia analysointimenetelmiä kyllä esiintyy, mutta ei kunnolla toimivaa lineaarista, lo-giikkapohjaista analysointimenetelmää- jostain syystä sellainen ei ole suosittu assosiatiivisissa muisteissa, vaikka se on nopea ja tehokas menetelmä edellä esitettyjen vaikeuksien voittamiseksi. Keksinnön mukaisessa menetelmässä on tämä otettu huomioon. Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön tärkeimpinä etuina voidaan pitää seuraavia asioita. Tietokonemaisesta ohjelmasta tiedon käsittelyssä on luovuttu. Niin ikään tietoa ei muokata matemaattisia menetelmiä käyttäen. Tietoa käsitellään suoraviivaisesti, kokonaisvaltaisesti ja vain kulloinkin tarpeellinen (esim. riippuvuus-ja vaikutussuhteet) tallennetaan. Näillä toimenpiteillä saadaan lisättyä muistin nopeutta ja tehokkuutta. Tallennettu tieto on hajautettuna ympäri muistia,jolloin yhdessä muistipaikassa voi olla useaa eri tietoa päällekkäin. Tallennettu tieto saadaan nyt esiin huomattavan puutteellisellakin avain-tiedolla. Myös tiedon sisäinen rakenne,sekä saman aikainen lisä- tai ympäristötieto tulee huomioiduksi. Toiminnan tarkkuus saavutetaan - ei yksittäisten tarkkojen toimintojen summana - vaan tilastollisena tapahtumana. Muistikapasiteetin suhteen avautuu erinomaiset näköalat, koska ratkaisevaa on nyt reittikombinaatioiden määrä, eikä muistipaikkojen määrä.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti oheisiin piirustuksiin viittaamalla.

Kuva 1 esittää yhden yksikön rakenteen.

Kuva 2 esittää yksikköjen toisiinsa kytkeytymisen periaatteen. Kuva 3 esittää järjestelyn kirjaintunnistusta varten.

Kuva 4 esittää assosiatiivisen muistin lohkokaavion.

Kuva 5 esittää assosiatiivisen muistin virtauskaavion.

3 71623 Käytettävistä muistialkioista, joista ainakin osan tulee olla jatkuvakirjoitteisia (RAM), ryhmitellään joko fysikaalisesti tai (ja) osoitteellisesti, valitusta ratkaisusta riippuen, yksiköitä. Yksikön muodostavat: 1) Signaalimuisti (esim. θ-bittinen), jonka kulloinenkin arvo riippuu yksikköön tulevista signaaleista ja joka vaihtelee, vaikka assosiatiiviseen muistiin ei tietoa tal-lennettaisikaan. Tämä osa yksikköä on aina kirjoitus-luku -tyyppiä (RAM)· 2) Kytkentämuistit (esim 4-bittiset), joiden muistisisältö määrää signaalin vahvistimia ohjaamalla millä tavalla tai voimakkuudella yksiköstä lähtevä signaali vaikuttaa muiden yksiköiden signaalimuisteihin. Muistisisältö voi muuttua vain assosiatiiviseen muistiin tietoa kirjoitettaessa. Huomattakoon, että tallennusvaihessa yleensä vain osassa yksiköitä kytkentämuistien sisältö muuttuu. Lisäksi voi yksikössä olla 3) suuntamuistit (esim. 2x4-bittiset), joiden sisällöt ("puhelinnumero t M ) määrittelevät signaalireittien valitsimia ohjaamalla mihin yksiköihin po. yksikön signaalimuisti vaikuttaa.

Tämä tieto voi myös olla useilla tai jopa kaikilla yksiköillä sama, esim. "kaikkiin naapuriyksiköihin", jolloin suuntatieto osittain tai kokonaan voi sijaita yksikön ulkopuolella, esim. jossakin laskurissa. Myös tätä osaa voidaan käyttää tallennus-vaiheessa hyväksi - kytkentäosan tapaan - tosin rajoitetummin. Rakenteensa puolesta yksiköt antavat nyt mahdollisuuden kytkeä ne sopivien apupiirien avulla yhtenäiseksi verkoksi.

Kuvassa 4 esitetyssä ratkaisussa yksiköiden muistit on ryhmitelty kolmeen osaan yllä esitetyn mukaisesti. Tässä ratkaisussa käsitellään vain yhtä yksikköä kerrallaan ja tämän antaman signaalin vaikutusta vain yhteen yksikköön kerrallaan.

Siksi käytetään yksikkö- ja kytkentälaskuria, ja eri yksiköiden samanlaatuiset muistiosat (esim. signaaliosat) voivat sijaita fysikaalisesti lähellä toisiaan, jopa samassa mikropiirissä, josta ne osoitteellisesti poimitaan tarvittaessa käyttöön. Edelleen tässä ratkaisussa on se etu, että tarvittavat apupiirit saadaan nyt kaikille yksiköille yhteisiksi. Yksikkölaskuri antaa kutakin yksikköä tarkasteltaessa suunta- ja kytkentämuisti-lohkoille osoitteen, jolloin yksikköön kuuluvat suunta- ja kyt-kentäosat tulevat esiin sen mukaan, minkä alaosoitteen kytkentä- 4 71623 laskuri (siis se, joka kertoo monettako kytkeytymissuhdetta parhaillaan tarkastellaan) antaa.

Yksikkölaskurista menee osoite myös osoitesummaimeen ts. suun-tamuisti antaa vain suhteellisen osoitteen. Näin ei välttämättä tarvitse olla, vaan suuntamuisti voi suoraan sisältää absoluuttisen osoitteen, jolla tarkasteltavan kytkeytymissuhteen yksiköiden signaalimuistit löytyvät. Alkuasetusta kytkentälaskuris-ta osoitesummaimeen on käytetty siksi, että voidaan helposti siirtyä yksikkökerroksesta toiseen samoin kuin leveys- ja pituussuunnassa voidaan mennä myös taaksepäin ilman osoitteiden vähennyslaskua (kuva 2).

Kuvaan 4 liittyen on kuvassa 5 vastaava virtauskaavio, jossa on esitetty yhden yksikön kytkeytyminen hierarkiassa alempiin yksiköihin. Jakson alussa yksikön signaalimuistin sisältö viedään A-rekisteriin. Vienti tapahtuu rajoittajan kautta, jolla voidaan säädellä toiminta-astetta tai herkkyyttä ja joka estää heikkojen signaalien pääsyn eteenpäin, jotta ne eivät sotkisi kulloistenkin pääsignaalien reittejä. Mikäli nollailmaisin kertoo, että rajoittajan lähtö on nolla, siirrytään ajan voittamiseksi seuraavaan yksikköön. Signaalien suuruus esitetään rinnakkaismuotoisena binäärilukuna. Kun signaalimuistin tieto on rekisterissä A, otetaan esiin ensimmäinen yksikkö, johon tämä tieto vaikuttaa. Sitä varten tuodaan osoitesummaimeen ensimmäinen suuntaosa. Nyt esille tulevaan signaalimuistiin summataan rekisterin A sisältö suuntaosaan kuuluvan kytkentäosan osoittamalla tavalla. Jos kytkentäosa kertoo, että kyseessä on esto signaali, signaalimuisti nollataan tai asetetaan sellaiseksi, ett ä sitä ei enää muutkaan yksiköt tällä kierroksella voi muuttaa. Kytkentäosa voi luonnollisesti myös kertoa, että signaali summataan negatiivisena signaalimuistiin. Pitorekisteriä (latch) tarvitaan RAM:in käyttöteknillisistä syistä (estämään viiveetöntä yhteyttä ulostulosta sisäänmenoon kirjoitusvaiheessa). Siirtämällä kytkentalaskuria otetaan sitten seuraava suuntaosa, joka viedään osoitesummaimeen ja toiselle esille tulleelle signaali-muistille tehdään kuten ensimmäiselle. Näin käydään käsilläole-van yksikön kaikki suunta- ja kytkentäosat pareittain läpi.

Il s 71623

Kun yksi yksikkö on loppuunkäsitelty, siirrytään seuraavaan siirtämällä yksikkölaskuria eteenpäin ja edellä kerrottu käsit-telyjakso toistetaan. Näin käydään läpi kaikki yksiköt, jonka jälkeen palataan uudestaan alkuun. Toimintaa jatketaan kierros kierrokselta yhä uudelleen.

Edellä esitetyn toiminnan tuloksena muodostuu signaalireittejä assosiatiivisen muistin läpi ylhäältä alas. Reitit määräytyvät toisaalta yksiköiden kytkentäosien (ja tietenkin suuntaosien) mukaan ja toisaalta ensimmäiseen yksikkökerrokseen tulevien signaalien mukaan. Signaalien siirtyminen verkon läpi tapahtuu siten, että pintakerrokseen (muistin sisäänmenoon) tulevat riittävän voimakkaat signaalit vaikuttavat seuraavan kerroksen yksiköihin määrättyjä reittejä pitkin. Kullakin reitillä on oma painoarvo. Kun johonkin toisen (tai jonkin muun) kerroksen yksikköön tulee riittävästi signaaleja (mitä heikompia, sen enemmän niitä tarvitaan), yksikkö antaa signaalin eteenpäin. Näin tulosignaalit aikaansaavat muistin läpi kulkevia rinnakkaisia signaalireittejä. Signaalit voivat siirtyä yksiköstä toiseen myös sivusuunnassa, jolloin ne voivat herkistää (tai ehkäistä) viereisiä saman kerroksen yksiköitä.

Jos sitten tulevat signaalit eivät ole satunnaisia, vaan muodostavat tietyn kuvion, on tästä seurauksena se, että juuri ne yksiköt ja reitit aktivoituvat, joihin tulevat signaalit kuvionsa ja yksikköjen välisten kytkentöjen painon mukaisesti keskittyvät. Toisin sanoen tuleva signaalikuvio aikaansaa määrätyn reittikuvion ja niin muodoin myös määrätyn lähtökuvion muistin ulostuloon. Näin on myös silloin, kun tulokuvio on muistille ’’uusi”, mutta varsinkin silloin, kun reittikuvio on vahvistunut tai se on voimistettu (painotettu eli uritettu) tälle kuviolle. Piitä diskreetimpi ja korostuneempi reittikuvio on, sitä puutteellisempi tulokuvio pystyy aikaansaamaan oikean lähtökuvion. Joidenkin signaalien puuttumisella ei ole merkitystä -määrä ja kuvio ratkaisevat. Juuri tässä on assosiatiivisen toiminnan ydin.

Kytkentäosat sopivasti valitsemalla kullekin tulo signaali-joukolle saadaan haluttu tai tunnistettava lähtösignaalijoukko.

6 71623

Signaalin rajoitin säkä signaalin vahvistin (ja myös summai-met) voivat olla yksinkertaisesti halutun muunnoksen mukaisesti ohjelmoituja PROM-piirejä, joiden osoitteina ovat muuttujat ja ulostulona funktion arvo. Tietenkin laskennallinenkin ratkaisu toimii, mutta on hitaampi. Muistin toimintanopeudesta mainittakoon, että yhden kirjaimen tunnistus ja sen ASCII-koodin antaminen 2 Mhz kellotaajuutta ja 16x16 yksikkörasteria käyttäen kestää noin 1 ms:a.

Edellä selostetussa ratkaisussa käytettiin rinnakkaismuotoisia digitaalisignaaleja, mutta laite toimii yhtälailla myös analogiasignaaleja tai sarjamuotoisia digitaalisignaaleja käytettäessä.

On huomattava, että kyseinen laite on vasta perusta ja kuhunkin käyttötarkoitukseen tarvitaan lisäksi sopiva ohjelmointi, kuten tavanomaisissakin tietokoneissa. Kone saadaan myös ohjelmoimaan itsensä käyttämällä sopivia lisälaitteita tai tietokonesimuloinnissa lisäohjelmia. Kytkentämuistien ohjelmointi on kertatapahtuma, sillä kerran ohjelmoidut muistit toimivat sellaisinaan myös muissa samaa tehtävää suorittavissa koneissa.

Assosiatiivisen muistin ohjelmoinnissa on käytettävissä erilaisia menetelmiä.

1. Kun tulokuviota vastaava lähtökuvio tiedetään, konstruoidaan ensin mahdollisten välikerrosten kuviot siten, että tulokuvio suppenee näiden kautta kohti lähtökuviota. Tämän jälkeen tehdään muistin urittaminen niin, että otetaan kaksi perättäistä kuviota, ja niiden suuntamuistien, jotka yhdistävät kuvioiden pisteitä, kytkentämuistit painotetaan.

2. Kun lähtökuvio ei ole ennalta tiedossa, vaan sille voidaan antaa merkitys vasta myöhemmin, menetellään niin, että tulokuvio saa itse määrätä millaisia väli- ja lähtökuvioita syntyy ja uritus tehdään tämän jälkeen kuten kohdassa 1.

Jo s jokin uusi kuvio on kuitenkin niin samankaltainen jonkin aikaisemman kanssa, että sekoittumisvaara on ilmeinen, jompaa kumpaa kuviota voidaan siirtää lisäämällä sen ylempään kuvioon ohjaavaa kuvioainesta (jota ei kuitenkaan uriteta) ja it 7 71623 menettelemällä sitten kohdan 1 mukaisesti. Näin saadaan kuviot omiin riittävän tilaviin lokeroihin. Kuvioden vaatimat liikkumatilat riippuvat kuvioiden kokonaismäärästä ja laadusta sekä tulokuvioiden puutteellisuudesta. Tilojen riittävyys on syytä selvittää kokeilemalla» siis tulokuvioi-ta muuttelemalla ja lisäämällä liikkumatilaa tarvittaessa edellä kerrotulla tavalla.

Kohdat 1 ja 2 voidaan tehdä tietokonesimulaationa, jolloin tarvitaan erillinen ohjelma kirjaamaan reitit ja muuttamaan niihin liittyvät painotukset. Assosiatiivisen muistin ohjelmointi voidaan tehdä myös itse laitteella, kunhan sitä hieman muutetaan. Liipaisukynnyksen (rajoittajan lähtö ^0) ylittäneitä yksiköitä ei nollata, ja kun toisella kierroksella syntyy kytkentä kahden tällaisen yksikön välillä, vastaavaa painotusta (kytkentämuistia) muutetaan niin, että reitin vaikutus kasvaa.

3. Lisäksi voidaan käyttää evoluutio-tyyppistä ohjelmointia. Tällöin ne muutokset ohjelmassa, jotka edistävät jonkin tavoitteen saavuttamista hyväksytään, tai laajemmin: ne jotka haittaamat hylätään. Kyseessä on siis kokeiluun perustuva ohjelmointi.

Assosiatiivisen muistin tukena on toisinaan syytä käyttää rekisterejä, joissa aiempia tai juuri toteutettavia toimintaohjeita säilytetään. Lähtösignaalijoukoista osa voi olla juuri toimintaohjeita tai niiden kaltaisia esim. tulosignaalijoukon täydentämiskäskyjä.

Kone on varsin käyttökelpoinen erilaisissa tunnistamisteh-tävissa (kirjaimet, sanat, kuviot äänet jne.), joissa tarvitaan nopeaa ja hyvää regenerointikykyä. Myös kaikenlaiset havainto-toiminta- tehtävät ovat koneen alaa.

Voidaan ajatella, että yhteen mikropiiriin sijoitetaan useita rinnakkaisesti toimivia koneita jotka ovat yhteistoiminnassa keskenään. Tehoa saadaan näin lisää ja aletaan lähestyä ihmisaivojen toimintaa.

Claims (10)

1. 71623
2. 1. Elektronisesti toteutettu verkkomainen assosiatiivinen muisti tunnettu siitä, että kulloinkin käytettävistä muistial-kioista on ryhmitelty yksiköitä niin, että kussakin on jatkuva-kirjoitteinen signaalimuisti, suuntamuistit sekä kytkentämuistit, joista signaalimuisti kertoo yksikön kulloisenkin tilan assosiatiivisen muistin toimiessa ja johon yksikköön tulevat signaalit summautuvat ja yksikön antaman signaalin kytkeytymisen toisiin yksiköihin määrää yksikössä olevat ohjelmoidut suuntamuistit sig-naalireittien valitsimia ohjaamalla, jolloin yksikön signaali-muisti pääsee vaikuttamaan heikkoja siqnaaleja poistavan signaalin rajoittimen kautta niiden yksiköiden signaalimuisteihin, joihin yksikkö kytkeytyy, siten kuin yksikössä olevat ohjelmoidut kytkentämuistit määräävät kunkin signaalireitin signaalin vahvistinta tai muunninta ohjaamalla (kuvat 1 ja 2).
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen assosiatiivinen muisti tunnettu siitä, että signaalimuistien välinen signaalin kulku voi myös tapahtua päinvastaiseen suuntaan, ts. niiden yksiköiden signaalimuisteista, joihin yksikkö kytkeytyy, kytkeytyvän yksikön signaalimuistiin.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite tunnettu siitä, että siinä on yksikkölaskuri, jonka avulla tarkastellaan kerrallaan vain yhtä tai muutamaa yksikköä ja/tai kytkentälaskuri, jonka avulla tarkastellaan kerrallaan yhtä tai useampaa kytkeyty-missuhdetta, jolloin tarvittavat apupiirit, kuten signaalin sum-main, signaalin rajoitin, signaalin vahvistimet ja reittivalitsi-met ainakin osittain saadaan kaikille tai useille yksiköille yhteisiksi ja muistialkioiden ryhmittely ainakin osittain voidaan tehdä alkioiden osoitteita ryhmittelemällä (kuva 4).
5. 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite tunnettu siitä, että siinä on laskuri, jolla ohjataan yksikköjen kytkeytymistä toisiinsa ainakin osittain yksikköjen ulkopuolelta tai yksiköt on kiinteästi langoitettu yhteen, jolloin yksiköissä ei välttämättä tarvita suuntamui steja. 9 71 623
6. 5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite tunnettu siitä, että siinä on yksiköitä, jotka voivat antaa signaalin, joka estää tai pyrkii estämään jonkin sellaisen yksikön toiminnan, johon ko. yksikkö kytkeytyy.
7. 6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite tunnettu siitä, että siinä yksikkökohtainen muisti signaalin voimakkuuden lisäksi ohjaa myös suoraan signaalien reitinvalintaa.
8. 7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite tunnettu siitä, että signaali kytketään myös hierarkiassa ylempänä olevalle tasolle kuten assosiatiivisen muistin lähdöstä takaisin muistin sisäänmenoon. Θ. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite tunnettu siitä, että signaalin vahvistimena käytetään signaalin rajoitinta tai päinvastoin.
9. 9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite tunnettu siitä, että tulosignaalien kerääjiä, lähtösignaa-lin rajoittimia tai signaalin vahvistimia voidaan säätää toiminnan mukaan kuten signaalireittien kokonaismäärän mukaan.
10. 10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite tunnettu siitä, että yksiköt on ryhmitelty määrättyjä tehtäviä varten toimien joko itsenäisesti tai epäitsenäisesti ja ryhmät puolestaan muodostavat yhdessä toimien assosiatiivisen muistin. 71 623 PATENTKRAU