I gamla tider - det var nästan 80 år sedan, i datorns början - beräknades datorns minne vanligtvis i tre typer. Primär, sekundär och extern. Ingen använder nu denna terminologi, även om klassificeringen i sig existerar till idag. Endast primärt minne kallas nu operationella, sekundära - interna hårddiskar, och det externa är förklädt som alla typer av optiska diskar och flash-enheter.
Innan vi börjar en resa in i det förflutna, låt oss förstå klassificeringen ovan och förstå vad varje typ av minne är till för. En dator representerar information i form av en sekvens av bitar - binära siffror med värden 1 eller 0. Den allmänt accepterade universella informationsenheten är en byte, som vanligtvis består av 8 bitar. All data som används av datorn tar upp ett antal byte. Exempelvis är en typisk musikfil 40 miljoner bitar - 5 miljoner byte (eller 4,8 megabyte). Den centrala processorn kan inte fungera utan en elementär minnesenhet eftersom allt arbete reduceras till att ta emot, bearbeta och skriva tillbaka till minnet. Det är därför den legendariska John von Neumann (vi har nämnt hans namn mer än en gång i en serie artiklar om stordatorer) kom med en oberoende struktur inuti datorn,där alla nödvändiga data skulle lagras.
Den interna minnesklassificeringen delar också media i enlighet med hastighets- (och energi) -principen. Snabbt primärt (slumpmässigt åtkomst) minne används idag för att lagra kritisk information som CPU: n får åtkomst till oftast. Det här är operativsystemets kärna, körbara filer för program som körs, beräkningsresultat. Åtkomsttid är minimal, bara några nanosekunder.
Primärt minne kommunicerar med en styrenhet som finns antingen inuti processorn (i de senaste CPU-modellerna) eller som ett separat chip på moderkortet (norra bron). Priset på RAM-minnet är förhållandevis högt, dessutom är det flyktigt: de stängde av datorn eller av misstag drog ut nätsladden ur uttaget, och all information förlorades. Därför lagras alla filer i sekundärt minne - på hårddiskplattor. Informationen här raderas inte efter strömavbrott och priset per megabyte är mycket lågt. Den enda nackdelen med hårddiskar är den låga reaktionshastigheten, den mäts redan i millisekunder.
Förresten, ett intressant faktum. I början av utvecklingen av datorer separerades inte primärt minne från det sekundära minnet. Huvudbearbetningsenheten var mycket långsam, och minnet gav inte en flaskhalseffekt. Online- och ihållande data lagrades i samma komponenter. Senare, när datorns hastighet ökade, dykte upp nya typer av lagringsmedier.
Tillbaka till dåtiden
En av huvudkomponenterna i de första datorerna var elektromagnetiska omkopplare, utvecklade av den berömda amerikanska forskaren Joseph Henry redan 1835, då ingen ens drömde om några datorer. Den enkla mekanismen bestod av en trådlindad metallkärna, rörliga järnbeslag och några få kontakter. Henrys utveckling utgjorde grunden för den elektriska telegrafen av Samuel Morse och Charles Whitstone.
Kampanjvideo:
Den första datorn baserad på switchar dök upp i Tyskland 1939. Ingenjören Konrad Süs använde dem för att skapa systemlogiken för Z2-enheten. Tyvärr levde bilen inte länge, och dess planer och fotografier försvann under bombningen av andra världskriget. Nästa beräkningsenhet Sius (under namnet Z3) släpptes 1941. Detta var den första datorn som kontrollerades av programmet. Maskinens huvudfunktioner realiserades med 2000 omkopplare. Konrad skulle överföra systemet till mer moderna komponenter, men regeringen stängde finansieringen och trodde att Sius idéer inte hade någon framtid. Som sin föregångare förstördes Z3 under de allierade bombningarna.
Elektromagnetiska omkopplare fungerade mycket långsamt, men teknikutvecklingen stod inte stilla. Den andra typen av minne för tidiga datorsystem var fördröjningslinjer. Informationen fördes av elektriska impulser, som omvandlades till mekaniska vågor och flyttades med låg hastighet genom kvicksilver, en piezoelektrisk kristall eller en magnetoresistiv spole. Det finns en våg - 1, ingen våg - 0. Hundratals och tusentals impulser kan röra sig genom ledningsmaterialet per tidsenhet. I slutet av sin väg transformerades varje våg tillbaka till en elektrisk impuls och skickades till början - här är den enklaste uppdateringsoperationen för dig.
Fördröjningslinjen utvecklades av den amerikanska ingenjören John Presper Eckert. EDVAC-datorn, som introducerades 1946, innehöll två minnesblock med 64 fördröjningslinjer baserade på kvicksilver (5,5 kB enligt moderna standarder). På den tiden var det mer än tillräckligt för arbete. Sekundärt minne fanns också i EDVAC - resultaten av beräkningarna registrerades på magnetband. Ett annat system, UNIVAC 1, som släpptes 1951, använde 100 block baserade på fördröjningslinjer och hade en komplex design med många fysiska element för att lagra data.
Fördröjningslinjeminnet är mer som ett rymdskepps hyperspace-motor. Det är svårt att föreställa sig, men en sådan koloss kunde bara lagra några få data!
Bobeks barn
Två ganska betydelsefulla uppfinningar inom området databärare förblev bakom kulisserna för vår forskning. Båda gjordes av den begåvade Bell Labs-anställden Andrew Bobek. Den första utvecklingen, det så kallade twistor-minnet, kan vara ett utmärkt alternativ till magnetisk kärnminne. Hon upprepade i stort sett det senare, men istället för ferritringar för datalagring använde hon magnetband. Tekniken hade två viktiga fördelar. Först kunde twistorminnet samtidigt skriva och läsa information från ett antal twistorer. Dessutom var det enkelt att ställa in automatisk produktion. Bell Labs hoppades att detta avsevärt skulle sänka priset på twistor-minne och ockupera en lovande marknad.
Utvecklingen finansierades av det amerikanska flygvapnet, och minnet skulle bli en viktig funktionell cell i Nike Sentinel-missilerna. Tyvärr tog arbetet med twistorerna lång tid och minnet baserat på transistorer kom fram. Marknadsföring fanns inte.
"Olycka första gången, så tur andra," tänkte Bell Labs. I början av 70-talet introducerade Andrew Bobek icke-flyktigt bubbelminne. Den baserades på en tunn magnetfilm som innehöll små magnetiserade regioner (bubblor) som lagrade binära värden. Efter en tid dök den första kompakta cellen med en kapacitet på 4096 bitar - en anordning som mätte en kvadratcentimeter hade kapaciteten för en hel remsa med magnetkärnor.
Många företag blev intresserade av uppfinningen, och i mitten av 70-talet tog alla stora marknadsaktörer upp utvecklingen inom bubbelminnet. Den icke-flyktiga strukturen gjorde bubblor till en idealisk ersättning för både primärt och sekundärt minne. Men även här räckte inte Bell Labs planer - billiga hårddiskar och transistorminne blockerade syre från bubbeltekniken.
Vakuum är vårt allt
I slutet av 40-talet flyttade systemlogiken för datorer till vakuumrör (de är också elektroniska rör eller termiska axlar). Tillsammans med dem fick tv, ljudåtergivningsenheter, analoga och digitala datorer en ny drivkraft under utveckling.
Vakuumrör har överlevt inom tekniken fram till idag. De är särskilt älskade bland audiofiler. Det antas att förstärkningskretsen baserad på vakuumrör är ett snitt över de moderna analogerna i ljudkvalitet.
Under den mystiska frasen "vakuumrör" är ett ganska enkelt element i strukturen. Det liknar en vanlig glödlampa. Glödtråden är innesluten i ett luftfritt utrymme, och vid uppvärmning avger det elektroner som faller på en positivt laddad metallplatta. En ström av elektroner genereras i lampan under spänning. Vakuumröret kan antingen passera eller blockera (fas 1 och 0) strömmen som passerar genom det och fungerar som en elektronisk komponent i datorer. Under drift blir vakuumrören mycket varma, de måste kylas intensivt. Men de är mycket snabbare än antediluvianska switchar.
Primärt minne baserat på denna teknik dök upp 1946-1947, när uppfinnarna Freddie Williams och Tom Kilburn introducerade Williams-Kilburn-röret. Datalagringsmetoden var väldigt genial. Under vissa förhållanden uppträdde en ljuspunkt på röret, som något laddade den ockuperade ytan. Området runt punkten fick en negativ laddning (den kallades en "energibrunn"). En ny punkt kan placeras i "brunnen" eller lämnas obevakad - då försvann den ursprungliga punkten snabbt. Dessa transformationer tolkades av minneskontrollern som binära faser 1 och 0. Tekniken var mycket populär. Williams-Kilburn rörminne installerades i Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 och Standards Western Automatic Computer (SWAC) datorer.
Parallellt utvecklade ingenjörer från Radio Corporation of America under ledning av forskaren Vladimir Zvorykin ett eget rör, kallad selectron. Enligt författarnas idé skulle selektronet innehålla upp till 4096 bitar information, vilket är fyra gånger mer än Williams-Kilburn-röret. Det beräknades att i slutet av 1946 skulle produceras cirka 200 selektroner, men produktionen visade sig vara mycket dyr.
Fram till våren 1948 släppte Radio Corporation of America inte ett enda selektron, men arbetet med konceptet fortsatte. Ingenjörerna designade om röret och en mindre 256-bitarsversion är nu tillgänglig. Mini-selektroner var snabbare och mer pålitliga än Williams-Kilburn-rören, men kostade $ 500 per styck. Och detta är i massproduktion! Selektronerna lyckades dock komma in i datormaskinen - 1953 släppte RAND-företaget en dator under det roliga namnet JOHNNIAC (för John von Neumanns ära). Reducerade 256-bitars selektroner installerades i systemet och det totala minnet var 32 byte.
Tillsammans med vakuumrör använde vissa datorer från tiden trumminne, uppfunnet av Gustav Tauscek 1939. Den enkla designen innebar en stor metallcylinder belagd med en ferromagnetisk legering. Till skillnad från moderna hårddiskar rörde sig inte läshuvudena över cylinderytan. Minneskontrollern väntade på att informationen skulle gå under huvuden på egen hand. Trumminne användes i Atanasov-Berry-datorn och vissa andra system. Tyvärr var dess prestanda mycket låg.
Selektron var inte avsett att erövra datormarknaden - snygga elektroniska komponenter har fortfarande samlat damm i historiens soptunna. Och detta trots de enastående tekniska egenskaperna.
Moderna tendenser
För närvarande styrs det primära minnesmarknaden av DDR-standarden. Mer exakt, dess andra generation. Övergången till DDR3 kommer att ske mycket snart - det återstår att vänta på utseendet på billiga chipset som stöder den nya standarden. Utbredd standardisering gjorde minnesegmentet för tråkigt att beskriva. Tillverkarna har slutat uppfinna nya, unika produkter. Allt arbete handlar om att öka driftsfrekvensen och installera ett sofistikerat kylsystem.
Teknologisk stagnation och blygsamma utvecklingssteg kommer att fortsätta tills tillverkarna når gränsen för kapaciteten hos kisel (det är från vilket integrerade kretsar tillverkas). När allt kommer omkring kan arbetsfrekvensen inte ökas oändligt.
Men det finns en fångst här. Prestandan för de befintliga DDR2-markerna är tillräcklig för de flesta datorprogram (komplexa vetenskapliga program räknas inte). Att installera DDR3-moduler som arbetar med 1066 MHz och högre leder inte till en påtaglig ökning av hastigheten.
Star Trek to the Future
Den främsta nackdelen med minnet och alla andra komponenter baserade på vakuumrör var värmeproduktion. Rören måste kylas med radiatorer, luft och till och med vatten. Dessutom minskade konstant uppvärmning driftstiden betydligt - rören förstördes på det mest naturliga sättet. I slutet av sin livslängd måste de ständigt stämmas in och så småningom förändras. Kan du föreställa dig hur mycket ansträngning och pengar det kostar att betjäna datorsystem ?!
Konstig struktur på fotot - det är ett magnetiskt kärnminne. Här är en visuell struktur av en av matriserna med ledningar och ferritringar. Kan du tänka dig hur mycket tid du hade att spendera för att hitta en icke-fungerande modul bland dem?
Sedan kom tiden för matriser med tätt åtskilda ferritringar - en uppfinning av amerikanska fysiker An Wang och Wei-Dong Wu, modifierade av studenter under ledning av Jay Forrester från Massachusetts Institute of Technology (MIT). Anslutande ledningar gick genom ringarna i en vinkel på 45 grader (fyra för varje ring i tidiga system, två i mer avancerade system). Under spänning magnetiserade ledningarna ferritringar, som var och en kunde lagra en bit data (magnetiserad - 1, avmagnetiserad - 0).
Jay Forrester utvecklade ett system där styrsignalerna för flera kärnor skickades över bara några få trådar. 1951 släpptes ett minne baserat på magnetkärnor (en direkt analog med modernt slumpminne). Senare tog det sin rättmätiga plats i många datorer, inklusive de första generationerna av mainframes från DEC och IBM. Jämfört med sina föregångare hade den nya typen av minne praktiskt taget inga nackdelar. Dess tillförlitlighet var tillräcklig för att fungera i militär och till och med rymdskepp. Efter att Challenger-skytteln kraschade, vilket ledde till att sju av dess besättningsmedlemmar dödades, förblev datorn ombord på datorn, registrerad i minnet med magnetkärnor, intakt och intakt.
Tekniken förbättrades gradvis. Ferritpärlorna minskade i storlek, arbetets hastighet ökade. De första proverna arbetade med en frekvens av cirka 1 MHz, åtkomsttiden var 60 000 ns - vid mitten av 70-talet hade den sjunkit till 600 ns.
Skatten, jag har minskat vårt minne
Nästa steg framåt i utvecklingen av datorminne kom när integrerade kretsar och transistorer uppfanns. Branschen har tagit vägen för miniatyriserande komponenter och samtidigt ökat deras prestanda. I början av 1970-talet behärskade halvledarindustrin produktionen av mycket integrerade mikrokretsar - tiotusentals transistorer passar nu i ett relativt litet område. Minneschips med en kapacitet på 1 Kbit (1024 bitar), små chips för kalkylatorer och till och med de första mikroprocessorerna dök upp. En verklig revolution har hänt.
Minnestillverkare i dag är mer bekymrade över utseendet på deras produkter - alla samma standarder och egenskaper är förutbestämda i uppdrag som JEDEC.
Dr Robert Dennard från IBM har gett ett särskilt bidrag till utvecklingen av primärt minne. Han utvecklade det första chipet baserat på en transistor och en liten kondensator. 1970 sporenades marknaden av Intel (som hade dykt upp bara två år tidigare) med introduktionen av 1Kb i1103-minneskipet. Två år senare blev denna produkt världens mest sålda chip för halvledare.
Under den första Apple Macintosh-tiden upptäckte RAM-blocket en enorm bar (på bilden ovan), medan volymen inte översteg 64 kB.
Högintegrerade mikrokretsar ersatte snabbt äldre typer av minne. Med övergången till nästa utvecklingsnivå har skrymmande mainframes lämnat plats för stationära datorer. Huvudminnet vid den tiden avskildes slutligen från det sekundära, det tog formen av separata mikrochips med en kapacitet på 64, 128, 256, 512 Kbit och till och med 1 Mbit.
Slutligen flyttades de primära minneskiporna från moderkort till separata remsor, vilket i hög grad underlättade installationen och utbytet av felaktiga komponenter. Frekvenserna började öka, åtkomsttiderna minskade. De första synkrona dynamiska SDRAM-markerna dök upp 1993, introducerade av Samsung. Nya mikrokretsar arbetade på 100 MHz, åtkomsttiden var 10 ns.
Från det ögonblicket började den segrande marsjen av SDRAM, och år 2000 hade denna typ av minne tagit bort alla konkurrenter. JEDEC-kommissionen (Joint Electron Device Engineering Council) tog över definitionen av standarder på RAM-marknaden. Deltagarna har utformat specifikationer som är enhetliga för alla tillverkare, godkänd frekvens och elektriska egenskaper.
Ytterligare utveckling är inte så intressant. Den enda betydelsefulla händelsen ägde rum 2000, då DDR SDRAM-standard RAM visade sig på marknaden. Det gav två gånger bandbredden för konventionell SDRAM och satt scenen för framtida tillväxt. DDR följdes 2004 av DDR2-standarden, som fortfarande är den mest populära.
Patentroll
I den moderna IT-världen avser frasen Patent Troll företag som tjänar pengar på stämningar. De motiverar detta genom att andra företag har kränkt upphovsrätten. Rambus-minnesutvecklaren faller helt och hållet under denna definition.
Sedan det grundades 1990 har Rambus licenserat sin teknik till tredje part. Till exempel kan dess kontroller och minneschips hittas i Nintendo 64 och PlayStation 2. Rambus finaste timme kom 1996, då Intel ingick ett avtal med Intel om att använda RDRAM och RIMM-slots i sina produkter.
Till en början gick allt enligt planen. Intel fick avancerad teknik till sitt förfogande och Rambus nöjde sig med ett partnerskap med en av de största aktörerna inom IT-branschen. Tyvärr sätter det höga priset på RDRAM-moduler och Intel-chipset ett slut på plattformens popularitet. Ledande moderkortstillverkare använde VIA-chipset och kort med kontakter för vanliga SDRAM.
Rambus insåg att det i detta skede förlorade minnesmarknaden och började sitt långa spel med patent. Det första hon kom över var en ny JEDEC-utveckling - DDR SDRAM-minne. Rambus attackerade henne och anklagade skaparna för intrång i upphovsrätten. Under en tid fick företaget kontant royalties, men nästa rättsfall som rör Infineon, Micron och Hynix satte allt på sin plats. Domstolen erkände att den tekniska utvecklingen inom området DDR SDRAM och SDRAM inte tillhör Rambus.
Sedan dess har det totala antalet fordringar från Rambus mot ledande RAM-tillverkare överskridit alla tänkbara gränser. Och det verkar som att denna livsstil passar företaget ganska bra.