I gamle tider - det var næsten 80 år siden, da computerteknologiens daggry - var computerenhedernes hukommelse normalt opdelt i tre typer. Primær, sekundær og ekstern. Ingen bruger nu denne terminologi, selvom klassificeringen i sig selv eksisterer i dag. Kun primær hukommelse kaldes nu operationelle, sekundære - interne harddiske, og den eksterne er forklædt som alle slags optiske diske og flashdrev.
Inden vi starter en rejse ind i fortiden, lad os forstå ovenstående klassificering og forstå, hvad hver type hukommelse er til. En computer repræsenterer information i form af en bitsekvens - binære cifre med værdier på 1 eller 0. Den almindeligt accepterede universelle informationsenhed er en byte, der normalt består af 8 bit. Alle data, der bruges af computeren, optager et vist antal bytes. For eksempel er en typisk musikfil 40 millioner bit - 5 millioner byte (eller 4,8 megabyte). Den centrale processor kan ikke fungere uden en elementær hukommelsesenhed, fordi alt dets arbejde er reduceret til at modtage, behandle og skrive tilbage til hukommelsen. Derfor har den legendariske John von Neumann (vi har nævnt hans navn mere end én gang i en række artikler om mainframes) fundet en uafhængig struktur inde i computeren,hvor alle de nødvendige data vil blive gemt.
Den interne hukommelsesklassificering opdeler også medierne efter hastigheds- (og energi) -princippet. Hurtig primær (tilfældig adgang) hukommelse bruges i dag til at gemme kritiske oplysninger, som CPU'en ofte får adgang til. Dette er operativsystemkernen, eksekverbare filer med kørende programmer, mellemliggende resultater af beregninger. Adgangstiden er minimal, bare et par nanosekunder.
Primær hukommelse kommunikerer med en controller placeret enten inde i processoren (i de nyeste CPU-modeller) eller som en separat chip på bundkortet (nordbro). Prisen på RAM er relativt høj, desuden er den flygtig: De slukkede computeren eller trak strømkablet ved et uheld ud af stikkontakten - og alle oplysninger gik tabt. Derfor gemmes alle filer i sekundær hukommelse - på harddiskplader. Oplysningerne her slettes ikke efter et strømafbrydelse, og prisen pr. Megabyte er meget lav. Den eneste ulempe ved harddiske er den lave reaktionshastighed, den måles allerede i millisekunder.
Af den måde, en interessant kendsgerning. I morgenen med udviklingen af computere blev den primære hukommelse ikke adskilt fra den sekundære hukommelse. Hovedbehandlingsenheden var meget langsom, og hukommelsen gav ikke en flaskehalseffekt. Online og vedvarende data blev gemt i de samme komponenter. Senere, da computernes hastighed steg, dukkede nye typer lagringsmedier op.
Tilbage til fortiden
En af hovedkomponenterne i de første computere var elektromagnetiske kontakter, udviklet af den berømte amerikanske videnskabsmand Joseph Henry tilbage i 1835, da ingen engang drømte om nogen computere. Den enkle mekanisme bestod af en trådindpakket metalkerne, bevægelige jernfittings og et par kontakter. Henrys udvikling dannede grundlaget for den elektriske telegraf af Samuel Morse og Charles Whitstone.
Salgsfremmende video:
Den første computer baseret på afbrydere dukkede op i Tyskland i 1939. Ingeniør Konrad Süs brugte dem til at oprette Z2-enhedens systemlogik. Desværre levede bilen ikke længe, og dens planer og fotografier blev tabt under bombningen af Anden verdenskrig. Den næste computerenhed Sius (under navnet Z3) blev frigivet i 1941. Dette var den første computer, der blev kontrolleret af programmet. Maskinens vigtigste funktioner blev realiseret med 2000 afbrydere. Konrad ville overføre systemet til mere moderne komponenter, men regeringen lukkede finansieringen og troede, at Sius's ideer ikke havde nogen fremtid. Som sin forgænger blev Z3 ødelagt under de allierede bombeangreb.
Elektromagnetiske afbrydere arbejdede meget langsomt, men udviklingen af teknologi stod ikke stille. Den anden type hukommelse til tidlige computersystemer var forsinkelseslinjer. Oplysningerne blev båret af elektriske impulser, der blev omdannet til mekaniske bølger og ved lav hastighed flyttet gennem kviksølv, en piezoelektrisk krystal eller en magnetoresistiv spole. Der er en bølge - 1, der er ingen bølge - 0. Hundredvis og tusinder af impulser kunne rejse gennem ledende materiale pr. Enhedstid. I slutningen af sin vej blev hver bølge omdannet tilbage til en elektrisk impuls og sendt til begyndelsen - her er den enkleste opdateringsoperation for dig.
Forsinkelseslinjen blev udviklet af den amerikanske ingeniør John Presper Eckert. EDVAC-computeren, der blev introduceret i 1946, indeholdt to hukommelsesblokke med 64 forsinkelseslinjer baseret på kviksølv (5,5 KB efter moderne standarder). På det tidspunkt var dette mere end nok til arbejde. Sekundær hukommelse var også til stede i EDVAC - resultaterne af beregninger blev registreret på magnetbånd. Et andet system, UNIVAC 1, som blev frigivet i 1951, brugte 100 blokke baseret på forsinkelseslinjer og havde et komplekst design med mange fysiske elementer til lagring af data.
Forsinkelseslinjehukommelsen ligner mere et rumskibs hyperspace-motor. Det er svært at forestille sig, men en sådan kolossus kunne kun gemme et par bits data!
Bobeks børn
To temmelig betydningsfulde opfindelser inden for databærere forblev bag kulisserne i vores forskning. Begge blev udført af den talentfulde Bell Labs-medarbejder Andrew Bobek. Den første udvikling, den såkaldte twistor-hukommelse, kunne være et fremragende alternativ til magnetisk kernehukommelse. Hun gentog stort set det sidstnævnte, men i stedet for ferritringe til datalagring brugte hun magnetbånd. Teknologien havde to vigtige fordele. For det første kunne twistor-hukommelsen samtidigt skrive og læse information fra et antal twistorer. Plus, det var let at konfigurere automatisk produktion. Bell Labs håbede, at dette ville reducere prisen på twistor-hukommelse markant og besætte et lovende marked.
Udviklingen blev finansieret af den amerikanske luftvåben, og hukommelsen skulle blive en vigtig funktionel celle af Nike Sentinel-missiler. Desværre tog arbejdet med twistorerne lang tid, og hukommelsen baseret på transistorer kom frem. Markedsfangst fandt ikke sted.
”Uheld, første gang, så heldig anden”, tænkte Bell Labs. I de tidlige 70'ere introducerede Andrew Bobek ikke-flygtig boblehukommelse. Den var baseret på en tynd magnetisk film, der indeholdt små magnetiserede regioner (bobler), der lagrede binære værdier. Efter nogen tid dukkede den første kompakte celle med en kapacitet på 4096 bits op - en enhed, der målte en kvadratcentimeter, havde kapaciteten til en hel strimmel med magnetiske kerner.
Mange virksomheder blev interesseret i opfindelsen, og i midten af 70'erne tog alle de store markedsaktører udviklingen inden for boblehukommelsen. Den ikke-flygtige struktur gjorde bobler til en ideel erstatning for både primær og sekundær hukommelse. Men selv her kom Bell Labs 'planer ikke i opfyldelse - billige harddiske og transistorhukommelse blokerede ilt fra bobleteknologien.
Vakuum er vores alt
I slutningen af 40'erne flyttede systemlogikken for computere til vakuumrør (de er også elektroniske rør eller termioniske aksler). Sammen med dem fik tv, lydgengivelsesenheder, analoge og digitale computere en ny drivkraft under udvikling.
Vakuumrør har overlevet i teknologi indtil i dag. De er især elsket blandt audiofiler. Det antages, at forstærkningskredsløbet baseret på vakuumrør er et snit over de moderne analoger i lydkvalitet.
Under den mystiske sætning "vakuumrør" er et temmelig enkelt element i strukturen. Det ligner en almindelig glødelampe. Glødetråden er lukket i et luftløst rum, og når det opvarmes afgiver det elektroner, der falder på en positivt ladet metalplade. En strøm af elektroner genereres inde i lampen under spænding. Vakuumrøret kan enten passere eller blokere (fase 1 og 0) den strøm, der passerer gennem det, fungerer som en elektronisk komponent af computere. Under drift bliver vakuumrørene meget varme, de skal køles intensivt. Men de er meget hurtigere end antediluvianske kontakter.
Primær hukommelse baseret på denne teknologi dukkede op i 1946-1947, da opfinderne Freddie Williams og Tom Kilburn introducerede Williams-Kilburn-røret. Datalagringsmetoden var meget genial. Under visse omstændigheder dukkede et lyspunkt op på røret, som let opladede den besatte overflade. Området omkring punktet fik en negativ ladning (det blev kaldt en "energibrønd"). Et nyt punkt kunne placeres i "brønden" eller efterlades uden opsyn - så forsvandt det oprindelige punkt hurtigt. Disse transformationer blev af hukommelseskontrollen fortolket som binære faser 1 og 0. Teknologien var meget populær. Williams-Kilburn rørhukommelse blev installeret i Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 og Standards Western Automatic Computer (SWAC) computere.
Parallelt udviklede ingeniører fra Radio Corporation of America under ledelse af videnskabsmand Vladimir Zvorykin deres eget rør, kaldet selectron. Ifølge forfatternes idé skulle selektronet indeholde op til 4096 informationsbits, hvilket er fire gange mere end Williams-Kilburn-røret. Det blev estimeret, at der ved udgangen af 1946 ville blive produceret omkring 200 selektroner, men produktionen viste sig at være meget dyr.
Indtil foråret 1948 frigav Radio Corporation of America ikke et eneste selektron, men arbejdet med konceptet fortsatte. Ingeniører redesignede røret, og en mindre 256-bit version er nu tilgængelig. Mini-selektroner var hurtigere og mere pålidelige end Williams-Kilburn-rør, men koster $ 500 pr. Stk. Og dette er i masseproduktion! Selektronerne formåede imidlertid at komme ind i computermaskinen - i 1953 frigav RAND-selskabet en computer under det sjove navn JOHNNIAC (til ære for John von Neumann). Reducerede 256-bit selektroner blev installeret i systemet, og den samlede hukommelse var 32 byte.
Sammen med vakuumrør anvendte nogle computere fra den tid trommehukommelse, opfundet af Gustav Tauscek i 1939. Det enkle design involverede en stor metalcylinder belagt med en ferromagnetisk legering. Læsehovederne, i modsætning til moderne harddiske, bevægede sig ikke over cylinderoverfladen. Hukommelsescontrolleren ventede på, at informationen skulle passere under hovederne på egen hånd. Tromlehukommelse blev brugt i Atanasov-Berry-computeren og nogle andre systemer. Desværre var dens ydeevne meget lav.
Selektron var ikke bestemt til at erobre computermarkedet - pæne udseende elektroniske komponenter har været ved at samle støv i historiens skraldespand. Og dette på trods af de enestående tekniske egenskaber.
Moderne tendenser
I øjeblikket styres det primære hukommelsesmarked af DDR-standarden. Mere præcist dets anden generation. Overgangen til DDR3 vil finde sted meget snart - det gjenstår at vente på udseendet af billige chipsæt, der understøtter den nye standard. Udbredt standardisering gjorde hukommelsessegmentet for kedeligt til at beskrive. Producenter er stoppet med at opfinde nye, unikke produkter. Alt arbejde handler om at øge driftsfrekvensen og installere et sofistikeret kølesystem.
Teknologisk stagnation og engstelige evolutionære trin vil fortsætte, indtil producenterne når grænsen for kapaciteterne i silicium (det er fra hvilket integrerede kredsløb er lavet). Når alt kommer til alt kan arbejdsfrekvensen ikke øges på ubestemt tid.
Der er dog en fangst her. Ydelsen af de eksisterende DDR2-chips er tilstrækkelig til de fleste computerapplikationer (komplekse videnskabelige programmer tæller ikke). Installation af DDR3-moduler, der arbejder med 1066 MHz og højere, fører ikke til en konkret stigning i hastighed.
Star Trek to the Future
Den største ulempe ved hukommelsen og alle andre komponenter, der er baseret på vakuumrør, var varmeudvikling. Rørene måtte afkøles med radiatorer, luft og endda vand. Derudover reducerede konstant opvarmning driftstiden markant - rørene blev nedbrudt på den mest naturlige måde. Ved afslutningen af deres levetid måtte de konstant afstemmes og til sidst ændres. Kan du forestille dig, hvor meget kræfter og penge det koster at servicere computersystemer ?!
Mærkelig struktur på fotoet - det er en magnetisk kernehukommelse. Her er en visuel struktur på et af matriserne med ledninger og ferritringe. Kan du forestille dig, hvor meget tid du havde brug for at finde et ikke-arbejdsmodul blandt dem?
Derefter kom tiden for arrays med tæt adskilte ferritringe - en opfindelse af amerikanske fysikere An Wang og Wei-Dong Wu, modificeret af studerende under ledelse af Jay Forrester fra Massachusetts Institute of Technology (MIT). Forbindende ledninger løb gennem ringene i en vinkel på 45 grader (fire for hver ring i tidlige systemer, to i mere avancerede systemer). Under spænding magnetiserede ledningerne ferritringe, som hver kunne gemme en bit data (magnetiseret - 1, demagnetiseret - 0).
Jay Forrester udviklede et system, hvor styresignalerne for flere kerner blev sendt over blot et par ledninger. I 1951 blev en hukommelse baseret på magnetiske kerner (en direkte analog til moderne tilfældig adgangshukommelse) frigivet. Senere indtog det sin retmæssige plads i mange computere, inklusive de første generationer af mainframes fra DEC og IBM. Sammenlignet med sine forgængere havde den nye type hukommelse næsten ingen ulemper. Dets pålidelighed var tilstrækkelig til at fungere i militær og endda rumfartøjer. Efter nedbruddet af Challenger-shuttle, som førte til, at syv af dens besætningsmedlemmer døde, forblev dataene om bordcomputeren, der er optaget i hukommelsen med magnetiske kerner, intakte og intakte.
Teknologien blev gradvist forbedret. Ferritperlerne faldt i størrelse, arbejdshastigheden steg. De første prøver opererede med en frekvens på ca. 1 MHz, adgangstiden var 60.000 ns - i midten af 70'erne var den faldet til 600 ns.
Skat, jeg har reduceret vores hukommelse
Det næste spring fremad i udviklingen af computerhukommelse kom, da integrerede kredsløb og transistorer blev opfundet. Branchen har taget vejen for miniaturisering af komponenter, mens den øger deres ydelse. I begyndelsen af 1970'erne mestede halvlederindustrien produktionen af stærkt integrerede mikrokredsløb - titusinder af transistorer passer nu i et relativt lille område. Hukommelseschips med en kapacitet på 1 Kbit (1024 bit), små chips til regnemaskiner og endda de første mikroprocessorer dukkede op. Der er sket en reel revolution.
Hukommelsesproducenter i disse dage er mere bekymrede for udseendet af deres produkter - alle de samme standarder og egenskaber er forudbestemt i kommissioner som JEDEC.
Dr. Robert Dennard fra IBM har bidraget specielt til udviklingen af primær hukommelse. Han udviklede den første chip baseret på en transistor og en lille kondensator. I 1970 blev markedet ansporet af Intel (som havde vist sig to år tidligere) med introduktionen af 1Kb i1103 hukommelseschippen. To år senere blev dette produkt verdens mest solgte chip til halvlederhukommelse.
I dagene med den første Apple Macintosh besatte RAM-blokken en enorm bar (på billedet ovenfor), mens lydstyrken ikke oversteg 64 KB.
Højt integrerede mikrokredsløb erstattede hurtigt ældre hukommelsestyper. Med overgangen til det næste udviklingsniveau har voluminøse mainframes givet plads til stationære computere. Hovedhukommelsen på det tidspunkt blev til sidst adskilt fra den sekundære, den tog form af separate mikrochips med en kapacitet på 64, 128, 256, 512 Kbit og endda 1 Mbit.
Endelig blev de primære hukommelseschips flyttet fra bundkort til separate strimler, hvilket i høj grad letter installationen og udskiftningen af defekte komponenter. Frekvenserne begyndte at stige, adgangstiderne faldt. De første synkrone dynamiske SDRAM-chips optrådte i 1993, introduceret af Samsung. Nye mikrokredsløb arbejdede ved 100 MHz, adgangstiden var 10 ns.
Fra det øjeblik begyndte den sejrrige march af SDRAM, og i 2000 havde denne type hukommelse fjernet alle konkurrenter. JEDEC-kommissionen (Joint Electron Device Engineering Council) overtog definitionen af standarder på RAM-markedet. Deltagerne har udarbejdet specifikationer, der er ensartet for alle producenter, godkendt frekvens og elektriske egenskaber.
Yderligere udvikling er ikke så interessant. Den eneste markante begivenhed fandt sted i 2000, hvor DDR SDRAM standard RAM dukkede op på markedet. Det gav dobbelt båndbredde for konventionel SDRAM og satte scenen for fremtidig vækst. DDR blev fulgt i 2004 af DDR2-standarden, som stadig er den mest populære.
Patent trold
I den moderne it-verden henviser udtrykket Patent Troll til virksomheder, der tjener penge på retssager. De motiverer dette ved, at andre virksomheder har krænket deres ophavsret. Rambus-hukommelsesudvikleren falder fuldstændigt under denne definition.
Siden grundlæggelsen i 1990 har Rambus licenseret sin teknologi til tredjepart. F.eks. Kan dens controllere og hukommelseschips findes i Nintendo 64 og PlayStation 2. Rambus's fineste time kom i 1996, hvor Intel indgik en aftale med Intel om at bruge RDRAM og RIMM-slots i sine produkter.
Først gik alt efter planen. Intel fik avanceret teknologi til rådighed, og Rambus var tilfreds med et partnerskab med en af de største aktører i IT-branchen. Desværre sætter den høje pris på RDRAM-moduler og Intel-chipsæt en stopper for platformens popularitet. Ledende bundkortproducenter brugte VIA-chipsæt og -tavler med stik til almindelig SDRAM.
Rambus indså, at det på dette tidspunkt mistede hukommelsesmarkedet og begyndte sit lange spil med patenter. Den første ting, hun kom på, var en frisk JEDEC-udvikling - DDR SDRAM-hukommelse. Rambus angreb hende og beskyldte skaberne for krænkelse af ophavsret. I nogen tid modtog virksomheden kontante royalties, men den næste retssag, der involverede Infineon, Micron og Hynix, satte alt på sin plads. Retten erkendte, at den teknologiske udvikling inden for DDR SDRAM og SDRAM ikke hører til Rambus.
Siden da har det samlede antal krav fra Rambus mod førende RAM-producenter overskredet alle tænkelige grænser. Og det ser ud til, at denne livsstil passer virksomheden ganske godt.