В древни времена - това беше преди почти 80 години, в зората на изчислителните технологии - паметта на изчислителните устройства обикновено беше разделена на три вида. Първични, вторични и външни. Сега никой не използва тази терминология, въпреки че самата класификация съществува и до днес. Само първичната памет вече се нарича оперативна, вторичната - вътрешни твърди дискове, а външната е прикрита като всички видове оптични дискове и флаш устройства.
Преди да започнем пътуване в миналото, нека разберем горната класификация и да разберем за какво е предназначен всеки тип памет. Компютърът представя информация под формата на последователност от битове - двоични цифри със стойности 1 или 0. Общоприетата универсална информационна единица е байт, който обикновено се състои от 8 бита. Всички данни, използвани от компютъра, заемат определен брой байтове. Например, типичният музикален файл е 40 милиона бита - 5 милиона байта (или 4,8 мегабайта). Централният процесор не може да функционира без елементарно устройство с памет, тъй като цялата му работа се свежда до получаване, обработка и запис обратно в паметта. Ето защо легендарният Джон фон Нойман (споменахме неговото име неведнъж в поредица от статии за мейнфрейми) излезе с независима структура вътре в компютъра,където ще се съхраняват всички необходими данни.
Класификацията на вътрешната памет също разделя медиите според принципа на скоростта (и енергията). Бързата първична (произволен достъп) памет се използва днес за съхранение на критична информация, до която CPU има достъп най-често. Това е ядрото на операционната система, изпълними файлове на работещи програми, междинни резултати от изчисления. Времето за достъп е минимално, само няколко наносекунди.
Основната памет комуникира с контролер, разположен или вътре в процесора (в най-новите модели процесори), или като отделен чип на дънната платка (северен мост). Цената на оперативната памет е сравнително висока, освен това тя е нестабилна: изключиха компютъра или случайно извадиха захранващия кабел от контакта - и цялата информация беше изгубена. Затова всички файлове се съхраняват във вторичната памет - на платки на твърдия диск. Информацията тук не се изтрива след прекъсване на електрозахранването, а цената на мегабайт е много ниска. Единственият недостатък на твърдите дискове е ниската скорост на реакция, тя се измерва вече в милисекунди.
Между другото, интересен факт. В зората на развитието на компютрите първичната памет не беше отделена от вторичната памет. Основният процесор беше много бавен и паметта не даде ефект на затруднение. Онлайн и постоянните данни се съхраняват в същите компоненти. По-късно, когато скоростта на компютрите се увеличи, се появиха нови видове носители за съхранение.
Обратно в миналото
Един от основните компоненти на първите компютри бяха електромагнитните превключватели, разработени от известния американски учен Джоузеф Хенри през 1835 г., когато никой дори не мечтаеше за никакви компютри. Простият механизъм се състоеше от метална сърцевина, обвита с тел, подвижна железна арматура и няколко контакта. Развитието на Хенри е в основата на електрическия телеграф на Самюъл Морс и Чарлз Уитстоун.
Промоционално видео:
Първият компютър, базиран на превключватели, се появява в Германия през 1939г. Инженерът Конрад Сус ги използва за създаването на системната логика на Z2 устройството. За съжаление колата не е живяла дълго, а нейните планове и снимки са изгубени по време на бомбардировките на Втората световна война. Следващото изчислително устройство Sius (под името Z3) е пуснато през 1941 година. Това беше първият компютър, контролиран от програмата. Основните функции на машината бяха реализирани с 2000 превключвателя. Конрад щеше да прехвърли системата на по-модерни компоненти, но правителството затвори финансирането, вярвайки, че идеите на Сиус няма бъдеще. Подобно на своя предшественик, Z3 бе унищожен по време на бомбардировките на Съюзниците.
Електромагнитните превключватели работеха много бавно, но развитието на технологиите не стоеше неподвижно. Вторият тип памет за ранните компютърни системи бяха линиите за забавяне. Информацията се пренасяше от електрически импулси, които се превръщаха в механични вълни и с ниска скорост се движеха през живак, пиезоелектричен кристал или магниторезистивна намотка. Има вълна - 1, няма вълна - 0. Стотици и хиляди импулси могат да преминават през диригентския материал за единица време. В края на своя път всяка вълна се трансформира обратно в електрически импулс и се изпраща в началото - ето най-простата операция за актуализиране за вас.
Линията на забавяне е разработена от американския инженер Джон Преспър Екерт. Компютърът EDVAC, представен през 1946 г., съдържа два блока памет с 64 линии на закъснение, базирани на живак (5,5 KB по съвременни стандарти). По онова време това беше повече от достатъчно за работа. В EDVAC присъства и вторичната памет - резултатите от изчисленията се записват на магнитна лента. Друга система, UNIVAC 1, която беше пусната през 1951 г., използва 100 блока, базирани на линии на забавяне и имаше сложен дизайн с много физически елементи за съхранение на данни.
Паметната линия за закъснение прилича повече на хиперпространството на космическия кораб. Трудно е да си представим, но такъв колос би могъл да съхранява само няколко бита данни!
Децата на Бобек
Две доста значими изобретения в областта на носителите на данни останаха зад кулисите на нашето изследване. И двете бяха направени от талантливия служител на Bell Labs Андрю Бобек. Първата разработка, така наречената памет на twistor, може да бъде отлична алтернатива на паметта с магнитно ядро. Тя до голяма степен повтори последното, но вместо феритни пръстени за съхранение на данни използва магнитна лента. Технологията имаше две важни предимства. Първо, паметта на twistor може едновременно да записва и чете информация от редица усуквачи. Плюс това беше лесно да се настрои автоматично производство. Bell Labs се надяваха, че това ще намали значително цената на twistor паметта и ще заеме обещаващ пазар.
Разработката беше финансирана от ВВС на САЩ и паметта трябваше да се превърне във важна функционална клетка на ракетите Nike Sentinel. За съжаление работата по усукванията отне много време и паметта, базирана на транзисторите, излезе на преден план. Захващането на пазара не се състоя.
„Лош късмет първия път, толкова късмет вторият“, помисли си Bell Labs. В началото на 70-те години Андрю Бобек въведе енергонезависима балонска памет. Той се основаваше на тънък магнитен филм, който държи малки намагнетизирани области (мехурчета), които съхраняват двоични стойности. След известно време се появи първата компактна клетка с капацитет 4096 бита - устройство с размери един квадратен сантиметър имаше капацитет на цяла лента с магнитни ядра.
Много компании се заинтересуваха от изобретението и в средата на 70-те години всички основни пазарни участници се заеха с развитието в областта на мехурната памет. Нелетливата структура направи балончетата идеален заместител както за първичната, така и за вторичната памет. Но дори и плановете на Bell Labs не се сбъднаха - евтините твърди дискове и транзисторната памет блокираха кислорода от балонната технология.
Вакуумът е нашето всичко
В края на 40-те системната логика на компютрите се премести във вакуумни тръби (те също са електронни тръби или термионни валове). Заедно с тях телевизията, устройствата за възпроизвеждане на звук, аналоговите и цифровите компютри получиха нов тласък в развитието.
Вакуумните тръби са оцелели в технологията и до днес. Те са особено обичани сред аудиофилите. Смята се, че усилващата верига на базата на вакуумни тръби е разрез над съвременните аналози по качество на звука.
Под тайнствената фраза "вакуумна тръба" е доста прост елемент в структурата. Прилича на обикновена лампа с нажежаема жичка. Нишката е затворена в безвъздушно пространство и при нагряване излъчва електрони, които попадат върху положително заредена метална плоча. В лампата под напрежение се генерира поток от електрони. Вакуумната тръба може да предава или блокира (фази 1 и 0) тока, преминаващ през нея, действайки като електронен компонент на компютрите. По време на работа вакуумните тръби стават много горещи, те трябва да се охлаждат интензивно. Но те са много по-бързи от предшестващите превключватели.
Първичната памет, базирана на тази технология, се появява през 1946-1947 г., когато изобретателите Фреди Уилямс и Том Килбърн въвеждат тръбата на Уилямс-Килбърн. Методът за съхранение на данни беше много гениален. При определени условия върху тръбата се появи светлинна точка, която леко зарежда заетата повърхност. Районът около точката придоби отрицателен заряд (наричан е „енергиен кладенец“). Нова точка може да бъде поставена в „кладенеца“или да бъде оставена без надзор - тогава първоначалната точка бързо ще изчезне. Тези трансформации бяха интерпретирани от контролера на паметта като двоични фази 1 и 0. Технологията беше много популярна. Паметната тръба на Williams-Kilburn беше инсталирана в компютри Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 и Standard Western Western Computer (SWAC).
Успоредно с това, инженери от Radio Corporation на Америка под ръководството на учения Владимир Зворикин разработваха своя собствена тръба, наречена селекрон. Според идеята на авторите селектронът е трябвало да съдържа до 4096 бита информация, което е четири пъти повече от тръбата на Уилямс-Килбърн. Изчислено е, че до края на 1946 г. ще бъдат произведени около 200 селерона, но производството се оказва много скъпо.
До пролетта на 1948 г. Radio Corporation of America не пуска нито един селектор, но работата по концепцията продължава. Инженерите преработиха тръбата и вече е налична по-малка 256-битова версия. Мини селектоните бяха по-бързи и по-надеждни от тръбите на Уилямс-Килбърн, но струваха 500 долара за брой. И това е в масовото производство! Селекроните обаче успяват да влязат в изчислителната машина - през 1953 г. компанията RAND пусна компютър под забавното име JOHNNIAC (в чест на Джон фон Нойман). В системата са инсталирани намалени 256-битови селекрони, а общата памет е 32 байта.
Наред с вакуумните тръби, някои компютри от времето използват барабанна памет, изобретен от Густав Таусцек през 1939г. Простият дизайн включваше голям метален цилиндър, покрит с феромагнитна сплав. Главите за четене, за разлика от съвременните твърди дискове, не се движеха по повърхността на цилиндъра. Контролерът на памет изчака информацията да мине под главите сама. Барабанната памет беше използвана в компютъра на Атанасов-Бери и някои други системи. За съжаление, представянето му беше много ниско.
Selektron не беше предопределен да завладее пазара на компютри - спретнато изглеждащи електронни компоненти останаха да събират прах в сметището. И това въпреки изключителните технически характеристики.
Модерни тенденции
В момента основният пазар на паметта се управлява от стандарта DDR. По-точно второто му поколение. Преходът към DDR3 ще се осъществи съвсем скоро - остава да изчакаме появата на евтини чипсети, поддържащи новия стандарт. Широката стандартизация направи сегмента на паметта твърде скучен, за да се опише. Производителите са спрели да измислят нови, уникални продукти. Цялата работа се свежда до увеличаване на работната честота и инсталиране на сложна охладителна система.
Технологичният застой и плахите еволюционни стъпки ще продължат, докато производителите достигнат границата на възможностите на силиция (той е от който се правят интегрални схеми). В крайна сметка честотата на работа не може да се увеличава за неопределено време.
Въпреки това, тук има една уловка. Производителността на съществуващите DDR2 чипове е достатъчна за повечето компютърни приложения (сложните научни програми не се броят). Инсталирането на DDR3 модули, работещи на 1066 MHz и по-високи, не води до осезаемо увеличение на скоростта.
Звезден път към бъдещето
Основният недостатък на паметта и на всички останали компоненти, базирани на вакуумни тръби, беше генерирането на топлина. Тръбите трябваше да се охлаждат с радиатори, въздух и дори вода. Освен това постоянното нагряване значително намалява времето за работа - тръбите се разграждат по най-естествения начин. В края на техния експлоатационен живот те трябваше да бъдат постоянно настроени и в крайна сметка да се променят. Можете ли да си представите колко усилия и пари струва обслужването на компютърни системи ?!
Странна текстура на снимката - това е памет с магнитно ядро. Ето визуална структура на един от масивите с проводници и феритни пръстени. Можете ли да си представите колко време трябваше да отделите, за да намерите неработещ модул сред тях?
След това дойде времето на масиви с плътно разположени феритни пръстени - изобретение на американските физици Ан Ванг и Вей-Донг Ву, модифицирано от студенти под ръководството на Джей Форестър от Масачузетския технологичен университет (MIT). Свързващите проводници преминаваха през центровете на пръстените под ъгъл от 45 градуса (четири за всеки пръстен в ранните системи, два в по-напредналите системи). Под напрежение проводниците намагнетизират феритни пръстени, всеки от които може да съхранява по един бит данни (намагнетизиран - 1, демагнетизиран - 0).
Джей Форестър разработи система, в която управляващите сигнали за множество ядра бяха изпратени по само няколко проводника. През 1951 г. е освободена памет, базирана на магнитни ядра (пряк аналог на съвременната памет с произволен достъп). По-късно той зае своето достоверно място в много компютри, включително първите поколения мейнфрейми от DEC и IBM. В сравнение с предшествениците си новият тип памет практически нямаше недостатъци. Надеждността му беше достатъчна за функциониране във военни и дори космически кораби. След катастрофата на Space Shuttle Challenger, довела до смъртта на седем от членовете на екипажа му, данните на бордовия компютър, записани в паметта с магнитни ядра, остават непокътнати и непокътнати.
Технологията постепенно се усъвършенства. Феритовите топчета намаляха по размер, скоростта на работа се увеличи. Първите проби работеха с честота около 1 MHz, времето за достъп беше 60 000 ns - до средата на 70-те години тя спадна до 600 ns.
Мила, намалих паметта ни
Следващият скок напред в развитието на компютърната памет дойде, когато бяха изобретени интегрални схеми и транзистори. Промишлеността пое по пътя на миниатюризиращите компоненти, като същевременно увеличи тяхната ефективност. В началото на 70-те години полупроводниковата индустрия овладява производството на високо интегрирана микросхема - десетки хиляди транзистори сега се побират в сравнително малка площ. Появиха се чипове с памет с капацитет 1 Kbit (1024 бита), малки чипове за калкулатори и дори първите микропроцесори. Истинска революция се случи.
Днес производителите на памет са по-загрижени за появата на своите продукти - всички същите стандарти и характеристики са предварително определени в комисии като JEDEC.
Д-р Робърт Деннард от IBM направи специален принос за развитието на първичната памет. Той разработи първия чип на базата на транзистор и малък кондензатор. През 1970 г. пазарът беше стимулиран от Intel (който се появи само две години по-рано) с въвеждането на 1Kb i1103 чип за памет. Две години по-късно този продукт се превърна в най-продавания чип на полупроводникова памет в света.
В дните на първия Apple Macintosh, RAM блокът зае огромна лента (на снимката по-горе), докато обемът не надвишава 64 KB.
Високо интегрираните микросхеми бързо замениха по-старите видове памет. С преминаването към следващото ниво на развитие обемните мейнфрейми отстъпиха място на настолните компютри. Основната памет по това време беше окончателно отделена от вторичната, прие формата на отделни микрочипове с капацитет 64, 128, 256, 512 Kbit и дори 1 Mbit.
Накрая основните чипове на паметта бяха преместени от дънните платки в отделни ленти, което значително улесни инсталирането и подмяната на дефектни компоненти. Честотите започнаха да се увеличават, времето за достъп намаля. Първите синхронни динамични чипове SDRAM се появяват през 1993 г., представени от Samsung. Нови микросхеми работеха на 100 MHz, времето за достъп беше 10 ns.
От този момент нататък започва победният поход на SDRAM и до 2000 г. този тип памет беше изхвърлила всички конкуренти. Комисията JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) пое определението за стандарти на пазара на RAM. Участниците му са формирали спецификации, които са единни за всички производители, одобрени честота и електрически характеристики.
По-нататъшната еволюция не е толкова интересна. Единственото значимо събитие се състоя през 2000 г., когато на пазара се появи DDR SDRAM стандартна RAM. Той осигури два пъти по-голяма честотна лента на конвенционалните SDRAM и постави основата за бъдещ растеж. DDR беше последван през 2004 г. от стандарта DDR2, който все още е най-популярният.
Патентен трол
В съвременния ИТ свят фразата Patent Troll се отнася до фирми, които печелят пари от съдебни дела. Те мотивират това с факта, че други компании са нарушили авторските им права. Разработчикът на паметта Rambus изцяло попада под тази дефиниция.
От основаването си през 1990 г. Rambus лицензира технологията си на трети страни. Например, нейните контролери и чипове за памет могат да бъдат намерени в Nintendo 64 и PlayStation 2. Най-добрият час на Rambus дойде през 1996 г., когато Intel сключи споразумение с Intel за използване на слотовете RDRAM и RIMM в своите продукти.
В началото всичко вървеше по план. Intel разполага с модерни технологии на свое разположение, а Rambus се задоволява с партньорство с един от най-големите играчи в ИТ индустрията. За съжаление високата цена на RDRAM модулите и чипсетите Intel сложи край на популярността на платформата. Водещите производители на дънни платки използваха VIA чипсети и платки с конектори за редовен SDRAM.
Rambus разбра, че на този етап загуби пазара на паметта, и започна дългата си игра с патенти. Първото нещо, на което се натъкна, беше свежа разработка на JEDEC - DDR SDRAM памет. Рамбус я нападна, обвинявайки създателите на нарушения на авторските права. За известно време компанията получи парични възнаграждения, но следващото съдебно производство, включващо Infineon, Micron и Hynix, постави всичко на мястото си. Съдът призна, че технологичните разработки в областта на DDR SDRAM и SDRAM не принадлежат на Rambus.
Оттогава общият брой на исковете на Rambus срещу водещи производители на RAM е надхвърлил всички възможни граници. И изглежда, че този начин на живот подхожда доста добре на компанията.