Muinaisina aikoina - se oli melkein 80 vuotta sitten, tietotekniikan alkaessa - tietokonelaitteiden muisti jaettiin yleensä kolmeen tyyppiin. Ensisijainen, toissijainen ja ulkoinen. Nyt kukaan ei käytä tätä terminologiaa, vaikka luokittelu itsessään on olemassa tänäkin päivänä. Vain ensisijaista muistia kutsutaan nyt toiminnallisiksi, toissijaisiksi - sisäisiksi kiintolevyiksi, ja ulkoista muistia on naamioitu kaikenlaisiin optisiin levyihin ja muistitikkuihin.
Ennen kuin aloitat matkan menneisyyteen, ymmärretään yllä oleva luokittelu ja ymmärretään, millainen kukin muisti on. Tietokone edustaa tietoa bittisekvenssinä - binaarinumeroina, joiden arvot ovat 1 tai 0. Yleisesti hyväksytty universaali tietoyksikkö on tavu, joka koostuu yleensä 8 bitistä. Kaikki tietokoneen käyttämät tiedot vievät tietyn määrän tavuja. Esimerkiksi tyypillinen musiikkitiedosto on 40 miljoonaa bittiä - 5 miljoonaa tavua (tai 4,8 megatavua). Keskusprosessori ei voi toimia ilman perusmuistilaitetta, koska kaikki työnsä rajoittuu vastaanottamiseen, käsittelemiseen ja muistiin kirjoittamiseen. Siksi legendaarinen John von Neumann (olemme maininneet hänen nimensä useita kertoja mainframeja koskevissa artikkelisarjoissa) keksivät itsenäisen rakenteen tietokoneen sisällä,missä kaikki tarvittavat tiedot tallennetaan.
Sisäinen muistiluokitus jakaa media myös nopeus (ja energia) -periaatteen mukaan. Nopeaa ensisijaista muistia (satunnainen pääsy) käytetään nykyään kriittisen tiedon tallentamiseen, jota CPU käyttää useimmiten. Tämä on käyttöjärjestelmän ydin, käynnissä olevien ohjelmien suoritettavat tiedostot, laskelmien välitulokset. Pääsyaika on minimaalinen, vain muutama nanosekuntia.
Ensisijainen muisti on yhteydessä ohjaimeen, joka sijaitsee joko prosessorin sisällä (uusimmissa CPU-malleissa) tai erillisenä siruna emolevyllä (pohjasilta). RAM-muistin hinta on suhteellisen korkea, lisäksi se on epävakaa: he sammuttivat tietokoneen tai vetivät vahingossa virtajohdon pistorasiasta - ja kaikki tiedot katosivat. Siksi kaikki tiedostot tallennetaan toissijaiseen muistiin - kiintolevytasoille. Täällä olevia tietoja ei poisteta sähkökatkoksen jälkeen, ja megatavuhinta on erittäin alhainen. Kiintolevyjen ainoa haitta on alhainen reaktionopeus, se mitataan jo millisekunnissa.
Muuten, mielenkiintoinen tosiasia. Tietokoneiden kehityksen alkaessa primaarimuistia ei erotettu toissijaisesta muistista. Pääkäsittely-yksikkö oli erittäin hidas, ja muisti ei antanut pullonkaula-ilmiötä. Online- ja pysyvä data tallennettiin samoihin komponentteihin. Myöhemmin, kun tietokoneiden nopeus kasvoi, ilmestyi uudenlaisia tallennusvälineitä.
Takaisin menneeseen
Yksi ensimmäisten tietokoneiden pääkomponenteista oli sähkömagneettiset kytkimet, jotka kehitti kuuluisa amerikkalainen tutkija Joseph Henry vuonna 1835, kun kukaan ei edes unelmoinut tietokoneista. Yksinkertainen mekanismi koostui lankakelatusta metallisydämestä, siirrettävistä rautaosista ja muutamasta koskettimesta. Henryn kehitys loi perustan Samuel Morsen ja Charles Whitstonen sähkönsiirtoon.
Mainosvideo:
Ensimmäinen kytkimiin perustuva tietokone ilmestyi Saksassa vuonna 1939. Insinööri Konrad Süs käytti niitä Z2-laitteen järjestelmälogiikan luomiseen. Valitettavasti auto ei asunut kauan, ja sen suunnitelmat ja valokuvat hävisivät toisen maailmansodan pommituksissa. Seuraava tietokone Sius (nimellä Z3) julkaistiin vuonna 1941. Tämä oli ensimmäinen ohjelman ohjaama tietokone. Koneen päätoiminnot toteutettiin 2000 kytkimellä. Konrad aikoi siirtää järjestelmän nykyaikaisempiin komponentteihin, mutta hallitus sulki rahoituksen uskoen, että Siuksen ideoilla ei ollut tulevaisuutta. Kuten edeltäjänsä, Z3 tuhoutui liittolaisten pommitusretkien aikana.
Sähkömagneettiset kytkimet toimivat hyvin hitaasti, mutta tekniikan kehitys ei pysynyt paikallaan. Toinen muistin tyyppi varhaisiin tietokonejärjestelmiin oli viivelinjat. Tietoja kuljettivat sähköiset impulssit, jotka muutettiin mekaanisiksi aaltoiksi ja siirrettiin pienellä nopeudella elohopean, pietsosähköisen kiteen tai magnetoresistiivisen kelan läpi. On aalto - 1, ei ole aaltoa - 0. Sadat ja tuhannet impulssit voisivat kulkea johtavaa materiaalia pitkin aikayksikköä kohti. Reitin lopussa jokainen aalto muutettiin takaisin sähköiseksi impulssiksi ja lähetettiin alkuun - tässä on yksinkertaisin päivitysoperaatio sinulle.
Viivelinjan kehitti amerikkalainen insinööri John Presper Eckert. Vuonna 1946 käyttöön otettu EDVAC-tietokone sisälsi kaksi muistilohkoa 64 viivelinjalla, jotka perustuivat elohopeaan (nykyaikaisten standardien mukaan 5,5 kt). Tuolloin tämä oli enemmän kuin tarpeeksi työhön. Toissijainen muisti oli myös EDVAC-järjestelmässä - laskelmien tulokset tallennettiin magneettinauhalle. Toinen järjestelmä, UNIVAC 1, joka julkaistiin vuonna 1951, käytti 100 viiveviivaan perustuvaa lohkoa, ja sillä oli monimutkainen rakenne, jossa oli paljon fyysisiä elementtejä tietojen tallentamiseksi.
Viivelinjamuisti muistuttaa enemmän avaruusaluksen hyperavaruusmoottoria. On vaikea kuvitella, mutta sellainen kolossi voisi tallentaa vain muutama bitti dataa!
Bobekin lapset
Kaksi melko merkittävää keksintöä tietovälineiden alalla pysyivät tutkimuksen takana. Molemmat valmisti lahjakas Bell Labsin työntekijä Andrew Bobek. Ensimmäinen kehitys, ns. Kiertymämuisti, voisi olla erinomainen vaihtoehto magneettiseen ytimen muistiin. Hän toisti suurelta osin jälkimmäisen, mutta ferriittirenkaiden sijasta tietojen tallentamiseen hän käytti magneettinauhaa. Teknologialla oli kaksi tärkeää etua. Ensinnäkin, kiertymämuisti pystyi samanaikaisesti kirjoittamaan ja lukemaan tietoa useista kiertimistä. Lisäksi automaattisen tuotannon perustaminen oli helppoa. Bell Labs toivoi, että tämä vähentäisi merkittävästi kiertomuistin hintaa ja miehittäisi lupaavat markkinat.
Kehitystä rahoitti Yhdysvaltain ilmavoimat, ja muistista tuli tulla tärkeä Nike Sentinel -ohjusten toiminnallinen solu. Valitettavasti vistimien työ kesti kauan, ja transistoreihin perustuva muisti tuli esiin. Markkinoiden sieppaamista ei tapahtunut.
"Huonoa onnea ensimmäistä kertaa, niin onnekas toinen", ajatteli Bell Labs. 70-luvun alkupuolella Andrew Bobek esitteli haihtumattoman kuplamuistin. Se perustui ohueseen magneettikalvoon, jossa oli pieniä magnetoituneita alueita (kuplia), jotka tallensivat binaariarvoja. Jonkin ajan kuluttua ilmestyi ensimmäinen kompakti kenno, jonka kapasiteetti oli 4096 bittiä - yhden neliön senttimetriä mittaavalla laitteella oli koko nauhan, jossa oli magneettinen ydin, kapasiteetti.
Monet yritykset kiinnostuivat keksinnöstä, ja 70-luvun puolivälissä kaikki suuret markkinatoimijat ryhtyivät kehitykseen kuplamuistin alalla. Haihtumaton rakenne teki kuploista ihanteellisen korvauksen sekä ensisijaiselle että toissijaiselle muistille. Mutta edes täällä Bell Labsin suunnitelmat eivät toteutuneet - halvat kiintolevyt ja transistorimuisti tukkivat kuplatekniikan happea.
Tyhjiö on kaikkea
40-luvun loppuun mennessä tietokoneiden järjestelmälogiikka muutti tyhjiöputkiin (ne ovat myös elektronisia putkia tai termionisia akseleita). Yhdessä heidän kanssaan televisio, äänentoistolaitteet, analogiset ja digitaaliset tietokoneet saivat uuden sysäyksen kehitykseen.
Tyhjiöputket ovat säilyneet tekniikassa tähän päivään asti. Heitä pidetään erityisen rakastettuina audiofiilien keskuudessa. Uskotaan, että tyhjiöputkiin perustuva vahvistuspiiri on leikkaus nykyaikaisten analogien yläpuolelle äänenlaadulla.
Salaperäisen lauseen alla "tyhjöputki" on rakenteeltaan melko yksinkertainen elementti. Se muistuttaa tavallista hehkulamppua. Hehkulanka on suljettu ilmattomaan tilaan, ja kuumennettaessa se emittoi elektroneja, jotka putoavat positiivisesti varautuneelle metallilevylle. Lampun sisälle syntyy virtaus elektroneja. Tyhjiöputki voi joko ohittaa tai estää (vaiheet 1 ja 0) sen läpi kulkevan virran, toimien tietokoneiden elektronisena komponenttina. Käytön aikana tyhjiöputket kuumenevat hyvin, ne on jäähdytettävä voimakkaasti. Mutta ne ovat paljon nopeampia kuin antediluvian kytkimet.
Ensisijainen muisti, joka perustuu tähän tekniikkaan, ilmestyi vuosina 1946-1947, kun keksijät Freddie Williams ja Tom Kilburn esittelivät Williams-Kilburn-putken. Tiedon tallennusmenetelmä oli erittäin nerokas. Tietyissä olosuhteissa putkeen ilmestyi valopiste, joka latasi hiukan käyttämää pintaa. Pisteen ympärillä oleva alue sai negatiivisen varauksen (sitä kutsuttiin "energiakaivoksi"). Uusi piste voidaan sijoittaa "kaivoon" tai jättää ilman valvontaa - silloin alkuperäinen piste katoaa nopeasti. Muistiohjain tulkitsi nämä muunnokset binaarivaiheiksi 1 ja 0. Tekniikka oli erittäin suosittu. Williams-Kilburn-putkimuisti asennettiin Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 ja SWAC-tietokoneisiin.
Samanaikaisesti Amerikan Radio Corporationin insinöörit kehittivät tiedemies Vladimir Zvorykinin johdolla omaa putkeaan, nimeltään selektroni. Tekijöiden ajatuksen mukaan selektronin piti sisältää jopa 4096 bittiä tietoa, mikä on neljä kertaa enemmän kuin Williams-Kilburn-putki. Arvioitiin, että vuoden 1946 loppuun mennessä tuotetaan noin 200 selektronia, mutta tuotanto osoittautui erittäin kalliiksi.
Kevääseen 1948 saakka Amerikan radioyhtiö ei julkaissut yhtä ainoaa selektronia, mutta työ konseptin parissa jatkui. Insinöörit suunnittelivat putken uudelleen ja pienempi 256-bittinen versio on nyt saatavana. Mini-selektronit olivat nopeampia ja luotettavampia kuin Williams-Kilburn-putket, mutta maksavat 500 dollaria kappaleelta. Ja tämä on massatuotannossa! Valitsijat kuitenkin onnistuivat pääsemään tietokoneelle - vuonna 1953 RAND-yhtiö julkaisi tietokoneen hauskalla nimellä JOHNNIAC (John von Neumannin kunniaksi). Alennettuja 256-bittisiä selektroneja asennettiin järjestelmään, ja kokonaismuisti oli 32 tavua.
Tyhjiöputkien ohella eräät tuolloin tietokoneet käyttivät rumpumuistia, jonka keksi Gustav Tauscek vuonna 1939. Yksinkertainen muotoilu sisälsi suuren metallisylinterin, joka oli päällystetty ferromagneettisella seoksella. Lukupäät, toisin kuin nykyaikaiset kiintolevyt, eivät liikkuneet sylinterin pinnan yli. Muistiohjain odotti tiedon kulkevan yksin päiden alla. Rummumuistia käytettiin Atanasov-Berry-tietokoneessa ja joissain muissa järjestelmissä. Valitettavasti sen suorituskyky oli erittäin heikko.
Selektronilla ei ollut tarkoitus valloittaa tietokonemarkkinoita - siisti näköiset elektroniset komponentit ovat edelleen keränneet pölyä historian roskakoriin. Ja tämä huolimatta erinomaisista teknisistä ominaisuuksista.
Nykyaikaiset suuntaukset
Tällä hetkellä päämuistimarkkinoita hallitsee DDR-standardi. Tarkemmin sanottuna sen toinen sukupolvi. Siirtyminen DDR3: een tapahtuu hyvin pian - on vielä odotettava uuden standardin tukevien edullisten piirisarjojen ilmestymistä. Laajastandardisointi teki muistisegmentistä liian tylsän kuvaamaan. Valmistajat ovat lopettaneet uusien, ainutlaatuisten tuotteiden keksimisen. Kaikki työ johtuu käyttötaajuuden lisäämisestä ja hienostuneen jäähdytysjärjestelmän asentamisesta.
Teknologinen pysähtyminen ja arka kehitysvaihe jatkuvat, kunnes valmistajat saavuttavat piin (sille, josta integroituja piirejä tehdään) ominaisuuksien rajan. Työn taajuutta ei voida nostaa loputtomiin.
Täällä on kuitenkin yksi saalis. Nykyisten DDR2-sirujen suorituskyky on riittävä useimmille tietokonesovelluksille (monimutkaisia tieteellisiä ohjelmia ei lasketa). DDR3-moduulien asentaminen taajuuksilla 1066 MHz ja korkeammat eivät johda nopeuden konkreettiseen lisääntymiseen.
Star Trek tulevaisuuteen
Muistin ja kaikkien muiden tyhjiöputkiin perustuvien komponenttien päähaitta oli lämmöntuotanto. Putket piti jäähdyttää pattereilla, ilmalla ja jopa vedellä. Lisäksi jatkuva lämmitys vähensi merkittävästi käyttöaikaa - putket hajoavat luonnollisimmalla tavalla. Käyttöiän lopussa heitä oli jatkuvasti viritettävä ja lopulta muutettava. Voitteko kuvitella kuinka paljon vaivaa ja rahaa se maksaa tietokonejärjestelmien palvelulle ?!
Outo tekstuuri valokuvassa - se on magneettinen ydinmuisti. Tässä on visuaalinen rakenne yhdestä kaapeleista, joissa on johdot ja ferriittirenkaat. Voitteko kuvitella, kuinka paljon aikaa jouduitte käyttämään toimimattoman moduulin löytämiseen heidän joukostaan?
Sitten tuli aika taulukoissa, joissa oli lähekkäin sijaitsevia ferriittirenkaita - amerikkalaisten fyysikkojen An Wangin ja Wei-Dong Wun keksintö, jota muuttivat opiskelijat Jay Forresterin johdolla Massachusettsin teknillisestä yliopistosta (MIT). Yhdysjohdot kulkivat renkaiden keskuksien läpi 45 asteen kulmassa (neljä jokaiselle renkaalle aikaisissa järjestelmissä, kaksi edistyneemmissä järjestelmissä). Jännitteen alla johdot magnetoivat ferriittirenkaat, joista kukin voi tallentaa yhden bitin dataa (magnetoitu - 1, magnetoitu - 0).
Jay Forrester kehitti järjestelmän, jossa useiden ytimien ohjaussignaalit lähetettiin vain muutamalla johdolla. Vuonna 1951 vapautettiin magneettisiin ytimiin perustuva muisti (nykyisen hajasaantimuistin suora analogi). Myöhemmin se saavutti oikeutetun paikkansa monissa tietokoneissa, mukaan lukien DEC: n ja IBM: n ensimmäisen sukupolven keskusyksiköt. Edellisiin verrattuna uudentyyppisellä muistilla ei ollut käytännössä mitään haittoja. Sen luotettavuus oli riittävä toimimaan sotilas- ja jopa avaruusaluksissa. Sen jälkeen kun Challenger-sukkula oli kaatunut, mikä johti seitsemän miehistön jäsenen kuolemaan, koneen tiedot, jotka oli tallennettu muistiin magneettisydämellä, pysyivät ehjinä ja ehjinä.
Teknologiaa parannettiin vähitellen. Ferriittihelmien koko pieneni, työn nopeus kasvoi. Ensimmäiset näytteet toimivat noin 1 MHz: n taajuudella, pääsyaika oli 60 000 ns - 70-luvun puoliväliin mennessä se oli pudonnut 600 ns: iin.
Rakas, olen vähentänyt muistiamme
Seuraava harppaus tietokonemuistin kehittämisessä tapahtui, kun keksittiin integroituja piirejä ja transistoreita. Teollisuus on valinnut komponenttien pienentämisen tien nostaen samalla niiden suorituskykyä. Puolijohdeteollisuus hallitsi 1970-luvun alkupuolella erittäin integroitujen mikropiirien tuotannon - kymmeniä tuhansia transistoreita mahtuu nyt suhteellisen pienelle alueelle. Muistisirut, joiden kapasiteetti oli 1 Kbit (1024 bittiä), pienet sirut laskimiin ja jopa ensimmäiset mikroprosessorit ilmestyivät. Todellinen vallankumous on tapahtunut.
Muistien valmistajat ovat nykyään enemmän huolissaan tuotteidensa ulkonäöstä - kaikki samat standardit ja ominaisuudet on ennalta määritetty JEDEC-kaltaisissa valiokunnissa.
IBM: n tohtori Robert Dennard on antanut erityisen panoksen ensisijaisen muistin kehittämiseen. Hän kehitti ensimmäisen sirun, joka perustuu transistoriin ja pieneen kondensaattoriin. Vuonna 1970 Intel (joka oli ilmestynyt vain kaksi vuotta aikaisemmin) vauhditti markkinoita ottamalla käyttöön 1 kt i1103 -muistisirun. Kaksi vuotta myöhemmin tästä tuotteesta tuli maailman myydyin puolijohdemuistisiru.
Ensimmäisen Apple Macintosh -päivän aikana RAM-lohko miehitti valtavan palkin (yllä olevassa kuvassa), kun taas äänenvoimakkuus ei ylittänyt 64 kt.
Hyvin integroidut mikropiirit korvasivat nopeasti vanhemmat muistityypit. Siirtyessäsi seuraavalle kehitystasolle, tilaa vievät keskusyksiköt ovat antaneet tien pöytätietokoneille. Päämuisti tuolloin erotettiin lopulta toissijaisesta, se tapahtui erillisinä mikrosiruina, joiden kapasiteetti oli 64, 128, 256, 512 Kbit ja jopa 1 Mbit.
Lopuksi ensisijaiset muistisirut siirrettiin emolevyistä erillisiin nauhoihin, mikä helpotti huomattavasti viallisten komponenttien asentamista ja vaihtamista. Taajuudet alkoivat nousta, pääsyajat vähenivät. Ensimmäiset synkroniset dynaamiset SDRAM-sirut ilmestyivät vuonna 1993, Samsungin esittelemät. Uudet mikropiirit toimivat 100 MHz: llä, käyttöaika oli 10 ns.
Siitä hetkestä lähtien SDRAM: n voitollinen marssi alkoi, ja vuoteen 2000 mennessä tämäntyyppinen muisti oli syrjäyttänyt kaikki kilpailijat. JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) -komissio otti käyttöön standardit RAM-markkinoilla. Sen osanottajat ovat laatineet eritelmät, jotka ovat yhdenmukaiset kaikille valmistajille, hyväksytyt taajuus- ja sähköominaisuudet.
Jatkokehitys ei ole niin mielenkiintoista. Ainoa merkittävä tapahtuma tapahtui vuonna 2000, kun DDR SDRAM -standardimuisti ilmestyi markkinoille. Se tarjosi kaksinkertaisen tavanomaisen SDRAM-kaistanleveyden ja asetti vaiheen tulevalle kasvulle. DDR: tä seurasi vuonna 2004 DDR2-standardi, joka on edelleen suosituin.
Patenttipeikko
Modernissa IT-maailmassa ilmaisu Patent Troll viittaa yrityksiin, jotka ansaitsevat rahaa oikeusjuttuista. He motivoivat tätä sillä, että muut yritykset ovat loukanneet heidän tekijänoikeuttaan. Rambus-muistikehittäjä kuuluu täysin tähän määritelmään.
Perustamisestaan lähtien 1990 Rambus on lisensoinut tekniikkaansa kolmansille osapuolille. Esimerkiksi sen ohjaimet ja muistisirut löytyvät Nintendo 64: stä ja PlayStation 2: sta. Rambuksen hienoin tunti tuli vuonna 1996, kun Intel teki Intelin kanssa sopimuksen RDRAM- ja RIMM-paikkojen käyttämisestä tuotteissaan.
Aluksi kaikki sujui suunnitellusti. Intel sai käytettävissään edistynyttä tekniikkaa, ja Rambus oli tyytyväinen yhteistyöhön tietotekniikka-alan yhden suurimman toimijan kanssa. Valitettavasti RDRAM-moduulien ja Intel-piirisarjojen korkea hinta lopettaa alustan suosion. Johtavat emolevyvalmistajat käyttivät VIA-piirisarjoja ja liittimillä varustettuja kortteja säännölliseen SDRAM: iin.
Rambus tajusi, että se menetti tässä vaiheessa muistimarkkinat, ja aloitti pitkän pelinsä patenteilla. Ensimmäinen asia, jonka hän tapasi, oli tuore JEDEC-kehitys - DDR SDRAM -muisti. Rambus hyökkäsi häneen syyttäen tekijöitä tekijänoikeusloukkauksista. Yhtiö sai jonkin aikaa käteisrojaltia, mutta seuraava oikeusjuttu, jossa osallistuivat Infineon, Micron ja Hynix, asetti kaiken paikoilleen. Tuomioistuin myönsi, että DDR SDRAM: n ja SDRAM: n tekniikan kehitys ei kuulu Rambukseen.
Siitä lähtien Rambuksen johtavien RAM-valmistajien vaatimuksia on ylitetty kaikki kuviteltavissa olevat rajat. Ja näyttää siltä, että tämä elämäntapa sopii yritykselle melko hyvin.