I eldgamle tider - det var nesten 80 år siden, i begynnelsen av databehandlingsteknologi - ble datamaskinens minne vanligvis delt inn i tre typer. Primær, sekundær og ekstern. Nå bruker ingen denne terminologien, selv om klassifiseringen i seg selv eksisterer i dag. Bare primært minne kalles nå operative, sekundære - interne harddisker, og den eksterne er forkledd som alle slags optiske disker og flash-stasjoner.
Før vi starter en reise inn i fortiden, la oss forstå klassifiseringen ovenfor og forstå hva hver type minne er til. Datamaskinen representerer informasjon i form av en bitsekvens - binære sifre med verdier på 1 eller 0. Den allment aksepterte universelle informasjonsenheten er en byte, som vanligvis består av 8 biter. Alle dataene som brukes av datamaskinen, opptar et visst antall byte. For eksempel er en typisk musikkfil 40 millioner biter - 5 millioner byte (eller 4,8 megabyte). Den sentrale prosessoren kan ikke fungere uten en elementær minneenhet, fordi alt arbeidet er redusert til å motta, behandle og skrive tilbake til minnet. Det er grunnen til at den legendariske John von Neumann (vi har nevnt navnet hans mer enn en gang i en serie artikler om mainframes) kom med en uavhengig struktur på datamaskinen,hvor alle nødvendige data vil bli lagret.
Den interne minneklassifiseringen deler også media i henhold til hastighets (og energi) prinsippet. Rask primærminne (tilfeldig tilgang) brukes i dag til å lagre kritisk informasjon som CPU-en får tilgang til ofte. Dette er operativsystemkjernen, kjørbare filer med programmer som kjører, mellomliggende resultatberegninger. Tilgangstiden er minimal, bare noen få nanosekunder.
Primærminne kommuniserer med en kontroller som er plassert enten inne i prosessoren (i de nyeste CPU-modellene), eller som en egen brikke på hovedkortet (nordbroen). Prisen på RAM er relativt høy, dessuten er den ustabil: De slo av datamaskinen eller trakk strømledningen ut av stikkontakten - og all informasjonen gikk tapt. Derfor lagres alle filene i sekundærminnet - på harddiskplater. Informasjonen her slettes ikke etter et strømbrudd, og prisen per megabyte er veldig lav. Den eneste ulempen med harddisker er den lave reaksjonshastigheten, den måles allerede i millisekunder.
Forresten, et interessant faktum. I begynnelsen av datamaskinens utvikling ble ikke primærminnet skilt fra sekundært minne. Hovedbehandlingsenheten var veldig treg, og minnet ga ikke en flaskehalseffekt. Online og vedvarende data ble lagret i de samme komponentene. Senere, da hastigheten på datamaskiner økte, dukket det opp nye typer lagringsmedier.
Tilbake til fortiden
En av hovedkomponentene til de første datamaskinene var elektromagnetiske brytere, utviklet av den berømte amerikanske forskeren Joseph Henry allerede i 1835, da ingen engang drømte om noen datamaskiner. Den enkle mekanismen besto av en trådpakket metallkjerne, bevegelige jernbeslag og noen få kontakter. Henrys utvikling dannet grunnlaget for den elektriske telegrafen til Samuel Morse og Charles Whitstone.
Salgsfremmende video:
Den første datamaskinen basert på brytere dukket opp i Tyskland i 1939. Ingeniøren Konrad Süs brukte dem til å lage systemlogikken til Z2-enheten. Dessverre levde ikke bilen lenge, og planene og fotografiene gikk tapt under bombingen av andre verdenskrig. Den neste dataenheten Sius (under navnet Z3) ble utgitt i 1941. Dette var den første datamaskinen som ble kontrollert av programmet. Hovedfunksjonene til maskinen ble realisert med 2000 brytere. Konrad hadde tenkt å overføre systemet til mer moderne komponenter, men regjeringen stengte finansieringen og trodde at Sius ideer ikke hadde noen fremtid. Som forgjengeren ble Z3 ødelagt under de allierte bombeangrepene.
Elektromagnetiske brytere fungerte veldig sakte, men utviklingen av teknologi sto ikke stille. Den andre typen minne for tidlige datasystemer var forsinkelseslinjer. Informasjonen ble båret av elektriske impulser, som ble omdannet til mekaniske bølger og med lav hastighet flyttet gjennom kvikksølv, en piezoelektrisk krystall eller en magnetoresistiv spole. Det er en bølge - 1, det er ingen bølge - 0. Hundrevis og tusenvis av impulser kan reise gjennom ledende materiale per tidsenhet. På slutten av banen ble hver bølge transformert tilbake til en elektrisk impuls og sendt til begynnelsen - her er den enkleste oppdateringsoperasjonen for deg.
Forsinkelseslinjen ble utviklet av den amerikanske ingeniøren John Presper Eckert. EDVAC-datamaskinen, introdusert i 1946, inneholdt to minneblokker med 64 forsinkelseslinjer basert på kvikksølv (5,5 KB etter moderne standarder). På den tiden var dette mer enn nok for arbeid. Sekundærminne var også til stede i EDVAC - resultatene av beregningene ble registrert på magnetbånd. Et annet system, UNIVAC 1, som ble utgitt i 1951, brukte 100 blokker basert på forsinkelseslinjer, og hadde en kompleks design med mange fysiske elementer for å lagre data.
Forsinkelseslinjeminnet er mer som et romskipets hyperspace-motor. Det er vanskelig å forestille seg, men en slik kolossus kunne bare lagre noen få biter med data!
Bobeks barn
To ganske betydningsfulle oppfinnelser innen databærere forble bak kulissene i vår forskning. Begge ble gjort av den talentfulle Bell Labs-ansatte Andrew Bobek. Den første utviklingen, det såkalte twistor-minnet, kan være et utmerket alternativ til magnetisk kjerneminne. Hun gjentok stort sett sistnevnte, men i stedet for ferrittringer for datalagring brukte hun magnetbånd. Teknologien hadde to viktige fordeler. For det første kunne twistor-minnet samtidig skrive og lese informasjon fra en rekke twistorer. I tillegg var det enkelt å sette opp automatisk produksjon. Bell Labs håpet at dette ville redusere prisen på twistor-minne betydelig og okkupere et lovende marked.
Utviklingen ble finansiert av det amerikanske flyvåpenet, og minnet skulle bli en viktig funksjonell celle av Nike Sentinel-rakettene. Dessverre tok arbeidet med twistorene lang tid, og minnet basert på transistorer kom i forgrunnen. Markedsfangst fant ikke sted.
“Uflaks den første gangen, så heldig den andre,” tenkte Bell Labs. På begynnelsen av 70-tallet introduserte Andrew Bobek ikke-flyktig boblehukommelse. Den var basert på en tynn magnetisk film som inneholdt små magnetiserte regioner (bobler) som lagret binære verdier. Etter litt tid dukket den første kompakte cellen med en kapasitet på 4096 biter opp - en enhet som målte en kvadratcentimeter hadde kapasiteten til en hel stripe med magnetiske kjerner.
Mange selskaper ble interessert i oppfinnelsen, og på midten av 70-tallet tok alle de største aktørene i markedet opp utviklingen innen boblehukommelsen. Den ikke-flyktige strukturen gjorde bobler til en ideell erstatning for både primært og sekundært minne. Men selv her gikk ikke Lab Labs planer i oppfyllelse - billige harddisker og transistorminne blokkerte oksygen fra bobleteknologi.
Vakuum er alt vårt
På slutten av 40-tallet flyttet systemlogikken til datamaskiner til vakuumrør (de er også elektroniske rør eller termioniske aksler). Sammen med dem fikk TV, lydgjengivelsesenheter, analoge og digitale datamaskiner en ny drivkraft i utvikling.
Vakuumrør har overlevd i teknologi frem til i dag. De er spesielt elsket blant lydfiler. Det antas at forsterkningskretsen basert på vakuumrør er et snitt over de moderne analogene i lydkvalitet.
Under den mystiske uttrykket "vakuumrør" er et ganske enkelt element i strukturen. Den ligner en vanlig glødelampe. Filamentet er innelukket i et luftløst rom, og når det blir oppvarmet, avgir det elektroner som faller på en positivt ladet metallplate. En strøm av elektroner genereres inne i lampen under spenning. Vakuumrøret kan enten passere eller blokkere (fase 1 og 0) strømmen som går gjennom det, og fungerer som en elektronisk komponent av datamaskiner. Under drift blir vakuumrørene veldig varme, de må kjøles intenst. Men de er mye raskere enn antediluvianske brytere.
Primærminne basert på denne teknologien dukket opp i 1946-1947, da oppfinnerne Freddie Williams og Tom Kilburn introduserte Williams-Kilburn-røret. Datalagringsmetoden var veldig genial. Under visse forhold dukket det opp et lyspunkt på røret, som lett la den okkuperte overflaten. Området rundt punktet fikk en negativ ladning (det ble kalt en "energibrønn"). Et nytt punkt kunne plasseres i "brønnen" eller forlates uten tilsyn - da forsvant det opprinnelige punktet raskt. Disse transformasjonene ble tolket av minnekontrolleren som binære faser 1 og 0. Teknologien var veldig populær. Williams-Kilburn rørminne ble installert i Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 og Standards Western Automatic Computer (SWAC) datamaskiner.
Parallelt utviklet ingeniører fra Radio Corporation of America under ledelse av forsker Vladimir Zvorykin sitt eget rør, kalt selektronet. I følge forfatternes idé skulle selektronet inneholde opptil 4096 informasjonsbiter, noe som er fire ganger mer enn Williams-Kilburn-røret. Det ble anslått at innen slutten av 1946 ville produsere rundt 200 selektroner, men produksjonen viste seg å være veldig kostbar.
Fram til våren 1948 ga ikke Radio Corporation of America ut et eneste selektron, men arbeidet med konseptet fortsatte. Ingeniører redesignet røret, og en mindre 256-bits versjon er nå tilgjengelig. Mini-selektroner var raskere og mer pålitelige enn Williams-Kilburn-rør, men kostet 500 dollar per stykk. Og dette er i masseproduksjon! Selektronene klarte imidlertid å komme seg inn i datamaskinen - i 1953 ga RAND-selskapet ut en datamaskin under det morsomme navnet JOHNNIAC (til ære for John von Neumann). Reduserte 256-bits selektroner ble installert i systemet, og det totale minnet var 32 byte.
Sammen med vakuumrør brukte noen datamaskiner fra den tiden trommelminne, oppfunnet av Gustav Tauscek i 1939. Den enkle designen involverte en stor metallsylinder belagt med en ferromagnetisk legering. Lesehodene, i motsetning til moderne harddisker, beveget seg ikke over sylinderoverflaten. Minnekontrolleren ventet på at informasjonen skulle passere under hodene på egen hånd. Trommelminne ble brukt i Atanasov-Berry-datamaskinen og noen andre systemer. Dessverre var ytelsen veldig lav.
Selektron var ikke bestemt til å erobre datamaskinmarkedet - pene elektroniske komponenter har fortsatt å samle støv i søpla av historien. Og dette til tross for de enestående tekniske egenskapene.
Moderne tendenser
For øyeblikket styres det primære minnemarkedet av DDR-standarden. Mer presist, den andre generasjonen. Overgangen til DDR3 vil skje ganske snart - det gjenstår å vente på utseendet til billige chipsett som støtter den nye standarden. Utbredt standardisering gjorde minnesegmentet for kjedelig å beskrive. Produsentene har sluttet å finne opp nye, unike produkter. Alt arbeid går ut på å øke driftsfrekvensen og installere et sofistikert kjølesystem.
Teknologisk stagnasjon og redde evolusjonære trinn vil fortsette til produsentene når grensen for kapasitetene til silisium (det er fra hvilke integrerte kretser er laget). Tross alt kan ikke arbeidsfrekvensen økes på ubestemt tid.
Imidlertid er det en fangst her. Ytelsen til de eksisterende DDR2-brikkene er tilstrekkelig for de fleste dataprogrammer (komplekse vitenskapelige programmer teller ikke). Å installere DDR3-moduler som opererer på 1066 MHz og høyere, fører ikke til en vesentlig hastighetsøkning.
Star Trek to the Future
Den største ulempen med minnet, og av alle andre komponenter basert på vakuumrør, var varmeutvikling. Rørene måtte avkjøles med radiatorer, luft og til og med vann. I tillegg reduserte konstant oppvarming driftstiden betydelig - rørene forringet på den mest naturlige måten. På slutten av deres levetid måtte de konstant stilles inn og til slutt endres. Kan du forestille deg hvor mye krefter og penger det koster å service datasystemer ?!
Merkelig tekstur på bildet - det er et magnetisk kjerneminne. Her er en visuell struktur av en av matriser med ledninger og ferrittringer. Kan du forestille deg hvor mye tid du måtte bruke for å finne en ikke-arbeidsmodul blant dem?
Så kom tiden for matriser med nært anlagte ferrittringer - en oppfinnelse av amerikanske fysikere An Wang og Wei-Dong Wu, modifisert av studenter under ledelse av Jay Forrester fra Massachusetts Institute of Technology (MIT). Koblende ledninger løp gjennom ringene midt i en vinkel på 45 grader (fire for hver ring i tidlige systemer, to i mer avanserte systemer). Under spenning magnetiserte ledningene magnetiserte ferritt, som hver kunne lagre en bit data (magnetisert - 1, demagnetisert - 0).
Jay Forrester utviklet et system der kontrollsignalene for flere kjerner ble sendt over bare noen få ledninger. I 1951 ble et minne basert på magnetiske kjerner (en direkte analog av moderne tilfeldig minneminne) utgitt. Senere inntok den sin rettmessige plass i mange datamaskiner, inkludert de første generasjonene av mainframes fra DEC og IBM. Sammenlignet med forgjengerne, hadde den nye typen minne praktisk talt ingen ulemper. Påliteligheten var tilstrekkelig for å fungere i militær og til og med romfartøy. Etter krasjet av Space Shuttle Challenger, som førte til døden til syv av besetningsmedlemmene, forble dataene om bordcomputeren som er registrert i minnet med magnetiske kjerner, intakte og intakte.
Teknologien ble gradvis forbedret. Ferrittperlene reduserte i størrelse, arbeidshastigheten økte. De første prøvene opererte med en frekvens på omtrent 1 MHz, tilgangstiden var 60.000 ns - på midten av 70-tallet hadde den sunket til 600 ns.
Kjære, jeg har redusert hukommelsen vår
Det neste spranget fremover i utviklingen av dataminne kom da integrerte kretsløp og transistorer ble oppfunnet. Bransjen har tatt veien for miniaturisering av komponenter mens de øker ytelsen. På begynnelsen av 1970-tallet mestret halvlederindustrien produksjonen av svært integrerte mikrokretser - titusenvis av transistorer passer nå i et relativt lite område. Minnebrikker med en kapasitet på 1 Kbit (1024 biter), små brikker for kalkulatorer og til og med de første mikroprosessorene dukket opp. En skikkelig revolusjon har skjedd.
Minneprodusenter i disse dager er mer opptatt av utseendet til produktene sine - alle de samme standardene og egenskapene er forhåndsbestemt i kommisjoner som JEDEC.
Dr. Robert Dennard fra IBM har gitt et spesielt bidrag til utviklingen av primærminne. Han utviklet den første brikken basert på en transistor og en liten kondensator. I 1970 ble markedet ansporet av Intel (som hadde dukket opp bare to år tidligere) med introduksjonen av 1Kb i1103 minnebrikke. To år senere ble dette produktet verdens mest solgte brikke for halvlederminne.
I dagene med den første Apple Macintosh okkuperte RAM-blokken en enorm bar (på bildet over), mens volumet ikke oversteg 64 KB.
Høyt integrerte mikrokretser erstattet raskt eldre typer minne. Med overgangen til neste utviklingsnivå har voluminøse mainframes gitt vei for stasjonære datamaskiner. Hovedminnet på den tiden ble til slutt separert fra sekundæret, det tok form av separate mikrochips med en kapasitet på 64, 128, 256, 512 Kbit og til og med 1 Mbit.
Til slutt ble de primære minnebrikker flyttet fra hovedkort til separate strimler, noe som i stor grad muliggjorde installasjon og utskifting av defekte komponenter. Frekvensene begynte å øke, tilgangstidene reduserte. De første synkrone dynamiske SDRAM-brikkene dukket opp i 1993, introdusert av Samsung. Nye mikrokretser fungerte på 100 MHz, tilgangstiden var 10 ns.
Fra det øyeblikket begynte den seirende marsjen til SDRAM, og innen 2000 hadde denne typen minne fjernet alle konkurrenter. Kommisjonen fra JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) overtok definisjonen av standarder i RAM-markedet. Deltakerne har dannet spesifikasjoner som er ensartet for alle produsenter, godkjent frekvens og elektriske egenskaper.
Videreutvikling er ikke så interessant. Den eneste viktige hendelsen fant sted i 2000, da DDR SDRAM standard RAM dukket opp på markedet. Det ga dobbelt båndbredde for konvensjonell SDRAM og satte scenen for fremtidig vekst. DDR ble fulgt i 2004 av DDR2-standarden, som fortsatt er den mest populære.
Patenttroll
I den moderne IT-verden refererer uttrykket Patent Troll til firmaer som tjener penger på søksmål. De motiverer dette ved at andre selskaper har krenket opphavsretten deres. Rambus-minneutvikleren faller helt under denne definisjonen.
Siden grunnleggelsen i 1990 har Rambus lisensiert sin teknologi til tredjepart. For eksempel kan kontrollerne og minnebrikken bli funnet i Nintendo 64 og PlayStation 2. Rambus 'fineste time kom i 1996, da Intel inngikk en avtale med Intel om å bruke RDRAM og RIMM-spor i produktene.
Først gikk alt etter planen. Intel fikk avansert teknologi til disposisjon, og Rambus nøyde seg med et samarbeid med en av de største aktørene i IT-bransjen. Dessverre satte den høye prisen på RDRAM-moduler og Intel-brikkesett en stopper for plattformens popularitet. Ledende produsenter av hovedkort brukte VIA brikkesett og brett med kontakter for vanlig SDRAM.
Rambus innså at det på dette stadiet mistet minnemarkedet, og begynte sitt lange spill med patenter. Det første hun kom over var en fersk JEDEC-utvikling - DDR SDRAM-minne. Rambus angrep henne og beskyldte skaperne for brudd på opphavsretten. I noen tid mottok selskapet kontantvederlag, men den neste rettssaken som involverte Infineon, Micron og Hynix satte alt på sin plass. Retten erkjente at den teknologiske utviklingen innen DDR SDRAM og SDRAM ikke tilhører Rambus.
Siden den gang har det totale antallet krav fra Rambus mot ledende RAM-produsenter overskredet alle tenkelige grenser. Og det ser ut til at denne livsstilen passer selskapet ganske bra.
