Senatnē - tas bija gandrīz pirms 80 gadiem, skaitļošanas tehnoloģijas rītausmā - skaitļošanas ierīču atmiņu parasti sadalīja trīs veidos. Primārā, sekundārā un ārējā. Tagad neviens nelieto šo terminoloģiju, kaut arī pati klasifikācija pastāv līdz šai dienai. Tikai primārā atmiņa tagad tiek saukta par operatīvo, sekundārā - iekšējā cietā diska, un ārējā ir maskēta kā visu veidu optiskie diski un zibatmiņas diski.
Pirms sākt ceļojumu pagātnē, sapratīsim iepriekšminēto klasifikāciju un sapratīsim, kas ir katram atmiņas veidam. Dators attēlo informāciju bitu secības veidā - bināros ciparus ar vērtībām 1 vai 0. Vispārpieņemtā universālā informācijas vienība ir baits, parasti sastāv no 8 bitiem. Visi datora izmantotie dati aizņem noteiktu skaitu baitu. Piemēram, tipisks mūzikas fails ir 40 miljoni bitu - 5 miljoni baitu (vai 4,8 megabaiti). Centrālais procesors nevar darboties bez elementāras atmiņas ierīces, jo viss tā darbs tiek samazināts līdz saņemšanai, apstrādei un ierakstīšanai atpakaļ atmiņā. Tāpēc leģendārais Džons fon Neimans (viņa vārdu vairāk nekā vienu reizi esam pieminējuši rakstu sērijās par lieldatoriem) nāca klajā ar neatkarīgu struktūru datora iekšienē,kur tiktu glabāti visi nepieciešamie dati.
Iekšējās atmiņas klasifikācija arī sadala datu nesējus pēc ātruma (un enerģijas) principa. Mūsdienās tiek izmantota ātra primārā (brīvpiekļuves) atmiņa, lai saglabātu kritisko informāciju, kurai CPU piekļūst visbiežāk. Tas ir operētājsistēmas kodola, darbojas programmu izpildāmie faili, aprēķinu starpposma rezultāti. Piekļuves laiks ir minimāls, tikai dažas nanosekundi.
Primārā atmiņa sazinās ar kontrolieri, kas atrodas procesora iekšpusē (jaunākajos CPU modeļos), vai arī kā atsevišķa mikroshēma mātesplatē (ziemeļu tilts). Operatīvās atmiņas cena ir salīdzinoši augsta, turklāt tā ir nepastāvīga: viņi izslēdza datoru vai nejauši izvilka strāvas vadu no kontaktligzdas - un visa informācija tika zaudēta. Tādēļ visi faili tiek glabāti sekundārajā atmiņā - cietā diska šķīvjos. Šeit informācija netiek izdzēsta pēc strāvas pārtraukuma, un cena par megabaitu ir ļoti zema. Vienīgais cieto disku trūkums ir zems reakcijas ātrums, tas tiek mērīts jau milisekundēs.
Starp citu, interesants fakts. Datoru attīstības rītausmā primārā atmiņa nebija atdalīta no sekundārās atmiņas. Galvenais apstrādes bloks bija ļoti lēns, un atmiņa nedeva vājās vietas efektu. Tiešsaistes un pastāvīgie dati tika glabāti tajos pašos komponentos. Vēlāk, kad datoru ātrums palielinājās, parādījās jauna veida datu nesēji.
Atpakaļ pagātnē
Viena no pirmo datoru galvenajām sastāvdaļām bija elektromagnētiskie slēdži, kurus 1835. gadā izstrādāja slavenais amerikāņu zinātnieks Džozefs Henrijs, kad neviens pat nesapņoja par datoriem. Vienkāršais mehānisms sastāvēja no stieples iesaiņota metāla serdeņa, pārvietojama dzelzs veidgabaliem un dažiem kontaktiem. Henrija attīstība bija pamats Samuela Morzes un Čārlza Vitstona elektriskā telegrāfa izmantošanai.
Reklāmas video:
Pirmais dators, kas balstīts uz slēdžiem, parādījās Vācijā 1939. gadā. Inženieris Konrāds Siss tos izmantoja, lai izveidotu Z2 ierīces sistēmas loģiku. Diemžēl automašīna ilgi nedzīvoja, un tās plāni un fotogrāfijas tika pazaudētas Otrā pasaules kara bombardēšanas laikā. Nākamā skaitļošanas ierīce Sius (ar nosaukumu Z3) tika izlaista 1941. gadā. Šis bija pirmais dators, kuru kontrolēja programma. Mašīnas galvenās funkcijas tika realizētas ar 2000 slēdžiem. Konrāds gatavojās pārcelt sistēmu uz modernākiem komponentiem, bet valdība slēdza finansējumu, uzskatot, ka Siusa idejām nav nākotnes. Tāpat kā tā priekšgājējs, Z3 tika iznīcināts sabiedroto bombardēšanas reidu laikā.
Elektromagnētiskie slēdži darbojās ļoti lēni, taču tehnoloģiju attīstība neapstājās. Otrs atmiņas veids agrīnām datorsistēmām bija kavēšanās līnijas. Informāciju pārvadāja ar elektriskiem impulsiem, kas tika pārveidoti par mehāniskiem viļņiem un ar mazu ātrumu tika pārvietoti caur dzīvsudrabu, pjezoelektrisku kristālu vai magnetoresisējošu spoli. Ir vilnis - 1, nav viļņa - 0. Simtiem un tūkstošiem impulsu varētu pārvietoties caur vadošo materiālu vienā laika vienībā. Ceļa beigās katrs vilnis tika pārveidots par elektrisku impulsu un nosūtīts uz sākumu - šeit ir vienkāršākais atjaunināšanas darbs.
Aizkavēšanās līniju izstrādāja amerikāņu inženieris Džons Prespers Ekerts. EDVAC dators, kas ieviests 1946. gadā, saturēja divus atmiņas blokus ar 64 kavējuma līnijām, kuru pamatā ir dzīvsudrabs (pēc mūsdienu standartiem - 5.5 KB). Tajā laikā darba bija vairāk nekā pietiekami. Sekundārā atmiņa bija arī EDVAC - aprēķinu rezultāti tika ierakstīti magnētiskajā lentē. Cita sistēma UNIVAC 1, kas tika izlaista 1951. gadā, izmantoja 100 blokus, kuru pamatā bija kavēšanās līnijas, un tam bija sarežģīts dizains ar daudziem fiziskiem elementiem datu glabāšanai.
Kavējošās līnijas atmiņa vairāk atgādina kosmosa kuģa hipertelpas motoru. Grūti iedomāties, taču šāds koloss varētu uzglabāt tikai dažus datu bitus!
Bobeka bērni
Divi diezgan nozīmīgi izgudrojumi datu nesēju jomā palika mūsu pētījumu aizkulisēs. Abus tos paveica talantīgais Bell Labs darbinieks Endrjū Bobeks. Pirmā izstrāde, tā saucamā twistor atmiņa, varētu būt lieliska alternatīva magnētiskajai kodolu atmiņai. Viņa lielākoties atkārtoja pēdējo, bet ferīta gredzenu vietā datu glabāšanai viņa izmantoja magnētisko lenti. Tehnoloģijai bija divas svarīgas priekšrocības. Pirmkārt, vijēja atmiņa vienlaikus varēja rakstīt un lasīt informāciju no vairākiem vijumiem. Turklāt automātisko ražošanu bija viegli iestatīt. Bell Labs cerēja, ka tas ievērojami samazinās twistor atmiņas cenu un ieņems daudzsološu tirgu.
Izstrādi finansēja ASV gaisa spēki, un atmiņai bija jākļūst par svarīgu Nike Sentinel raķešu funkcionālo šūnas. Diemžēl darbs pie šķērēm bija ilgs laiks, un priekšplānā izvirzījās atmiņa, kuras pamatā bija tranzistori. Tirgus sagrābšana nenotika.
“Neveiksme pirmajā reizē, tik laimīga otrajā,” domā Bell Labs. 70. gadu sākumā Endrjū Bobeks ieviesa nepastāvīgu burbuļu atmiņu. Tā pamatā bija plāna magnētiskā plēve, kas turēja mazus magnetizētus reģionus (burbuļus), kas glabāja binārās vērtības. Pēc kāda laika parādījās pirmā kompaktā šūna ar 4096 bitu ietilpību - ierīcei, kuras izmērs bija viens kvadrātcentimetrs, bija veselas sloksnes ietilpība ar magnētiskiem kodoliem.
Daudzi uzņēmumi kļuva ieinteresēti izgudrojumā, un 70. gadu vidū visi lielākie tirgus dalībnieki sāka attīstīt burbuļu atmiņu. Negaistošā struktūra burbuļus padarīja par ideālu aizstājēju gan primārajai, gan sekundārajai atmiņai. Bet pat šeit Bell Labs plāni nepiepildījās - lēti cietie diski un tranzistora atmiņa bloķēja burbuļu tehnoloģijas skābekli.
Vakuums ir mūsu viss
Līdz 40. gadu beigām datoru loģika pārcēlās uz vakuuma caurulēm (tās ir arī elektroniskas lampas vai termioniskās vārpstas). Kopā ar viņiem televīzija, skaņas reproducēšanas ierīces, analogie un digitālie datori ieguva jaunu impulsu attīstībā.
Vakuuma caurules tehnoloģijā ir saglabājušās līdz mūsdienām. Viņi ir īpaši mīlēti audiofilu vidū. Tiek uzskatīts, ka pastiprinošā ķēde, kuras pamatā ir vakuuma caurules, ir griezums virs mūsdienu analogiem skaņas kvalitātē.
Zem noslēpumainas frāzes "vakuuma caurule" ir diezgan vienkāršs struktūras elements. Tas atgādina parasto kvēlspuldzi. Kvēldiegs ir noslēgts telpā bez gaisa, un karsējot tas izstaro elektronus, kas nokrīt uz pozitīvi lādētas metāla plāksnes. Lampas iekšpusē zem sprieguma tiek ģenerēta elektronu plūsma. Vakuuma caurule var vai nu iziet, vai bloķēt (1. un 0. fāzi) strāvu, kas tam šķērso, darbojoties kā datoru elektroniska sastāvdaļa. Darbības laikā vakuuma caurules kļūst ļoti karstas, tām jābūt intensīvi atdzesētām. Bet tie ir daudz ātrāki nekā antediluvian slēdži.
Primārā atmiņa, kas balstīta uz šo tehnoloģiju, parādījās 1946.-1947. Gadā, kad izgudrotāji Fredijs Viljamss un Toms Kilburns iepazīstināja ar Viljamsa-Kilburna cauruli. Datu glabāšanas metode bija ļoti ģeniāla. Noteiktos apstākļos uz caurules parādījās gaismas punkts, kas nedaudz uzlādēja aizņemto virsmu. Apgabals ap punktu ieguva negatīvu lādiņu (to sauca par “enerģijas urbumu”). Jaunu punktu varētu ievietot "akā" vai atstāt bez uzraudzības - tad sākotnējais punkts ātri pazustu. Šīs pārvērtības atmiņas kontrolieris interpretēja kā bināras fāzes 1 un 0. Tehnoloģija bija ļoti populāra. Viljamsa-Kilburna caurules atmiņa tika uzstādīta Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 un Standarts Western Automatic Computer (SWAC) datoros.
Paralēli Amerikas Radio korporācijas inženieri zinātnieka Vladimira Zvorykin vadībā izstrādāja savu cauruli, ko sauca par selektronu. Pēc autoru idejas, selektronam vajadzēja saturēt līdz 4096 bitiem informācijas, kas ir četras reizes vairāk nekā Viljamsa-Kilburna caurule. Tika lēsts, ka līdz 1946. gada beigām tiks saražoti apmēram 200 selektronu, taču izrādījās, ka ražošana ir ļoti dārga.
Līdz 1948. gada pavasarim Amerikas Radio korporācija neizlaida nevienu selektronu, bet darbs pie šīs koncepcijas turpinājās. Inženieri pārveidoja cauruli, un tagad ir pieejama mazāka 256 bitu versija. Mini-selektroni bija ātrāki un uzticamāki nekā Viljamsa-Kilburna caurules, bet maksāja USD 500 gabalā. Un tas notiek masveida ražošanā! Selektoriem tomēr izdevās iekļūt skaitļošanas mašīnā - 1953. gadā RAND uzņēmums izlaida datoru ar smieklīgu vārdu JOHNNIAC (par godu Džonam fon Neumannam). Sistēmā tika instalēti samazināti 256 bitu selektroni, un kopējā atmiņa bija 32 baiti.
Kopā ar vakuuma caurulēm daži tā laika datori izmantoja bungu atmiņu, kuru 1939. gadā izgudroja Gustavs Tausceks. Vienkāršā konstrukcija ietvēra lielu metāla cilindru, kas pārklāts ar feromagnētisko sakausējumu. Lasīšanas galviņas, atšķirībā no mūsdienu cietajiem diskiem, nepārvietojās pa cilindra virsmu. Atmiņas kontrolieris gaidīja, kamēr informācija pati pāries zem galvām. Bungu atmiņa tika izmantota datorā Atanasov-Berry un dažās citās sistēmās. Diemžēl tā sniegums bija ļoti zems.
Selektron nebija paredzēts iekarot datoru tirgu - glīti izskatīti elektroniskie komponenti vēstures atkritumu tvertnē joprojām ir uzkrājuši putekļus. Un tas neskatoties uz izciliem tehniskajiem parametriem.
Mūsdienu tendences
Pašlaik primāro atmiņas tirgu pārvalda DDR standarts. Precīzāk, tā otrā paaudze. Pāreja uz DDR3 notiks ļoti drīz - atliek tikai gaidīt, kamēr parādīsies lēti mikroshēmojumi, kas atbalsta jauno standartu. Plaši izplatītā standartizācija padarīja atmiņas segmentu pārāk garlaicīgu, lai to aprakstītu. Ražotāji ir pārstājuši izgudrot jaunus, unikālus produktus. Viss darbs ir saistīts ar darba frekvences palielināšanu un sarežģītas dzesēšanas sistēmas uzstādīšanu.
Tehnoloģiskā stagnācija un kautrīgi evolūcijas soļi turpināsies, līdz ražotāji sasniegs silīcija iespēju robežu (no tā tiek izgatavotas integrētās shēmas). Galu galā darba biežumu nevar palielināt bezgalīgi.
Tomēr šeit ir viena nozveja. Esošo DDR2 mikroshēmu veiktspēja ir pietiekama lielākajai daļai datoru lietojumprogrammu (sarežģītas zinātniskās programmas neskaitās). Instalējot DDR3 moduļus, kas darbojas ar frekvenci 1066 MHz un augstāku, tas praktiski nepalielina ātrumu.
Zvaigžņu ceļš uz nākotni
Galvenais atmiņas un visu citu komponentu, kuru pamatā ir vakuuma caurules, trūkums bija siltuma veidošana. Caurules bija jāatdzesē ar radiatoriem, gaisu un pat ūdeni. Turklāt pastāvīga sildīšana ievērojami samazināja darbības laiku - caurules noārdījās dabiskākajā veidā. Kalpošanas beigās tie bija pastāvīgi jāregulē un galu galā jāmaina. Vai varat iedomāties, cik daudz pūļu un naudas tas maksā datorsistēmu apkalpošanai ?!
Dīvaina tekstūra fotoattēlā - tā ir magnētiska galvenā atmiņa. Šeit ir redzama viena no masīvu ar vadiem un ferīta gredzeniem struktūra. Vai varat iedomāties, cik daudz laika jums bija jāpavada, lai starp tiem atrastu nestrādājošu moduli?
Tad nāca laiks masīviem ar cieši izvietotiem ferīta gredzeniem - amerikāņu fiziķu An Wang un Wei-Dong Wu izgudrojumu, ko modificēja studenti Jay Forrester vadībā no Masačūsetsas Tehnoloģiju universitātes (MIT). Savienojošie vadi veica caur gredzenu centriem 45 grādu leņķī (četri katram gredzenam agrīnās sistēmās, divi progresīvākajās sistēmās). Zem sprieguma vadi magnetizēja ferīta gredzenus, no kuriem katrs varēja uzglabāt vienu datu bitu (magnetizēti - 1, demagnetizēti - 0).
Džejs Forresters izstrādāja sistēmu, kurā vairāku kodolu vadības signāli tika nosūtīti tikai dažu vadu garumā. 1951. gadā tika izlaista atmiņa, kuras pamatā ir magnētiskie serdeņi (mūsdienu brīvpiekļuves atmiņas tiešais analogs). Vēlāk tas ieņēma savu likumīgo vietu daudzos datoros, ieskaitot pirmās lieldatoru paaudzes no DEC un IBM. Salīdzinot ar tā priekšgājējiem, jaunajam atmiņas tipam praktiski nebija trūkumu. Tās uzticamība bija pietiekama, lai darbotos militāros un pat kosmosa kuģos. Pēc aviokompānijas "Challenger" avārijas, kuras laikā gāja bojā septiņi tās apkalpes locekļi, borta datora dati, kas atmiņā ierakstīti ar magnētiskiem kodoliem, palika neskarti un neskarti.
Tehnoloģija tika pakāpeniski uzlabota. Ferīta lodītes samazinājās pēc izmēra, palielinājās darba ātrums. Pirmie paraugi darbojās ar frekvenci aptuveni 1 MHz, piekļuves laiks bija 60 000 ns - 70. gadu vidū tas bija samazinājies līdz 600 ns.
Dārgais, man ir samazinājusies mūsu atmiņa
Nākamais solis uz priekšu datora atmiņas attīstībā nāca, kad tika izgudrotas integrētās shēmas un tranzistori. Nozare ir izvēlējusies komponentu miniatūrizācijas ceļu, vienlaikus palielinot to veiktspēju. 70. gadu sākumā pusvadītāju nozare apguva ļoti integrētu mikroshēmu ražošanu - desmitiem tūkstošu tranzistoru tagad ir ievietoti salīdzinoši nelielā platībā. Parādījās atmiņas mikroshēmas ar ietilpību 1 Kbit (1024 biti), mazas mikroshēmas kalkulatoriem un pat pirmie mikroprocesori. Ir notikusi īsta revolūcija.
Mūsdienās atmiņas ražotāji vairāk rūpējas par savu produktu izskatu - visi tie paši standarti un raksturlielumi ir iepriekš noteikti tādās komisijās kā JEDEC.
Dr Robert Dennard no IBM ir devis īpašu ieguldījumu primārās atmiņas attīstībā. Viņš izstrādāja pirmo mikroshēmu, kuras pamatā ir tranzistors un mazs kondensators. 1970. gadā tirgu stimulēja Intel (kas parādījās tikai divus gadus agrāk), ieviešot 1Kb i1103 atmiņas mikroshēmu. Divus gadus vēlāk šis produkts kļuva par pasaulē vislabāk pārdoto pusvadītāju atmiņas mikroshēmu.
Pirmās Apple Macintosh dienās RAM bloks aizņēma milzīgu joslu (fotoattēlā iepriekš), bet apjoms nepārsniedza 64 KB.
Ļoti integrētas mikroshēmas ātri nomainīja vecākus atmiņas veidus. Pārejot uz nākamo attīstības līmeni, lielgabarīta lieldatori ir devuši ceļu uz galddatoriem. Galvenā atmiņa tajā laikā beidzot tika atdalīta no otrreizējās, tā izpaudās kā atsevišķa mikroshēma ar ietilpību 64, 128, 256, 512 Kbit un pat 1 Mbit.
Visbeidzot, primārās atmiņas mikroshēmas tika pārvietotas no mātesplatēm uz atsevišķām sloksnēm, kas ievērojami atviegloja kļūdainu komponentu uzstādīšanu un nomaiņu. Sāka pieaugt frekvences, piekļuves laiki samazinājās. Pirmās sinhronās dinamiskās SDRAM mikroshēmas parādījās 1993. gadā, tās ieviesa Samsung. Jaunas mikroshēmas strādāja pie 100 MHz, piekļuves laiks bija 10 ns.
Kopš tā brīža sākās uzvarošais SDRAM gājiens, un līdz 2000. gadam šāda veida atmiņas bija iznīcinājušas visus konkurentus. JEDEC (Apvienotā elektronu ierīču inženierijas padome) komisija pārņēma standartu noteikšanu operatīvās atmiņas tirgū. Tās dalībnieki ir izstrādājuši specifikācijas, kas ir vienotas visiem ražotājiem, apstiprinātas frekvences un elektriskos parametrus.
Turpmākā evolūcija nav tik interesanta. Vienīgais nozīmīgais notikums notika 2000. gadā, kad tirgū parādījās DDR SDRAM standarta RAM. Tas divreiz nodrošināja parasto SDRAM joslas platumu un bija pamats izaugsmei nākotnē. DDR 2004. gadā sekoja DDR2 standarts, kas joprojām ir vispopulārākais.
Patentu trollis
Mūsdienu IT pasaulē frāze Patent Troll attiecas uz firmām, kas nopelna naudu no tiesas prāvām. Viņi to motivē ar to, ka citi uzņēmumi ir pārkāpuši viņu autortiesības. Uz šo definīciju pilnībā attiecas Rambus atmiņas izstrādātājs.
Kopš tās dibināšanas 1990. gadā Rambus ir licencējis savu tehnoloģiju trešajām personām. Piemēram, tā kontrolleri un atmiņas mikroshēmas ir atrodami Nintendo 64 un PlayStation 2. Rambus precīzākā stunda nāca 1996. gadā, kad Intel noslēdza līgumu ar Intel par RDRAM un RIMM laika nišu izmantošanu savos izstrādājumos.
Sākumā viss gāja pēc plāna. Intel savā rīcībā nonāca uzlabotas tehnoloģijas, un Rambus bija apmierināts ar partnerību ar vienu no lielākajiem IT nozares dalībniekiem. Diemžēl RDRAM moduļu un Intel mikroshēmojumu augstā cena izbeidz platformas popularitāti. Vadošie mātesplates ražotāji regulāri SDRAM izmantoja VIA mikroshēmojumus un dēļus ar savienotājiem.
Rambus saprata, ka šajā posmā tas zaudēja atmiņas tirgu, un sāka savu garo spēli ar patentiem. Pirmais, ar ko viņa saskārās, bija svaiga JEDEC attīstība - DDR SDRAM atmiņa. Rambuss viņai uzbruka, apsūdzot veidotājus autortiesību pārkāpumos. Kādu laiku uzņēmums saņēma autoratlīdzību naudā, bet nākamā tiesvedība, kurā piedalījās Infineon, Micron un Hynix, visu nolika savās vietās. Tiesa atzina, ka tehnoloģiju attīstība DDR SDRAM un SDRAM jomā nepieder Rambus.
Kopš tā laika kopējais Rambus prasību skaits pret vadošajiem operatīvo atmiņu ražotājiem ir pārsniedzis visas iedomājamās robežas. Un šķiet, ka šāds dzīvesveids uzņēmumam ir diezgan piemērots.