V staroveku - takmer pred 80 rokmi, na úsvite výpočtovej techniky - sa pamäť výpočtových zariadení zvyčajne delila na tri typy. Primárne, sekundárne a externé. Túto terminológiu nikto nepoužíva, hoci klasifikácia samotná existuje dodnes. Iba primárna pamäť sa teraz nazýva operačné, sekundárne - interné pevné disky a externá sa maskuje ako všetky druhy optických diskov a flash diskov.
Predtým, ako začnete cestu do minulosti, pochopte vyššie uvedenú klasifikáciu a pochopte, pre čo je každý typ pamäte. Počítač predstavuje informáciu vo forme postupnosti bitov - binárnych číslic s hodnotami 1 alebo 0. Všeobecne akceptovanou univerzálnou informačnou jednotkou je bajt, zvyčajne pozostávajúci z 8 bitov. Všetky údaje používané počítačom zaberajú určitý počet bajtov. Napríklad typický hudobný súbor má 40 miliónov bitov - 5 miliónov bajtov (alebo 4,8 megabajtov). Centrálny procesor nemôže fungovať bez základného pamäťového zariadenia, pretože všetka jeho práca je obmedzená na príjem, spracovanie a zápis späť do pamäte. Preto legendárny John von Neumann (viac ako raz sme sa zmienili o jeho mene v sérii článkov o mainframe) prišiel s nezávislou štruktúrou vnútri počítača,kde by sa uložili všetky potrebné údaje.
Klasifikácia vnútornej pamäte tiež delí médiá podľa princípu rýchlosti (a energie). Rýchla primárna pamäť (s náhodným prístupom) sa dnes používa na ukladanie kritických informácií, ku ktorým má procesor najčastejšie prístup. Toto je jadro operačného systému, spustiteľné súbory spustených programov, priebežné výsledky výpočtov. Čas prístupu je minimálny, len pár nanosekúnd.
Primárna pamäť komunikuje s radičom umiestneným vo vnútri procesora (v najnovších modeloch CPU) alebo ako samostatný čip na základnej doske (severný most). Cena pamäte RAM je pomerne vysoká, okrem toho je volatilná: vypli počítač alebo náhodne vytiahli napájací kábel zo zásuvky - a všetky informácie sa stratili. Preto sú všetky súbory uložené v sekundárnej pamäti - na doskách s pevným diskom. Informácie tu nie sú vymazané po výpadku prúdu a cena za megabajt je veľmi nízka. Jedinou nevýhodou pevných diskov je nízka reakčná rýchlosť, ktorá sa meria už v milisekundách.
Mimochodom, zaujímavý fakt. Na začiatku vývoja počítačov nebola primárna pamäť oddelená od sekundárnej pamäte. Hlavná procesorová jednotka bola veľmi pomalá a pamäť nepriniesla prekážku. Online a trvalé údaje boli uložené v rovnakých komponentoch. Neskôr, keď sa zvýšila rýchlosť počítačov, sa objavili nové typy pamäťových médií.
Späť do minulosti
Jednou z hlavných súčastí prvých počítačov boli elektromagnetické spínače, ktoré vyvinul slávny americký vedec Joseph Henry v roku 1835, keď o žiadnom počítači ani nesnil. Jednoduchý mechanizmus pozostával z kovového jadra obaleného drôtom, pohyblivých železných tvaroviek a niekoľkých kontaktov. Henryho vývoj bol základom pre elektrický telegraf Samuela Morseho a Charlesa Whitstona.
Propagačné video:
Prvý počítač založený na prepínačoch sa objavil v Nemecku v roku 1939. Inžinier Konrad Süs ich použil na vytvorenie systémovej logiky zariadenia Z2. Bohužiaľ, auto nežilo dlho a jeho plány a fotografie sa stratili počas bombardovania druhej svetovej vojny. Ďalšie počítačové zariadenie Sius (pod názvom Z3) bolo uvedené na trh v roku 1941. Bol to prvý počítač riadený programom. Hlavné funkcie stroja boli realizované s 2000 prepínačmi. Konrad sa chystal preniesť systém na modernejšie komponenty, ale vláda uzavrela financovanie, veriac, že Siusove nápady nemajú budúcnosť. Rovnako ako jeho predchodca, Z3 bol zničený počas spojeneckých bombových útokov.
Elektromagnetické spínače pracovali veľmi pomaly, ale vývoj technológie nestál. Druhým typom pamäte pre skoré počítačové systémy boli oneskorovacie linky. Informácie boli prenášané elektrickými impulzmi, ktoré boli prevedené na mechanické vlny a pri nízkej rýchlosti sa pohybovali cez ortuť, piezoelektrický kryštál alebo magnetorezistívnu cievku. Existuje vlna - 1, nie je žiadna vlna - 0. Stovky a tisíce impulzov by mohli prejsť vodivým materiálom za jednotku času. Na konci svojej cesty bola každá vlna transformovaná späť na elektrický impulz a odoslaná na začiatok - tu je pre vás najjednoduchšia aktualizácia.
Čas oneskorenia bol vyvinutý americkým inžinierom Johnom Presperom Eckertom. Počítač EDVAC, predstavený v roku 1946, obsahoval dva pamäťové bloky so 64 oneskorovacími linkami založenými na ortuti (5,5 KB podľa moderných štandardov). V tom čase to bolo viac ako dosť na prácu. V EDVAC bola prítomná aj sekundárna pamäť - výsledky výpočtov boli zaznamenané na magnetickú pásku. Iný systém, UNIVAC 1, ktorý bol uvedený na trh v roku 1951, používal 100 blokov na základe oneskorovacích vedení a mal zložitý dizajn s mnohými fyzickými prvkami na ukladanie údajov.
Pamäť oneskoreného riadku je skôr ako vesmírny motor vesmírnej lode. Je ťažké si to predstaviť, ale taký kolos mohol uložiť iba pár bitov údajov!
Bobkove deti
V zákulisí nášho výskumu zostali dva pomerne významné vynálezy v oblasti dátových nosičov. Obe boli vykonané talentovaným Bell Labs zamestnancom Andrew Bobek. Prvý vývoj, tzv. Twistorová pamäť, by mohol byť vynikajúcou alternatívou k pamäti s magnetickým jadrom. Z veľkej časti to zopakovala, ale namiesto feritových krúžkov na uchovávanie údajov použila magnetickú pásku. Táto technológia mala dve dôležité výhody. Po prvé, twistorová pamäť mohla súčasne zapisovať a čítať informácie z množstva krútiacich momentov. Navyše bolo ľahké nastaviť automatickú výrobu. Bell Labs dúfal, že by to výrazne znížilo cenu twistorovej pamäte a obsadilo sľubný trh.
Vývoj bol financovaný americkým letectvom a pamäť sa mala stať dôležitou funkčnou bunkou rakiet Nike Sentinel. Nanešťastie, práca na twistoroch trvala dlho a do popredia sa dostala pamäť založená na tranzistoroch. K zachyteniu trhu nedošlo.
"Veľa šťastia prvýkrát, tak šťastie druhýkrát," pomyslel si Bell Labs. Začiatkom 70. rokov Andrew Bobek predstavil energeticky nezávislú bublinovú pamäť. Bol založený na tenkom magnetickom filme, ktorý držal malé magnetizované oblasti (bubliny), ktoré uchovávali binárne hodnoty. Po nejakej dobe sa objavila prvá kompaktná bunka s kapacitou 4096 bitov - zariadenie merajúce jeden centimeter štvorcový malo kapacitu celého prúžku s magnetickými jadrami.
Mnoho vynálezov sa začalo zaujímať o vynález a v polovici 70. rokov sa všetci hlavní hráči na trhu začali zaoberať vývojom v oblasti bublinovej pamäte. Vďaka neprchavej štruktúre sa bubliny stali ideálnou náhradou primárnej aj sekundárnej pamäte. Ale ani tu sa plány spoločnosti Bell Labs nenaplnili - lacné pevné disky a tranzistorová pamäť blokovali kyslíkovú technológiu bubliniek.
Vákuum je naše všetko
Na konci 40. rokov sa logika počítačov presunula do vákuových trubíc (sú to tiež elektronické trubice alebo termionické hriadele). Televízia, zariadenia na reprodukciu zvuku, analógové a digitálne počítače spolu s nimi dostali nový impulz vo vývoji.
Vákuové trubice prežili v technológii dodnes. Obzvlášť sú milovaní medzi audiofilmi. Predpokladá sa, že zosilňovací obvod založený na vákuových trubiciach je rezom nad kvalitou moderných analógov.
Pod záhadnou frázou je „vákuová trubica“pomerne jednoduchý prvok v štruktúre. Pripomína to obyčajnú žiarovku. Vlákno je uzavreté v bezvzduchovom priestore, keď je zahrievané, emituje elektróny, ktoré dopadajú na kladne nabitú kovovú platňu. Vo vnútri lampy sa generuje prúd elektrónov pod napätím. Vákuová trubica môže prechádzať alebo blokovať (fázy 1 a 0) prúd, ktorý ňou prechádza, pôsobiť ako elektronická súčasť počítačov. Počas prevádzky sú vákuové trubice veľmi horúce, musia byť intenzívne ochladené. Sú však omnoho rýchlejšie ako predpínače.
Primárna pamäť založená na tejto technológii sa objavila v rokoch 1946-1947, keď vynálezcovia Freddie Williams a Tom Kilburn predstavili potrubie Williams-Kilburn. Metóda ukladania údajov bola veľmi dômyselná. Za určitých podmienok sa na trubici objavil bod svetla, ktorý mierne nabil obsadenú plochu. Oblasť okolo bodu získala záporný náboj (nazýva sa to „energetická studňa“). Nový bod by mohol byť umiestnený do „studne“alebo ponechaný bez dozoru - pôvodný bod by rýchlo zmizol. Tieto transformácie boli interpretované pamäťovým radičom ako binárne fázy 1 a 0. Táto technológia bola veľmi populárna. Pamäťová trubica Williams-Kilburn bola nainštalovaná v počítačoch Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 a Standard Western Computer Computer (SWAC).
Inžinieri z Rádia Corporation of America pod vedením vedca Vladimíra Zvorykina zároveň vyvíjali vlastnú skúmavku nazývanú selektrón. Podľa myšlienky autorov mal selektrón obsahovať až 4096 bitov informácií, čo je štyrikrát viac ako Williams-Kilburnova trubica. Odhadovalo sa, že do konca roku 1946 by sa vyrobilo asi 200 selektónov, ale výroba sa ukázala ako veľmi drahá.
Až do jari 1948, Radio Corporation of America nevydala jediný selektor, ale práca na koncepte pokračovala. Inžinieri prepracovali skúmavku a teraz je k dispozícii menšia 256-bitová verzia. Mini-selektróny boli rýchlejšie a spoľahlivejšie ako trubice Williams-Kilburn, ale stála 500 dolárov za kus. A to je v hromadnej výrobe! Selektorom sa však podarilo dostať do výpočtového stroja - v roku 1953 spoločnosť RAND vydala počítač pod zábavným menom JOHNNIAC (na počesť Johna von Neumanna). Do systému bolo nainštalovaných redukovaných 256-bitových selektorov a celková pamäť bola 32 bajtov.
Spolu s vákuovými trubicami používali niektoré počítače časovej pamäte bubnovú pamäť, ktorú vymyslel Gustav Tauscek v roku 1939. Jednoduchý dizajn zahŕňal veľký kovový valec potiahnutý feromagnetickou zliatinou. Čítacie hlavy sa na rozdiel od moderných pevných diskov nepohybovali po povrchu valca. Pamäťový ovládač čakal, až táto informácia sama prebehla pod hlavami. Bubnová pamäť bola použitá v počítači Atanasov-Berry a niektorých ďalších systémoch. Jeho výkon bol, žiaľ, veľmi nízky.
Selektron nebol predurčený dobyť počítačový trh - úhľadne vyzerajúce elektronické komponenty stále zhromažďujú prach v koši histórie. A to aj napriek vynikajúcim technickým vlastnostiam.
Moderné tendencie
V súčasnosti je trh primárnej pamäte riadený štandardom DDR. Presnejšie povedané, jeho druhá generácia. Prechod na DDR3 sa uskutoční veľmi skoro - zostáva čakať na objavenie lacných čipových sád podporujúcich nový štandard. Rozšírená štandardizácia spôsobila, že segment pamäte bol príliš nudný na opis. Výrobcovia prestali vymýšľať nové, jedinečné výrobky. Všetky práce sa týkajú zvyšovania prevádzkovej frekvencie a inštalácie sofistikovaného chladiaceho systému.
Technologická stagnácia a plaché vývojové kroky budú pokračovať, kým výrobcovia nedosiahnu hranice schopností kremíka (z ktorého sa vyrábajú integrované obvody). Frekvenciu práce však nemožno donekonečna zvyšovať.
Je tu však jeden úlovok. Výkon existujúcich čipov DDR2 je dostatočný pre väčšinu počítačových aplikácií (zložité vedecké programy sa nepočítajú). Inštalácia modulov DDR3 pracujúcich na 1066 MHz a vyšších nevedie k hmatateľnému zvýšeniu rýchlosti.
Star Trek do budúcnosti
Hlavnou nevýhodou pamäte a všetkých ostatných komponentov založených na vákuových trubiciach bola výroba tepla. Potrubia museli byť chladené radiátormi, vzduchom a dokonca vodou. Okrem toho konštantné zahrievanie významne znížilo prevádzkovú dobu - rúrky sa degradovali najprirodzenejším spôsobom. Na konci svojho života museli byť neustále vyladení a nakoniec zmenení. Viete si predstaviť, koľko úsilia a peňazí to stojí na údržbu počítačových systémov?!
Podivná textúra na fotografii - je to pamäť s magnetickým jadrom. Tu je vizuálna štruktúra jedného z polí s drôtmi a feritovými krúžkami. Viete si predstaviť, koľko času ste museli stráviť, aby ste medzi nimi našli nefunkčný modul?
Potom prišiel čas matíc s tesne rozmiestnenými feritovými prstencami - vynález amerických fyzikov An Wang a Wei-Dong Wu, modifikovaný študentmi pod vedením Jaya Forrestera z Massachusetts Institute of Technology (MIT). Spojovacie drôty prešli cez stredy krúžkov pod uhlom 45 stupňov (štyri pre každý prsteň v skorých systémoch, dva vo vyspelejších systémoch). Vodiče pod napätím magnetizovali feritové krúžky, z ktorých každý mohol uchovávať jeden bit údajov (magnetizovaný - 1, demagnetizovaný - 0).
Jay Forrester vyvinul systém, v ktorom sa riadiace signály pre viac jadier posielali cez niekoľko vodičov. V roku 1951 bola uvoľnená pamäť založená na magnetických jadrách (priamy analóg modernej pamäte s priamym prístupom). Neskôr zaujal svoje právoplatné miesto v mnohých počítačoch vrátane prvých generácií sálových počítačov od DEC a IBM. V porovnaní so svojimi predchodcami nemal nový typ pamäte prakticky žiadne nevýhody. Jeho spoľahlivosť bola dostatočná na fungovanie vo vojenských a dokonca aj kozmických lodiach. Po havárii raketoplánu Challenger, ktorá viedla k úmrtiu siedmich členov posádky, zostali údaje palubného počítača zaznamenané v pamäti s magnetickými jadrami neporušené a neporušené.
Táto technológia sa postupne zlepšovala. Feritové guľôčky sa zmenšili, rýchlosť práce sa zvýšila. Prvé vzorky pracovali na frekvencii asi 1 MHz, čas prístupu bol 60 000 ns - do polovice 70. rokov klesol na 600 ns.
Miláčik, znížil som našu pamäť
Ďalší skok vpred v rozvoji počítačovej pamäte nastal, keď boli vynájdené integrované obvody a tranzistory. Priemysel sa vydal na cestu miniaturizácie komponentov a zároveň zvýšil ich výkon. Začiatkom sedemdesiatych rokov polovodičový priemysel zvládol výrobu vysoko integrovaných mikroobvodov - desiatky tisíc tranzistorov sa teraz zmestili do relatívne malej oblasti. Objavili sa pamäťové čipy s kapacitou 1 Kbit (1024 bitov), malé čipy pre kalkulačky a dokonca aj prvé mikroprocesory. Stala sa skutočná revolúcia.
Výrobcovia pamäte sa v dnešnej dobe viac zaujímajú o vzhľad svojich produktov - v komisiách ako JEDEC sú vopred stanovené všetky rovnaké normy a charakteristiky.
Robert Dennard z IBM špeciálne prispel k rozvoju primárnej pamäte. Vyvinul prvý čip založený na tranzistore a malom kondenzátore. V roku 1970 bol trh podporovaný spoločnosťou Intel (ktorá sa objavila len pred dvoma rokmi) zavedením 1Kb pamäťového čipu i1103. O dva roky neskôr sa tento produkt stal najpredávanejším polovodičovým pamäťovým čipom na svete.
V dňoch prvého Apple Macintosh, blok RAM zaberal obrovský pruh (na fotografii vyššie), zatiaľ čo objem neprekročil 64 KB.
Vysoko integrované mikroobvody rýchlo nahradili staršie typy pamäte. S prechodom na ďalšiu úroveň vývoja ustáli objemné sálové počítače stolným počítačom. Hlavná pamäť v tom čase bola nakoniec oddelená od sekundárnej, mala formu samostatných mikročipov s kapacitou 64, 128, 256, 512 Kbit a dokonca 1 Mbit.
Nakoniec boli primárne pamäťové čipy presunuté zo základných dosiek na samostatné pásy, čo značne uľahčilo inštaláciu a výmenu chybných komponentov. Frekvencie sa začali zvyšovať, časy prístupu sa znížili. Prvé synchronné dynamické čipy SDRAM sa objavili v roku 1993 a boli predstavené spoločnosťou Samsung. Nové mikroobvody pracovali pri 100 MHz, prístupový čas bol 10 ns.
Od tejto chvíle začal víťazný pochod SDRAM a do roku 2000 tento typ pamäte vylúčil všetkých konkurentov. Komisia JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) prebrala definíciu štandardov na trhu RAM. Jeho účastníci vytvorili špecifikácie, ktoré sú jednotné pre všetkých výrobcov, schválené frekvenčné a elektrické charakteristiky.
Ďalší vývoj nie je taký zaujímavý. Jediná významná udalosť sa konala v roku 2000, keď sa na trhu objavila štandardná RAM DDR SDRAM. Poskytla dvojnásobnú šírku pásma oproti konvenčným SDRAM a pripravila pôdu pre budúci rast. Po DDR nasledoval v roku 2004 štandard DDR2, ktorý je stále najobľúbenejší.
Patentový trol
V modernom svete IT sa veta Patent Troll týka firiem, ktoré zarábajú peniaze na súdnych sporoch. Motivujú to tým, že iné spoločnosti porušili svoje autorské práva. Vývojár pamäte Rambus úplne spadá pod túto definíciu.
Od svojho založenia v roku 1990 spoločnosť Rambus licencuje svoju technológiu tretím stranám. Napríklad jeho radiče a pamäťové čipy nájdete v Nintendo 64 a PlayStation 2. Najlepšia hodina spoločnosti Rambus prišla v roku 1996, keď spoločnosť Intel uzavrela dohodu s spoločnosťou Intel o používaní slotov RDRAM a RIMM vo svojich produktoch.
Najprv všetko šlo podľa plánu. Intel dostal k dispozícii vyspelé technológie a Rambus bol spokojný s partnerstvom s jedným z najväčších hráčov v IT priemysle. Bohužiaľ, vysoká cena modulov RDRAM a čipových súprav Intel ukončila popularitu platformy. Poprední výrobcovia základných dosiek používali čipové sady VIA a dosky s konektormi pre bežné SDRAM.
Rambus si uvedomil, že v tejto fáze stratil pamäťový trh a začal svoju dlhú hru s patentmi. Prvá vec, na ktorú narazila, bol nový vývoj JEDEC - pamäť DDR SDRAM. Rambus na ňu zaútočil a obvinil tvorcov z porušenia autorských práv. Spoločnosť istý čas dostávala autorské honoráre, ale ďalšie súdne spory týkajúce sa spoločností Infineon, Micron a Hynix dali všetko na svoje miesto. Súd uznal, že technologický vývoj v oblasti DDR SDRAM a SDRAM nepatrí spoločnosti Rambus.
Od tej doby celkový počet nárokov spoločnosti Rambus voči popredným výrobcom RAM prekročil všetky predstaviteľné limity. A zdá sa, že tento spôsob života vyhovuje spoločnosti celkom dobre.