Эволюция памяти – от каменной до электронной
Тема хранения информации была актуальна во все времена — начиная с рассвета человеческой цивилизации и по сей день. Свой авторский взгляд на историю средств хранения предлагает Джереми Кук, публикующий свои статьи на сайте EETimes.
В продолжение темы об эволюции цифровой памяти я подготовил что-то вроде слайд-шоу, иллюстрирующего этот прогресс. Полный обзор истории памяти – занятие слишком утомительное, поэтому я выбрал список того, что считаю в ней основным. Приглашаю всех высказывать свое мнение о подборке в комментариях.
Письменность
Источник: Университет Чикаго
Еще не электронная и даже не механическая, письменность сама по себе была невероятным открытием. Она позволила не только общаться людям, находящимся в разных местах, но и передавать знания из поколения в поколение. Согласно исследованиям университета Чикаго, письменность появилась около 3500 до н.э. и это событие стало «началом информационной революции». По-моему, лучше и не скажешь.
Перфокарты
Иллюстрация в журнале Scientific American от 30 августа 1890 г. Источник: Wikipedia
Перфокарты громко заявили о себе при переписи населения США 1890 года; машина, изобретенная Германом Холлеритом, обработала ее результаты в течение года – людям понадобилось бы на это в 10 раз больше времени. Идею для устройства подсказали кондукторы в поездах, компостировавшие билеты пассажиров; большое влияние оказали также машины французского ткача Жозефа-Мари Жаккарда, использовавшие перфоленту для управления ткацким процессом.
Триггер
Схема триггера из патента Екклеса и Джордана, 1918 г. Источник: Wikipedia
Триггер, изобретенный в 1918 году, дает нам подсказку, как работает современная компьютерная память. Эти старомодные громоздкие устройства, способные сохранять и изменять свое состояние, зависящее от внешнего электрического сигнала, принципиально не так далеки от того, как компьютеры работают сейчас.
MT4C1024 — интегрированный DRAM модуль производства Micron Technology. Источник: Wikipedia
DRAM (Dynamic random access memory, Динамическая память с произвольным доступом), изобретенная в 1966 году (не путать с древней монетой!), использовала конденсаторы для хранения информации. Заряженный конденсатор представлял собой единицу, разряженный – ноль. Упоминавшийся в названии термин «динамический» означал не функциональную особенность, а свойство конденсаторов со временем терять свой заряд, что вызывало необходимость в перезарядке.
SDRAM
Source: Royan/Wikipedia commons
SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory, Синхронная динамическая память с произвольным доступом) имела ограниченное применение еще в 70-х, однако заявила о себе широко только в 1993. Ранее RAM изменяла свое состояние так быстро, как было возможно, чтобы принять данные, синхронная же DRAM использовала тактовый генератор компьютера для настройки процесса хранения. Это позволило разделить данные на отдельные банки для синхронного исполнения нескольких операций с памятью одновременно.
EPROM
Первый EPROM Intel, 1971 г. Источник: Wikipedia
Дов Фроман разработал стираемую программируемую память только для чтения (EPROM, Erasable Programmable Read Only Memory) в 1971 году в Intel. Она энергонезависима, то есть содержимое памяти не уничтожается при потере питания. Эти чипы программируются с помощью электрического тока, информация стирается путем облучения ультрафиолетовым светом.
Дисковод
Источник: Michael Holley/Wikipedia
Побывавший в 1975 году на обложке журнала Popular Electronics, Altair 8800 стал первым компьютером для тысяч новоявленных компьютерных гиков. Хотя об этом компьютере можно рассказать много любопытного, в данной статье нас более всего интересует его 8-дюймовый дисковод, изображенный на фото. Согласно rwebs.net, диск мог хранить 300,000 байт. Сейчас нам странно видеть размер памяти без добавления приставки мега- или гига-, однако в то время это был приличный объем. Любопытно, что вы могли также приобрести и кассетный интерфейс, если дисковод не пришелся вам по душе.
EEPROM
Источник: Amit Bhawani
Электрически стираемая программируемая память только для чтения (EPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) появилась в 1978 году. Ее преимуществом по сравнению с EPROM стала возможность программирования и стирания данных во время использования. Имелось и одно существенное ограничение – в количестве циклов перепрограммирования. Однако в современных чипах количество циклов чтения-записи было значительно увеличено.
Жесткий диск
Источник: Ian Wilson/Wikipedia
Seagate произвел свой первый 5-дюймовый жесткий диск в 1980 году. С этого времени компоненты памяти начинают напоминать те, которые мы имеем сейчас, однако есть и нюансы. Скажем, в том же году IBM выпустила первый винчестер емкостью 1 Гб – он весил 550 кг.
Аудио CD
Брошюра к проигрывателю Sony CDP-101. Источник: TechHive.com
Продажи аудио CD начались в 1982. Первоначально они не предназначались для компьютеров, однако представляли собой средство хранения цифровой информации, и к 1985 году появились первые приводы CD-ROM. CD опережали свое время – лишь в начале 90-х компьютеры догнали их по объемам хранимой мультимедийной информации.
Несмотря на возраст, CD до сих пор, пусть и не так широко, используются для распространения данных. 30 лет – это огромный срок для всего цифрового.
Флеш память
Чип слева — флеш память, справа — контроллер. Источник: Wikimedia Commons
Флеш память была изобретена в 80-х и представлена публике в 1988. Технически представляя собой разновидность EEPROM, флеш память существенно превосходит предшественников по скорости. Были разработаны две разновидности, основанные на логических вентилях NAND и NOR соответственно. Технология эксплуатируется по сегодняшний день, одним из наиболее ее распространенных примеров являются карты памяти Compact Flash.
DDR SDRAM
Память Corsair DDR-400 с радиаторами. Источник: Martyn M aka Martyx/Wikipedia
Торговая ассоциация JDEC сертифицировала DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory, Синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных) в 2000 году. Как следует из названия, при определенных условиях этот тип памяти может обеспечить двойную скорость данных по сравнению с обычной SDRAM.
Вслед за DDR SDRAM последовала DDR2, представленная в 2003 и обеспечивавшая еще примерно двукратный прирост. Затем DDR3 удвоила его еще раз в 2007. Если кого-то не удовлетворяет 8-кратное увеличение, DDR4 уже не за горами; помимо удвоения скорости, она имеет более низкое рабочее напряжение.
Источник: Toshiba
JDEC опубликовала стандарт UFS (Universal Flash Storage, Универсальный флеш-накопитель) в 2012 году и обновила его в сентябре 2013. В дополнение в функциям энергосбережения, эти чипы обеспечат дуплексную пропускную способность данных 300 Мбит/с. Будет интересно посмотреть, как этот тип памяти будет развиваться в будущем.
Трехмерная память
Источник: Micron/TechWeekEurope.co.uk
Помимо DDR4 и UFS, еще один памяти у нас на горизонте – трехмерная память. Исчерпав возможности плоских чипов, мы пытаемся выжать максимум из третьего измерения. Эта перспективная технология описана в посте Janine Love.
1 ТБ USB-носитель
Источник: HardwareZone
Как я уже отмечал ранее, Kingston в 2013 году выпустил терабайтный USB-носитель. До сих пор поражаюсь плотности данных в этом устройстве размером в несколько сантиметров.
Удивительно, как далеко зашел прогресс в области памяти. Неужели и в дальнейшем мы будем наблюдать столь гигантские прорывы?
Вспомнить все. Эволюция компьютерной памяти
Электромагнитные реле стояли в самых первых компьютерах, а их жизнь на рынке автоматизированных вычислений была недолгой. Однако видоизмененные катушки используют в технике и по сей день.
В стародревние времена — дело было почти 80 лет назад, на заре становления вычислительной техники — память вычислительных устройств было принято делить на три типа. На первичную, вторичную и внешнюю. Сейчас этой терминологией уже никто не пользуется, хотя сама классификация существует и по сей день. Только первичную память теперь называют оперативной, вторичную — внутренними жесткими дисками, ну а внешняя маскируется под всевозможные оптические диски и флэш-накопители.
Прежде чем начать путешествие в прошлое, давайте разберемся в обозначенной выше классификации и поймем, для чего нужен каждый из типов памяти. Компьютер представляет информацию в виде последовательности бит — двоичных цифр со значениями 1 или 0. Общепринятой универсальной единицей информации считают байт, как правило, состоящий из 8 бит. Все используемые компьютером данные занимают некоторое количество байт. К примеру, типичный музыкальный файл занимает 40 миллионов бит — 5 миллионов байт (или 4,8 мегабайта). Центральный процессор не сможет функционировать без элементарного запоминающего устройства, ведь вся его работа сводится к получению, обработке и записи обратно в память. Именно поэтому легендарный Джон фон Нейман (мы не раз упоминали его имя в цикле статей про мейнфреймы) придумал размещать внутри компьютера независимую структуру, где хранились бы все необходимые данные.
Классификация внутренней памяти разделяет носители еще и по скоростному (и энергетическому) принципу. Быстрая первичная (оперативная) память в наше время используется для хранения критичной информации, к которой ЦП обращается наиболее часто. Это ядро операционной системы, исполняемые файлы запущенных программ, промежуточные результаты вычислений. Время доступа — минимально, всего несколько наносекунд.
Первичная память общается с контроллером, размещенным либо внутри процессора (у последних моделей ЦП), либо в виде отдельной микросхемы на материнской плате (северный мост). Цена на оперативку относительно высока, к тому же она энергозависима: выключили компьютер или случайно выдернули шнур из розетки — и вся информация потерялась. Поэтому все файлы хранятся во вторичной памяти — на пластинах жестких дисков. Информация здесь не стирается после отключения питания, а цена за мегабайт очень низкая. Единственный недостаток винчестеров — низкая скорость реакции, она измеряется уже в миллисекундах.
Кстати, интересный факт. На заре развития компьютеров первичную память не отделяли от вторичной. Главный вычислительный блок был очень медленным, и память не давала эффекта бутылочного горлышка. Оперативные и постоянные данные хранились в одних и тех же компонентах. Позже, когда скорость компьютеров подросла, появились новые типы носителей информации.
Назад в прошлое
Компьютер Bendix G15 с барабанной памятью. Оператор в костюме прилагается.
Одним из основных компонентов первых компьютеров были электромагнитные переключатели, разработанные известным американским ученым Джозефом Хенри еще в 1835 году, когда ни о каких компьютерах никто даже не помышлял. Простой механизм состоял из обмотанного проводом металлического сердечника, подвижной железной арматуры и нескольких контактов. Разработка Хенри легла в основу электрического телеграфа Сэмюеля Морзе и Чарльза Витстоуна.
Первый компьютер, построенный на переключателях, появился в Германии в 1939 году. Инженер Конрад Зюс использовал их при создании системной логики устройства Z2. К сожалению, прожила машина недолго, а ее планы и фотографии были утеряны во время бомбардировок Второй мировой войны. Следующее вычислительное устройство Зюса (под именем Z3) увидело свет в 1941 году. Это был первый компьютер, управляемый программой. Основные функции машины реализовывались при помощи 2000 переключателей. Конрад собирался перевести систему на более современные компоненты, но правительство прикрыло финансирование, посчитав, что идеи Зюса не имеют будущего. Как и ее предшественница, Z3 была уничтожена во время бомбардировок союзников.
Электромагнитные переключатели работали очень медленно, но развитие технологий не стояло на месте. Вторым типом памяти для ранних компьютерных систем стали линии задержки. Информацию несли электрические импульсы, которые преобразовывались в механические волны и на низкой скорости перемещались через ртуть, пьезоэлектронный кристалл или магниторезистивную катушку. Есть волна — 1, нет волны — 0. В единицу времени по проводящему материалу могли путешествовать сотни и тысячи импульсов. По завершении своего пути каждая волна трансформировалась обратно в электрический импульс и отсылалась в начало — вот вам и простейшая операция обновления.
Линии задержки разработал американский инженер Джон Преспер Экерт. Компьютер EDVAC, представленный в 1946 году, содержал два блока памяти по 64 линии задержки на основе ртути (5,5 Кб по современным меркам). На тот момент этого было более чем достаточно для работы. Вторичная память также присутствовала в EDVAC — результаты вычислений записывались на магнитную пленку. Другая система, UNIVAC 1, увидевшая свет в 1951 году, использовала 100 блоков на основе линий задержки, а для сохранения данных у нее была сложная конструкция со множеством физических элементов.
Блок памяти на основе линий задержки больше похож на гиперпространственный двигатель космического корабля. Сложно представить, но подобная махина могла сохранить всего несколько бит данных!
За кадром нашего исследования осталось два довольно значимых изобретения в области носителей данных. Оба сделал талантливый сотрудник Bell Labs Эндрю Бобек. Первая разработка — так называемая твисторная память — могла стать прекрасной альтернативой памяти на основе магнитных сердечников. Она во многом повторяла последнюю, но вместо ферритовых колец для хранения данных использовала магнитную пленку. У технологии были два важных преимущества. Во-первых, твисторная память могла одновременно записывать и считывать информацию с целого ряда твисторов. Плюс к этому, было легко наладить ее автоматическое производство. Руководство Bell Labs надеялось, что это позволит существенно снизить цену твисторной памяти и занять перспективный рынок. Разработку финансировали ВВС США, а память должна была стать важной функциональной ячейкой ракет Nike Sentinel. К сожалению, работа над твисторами затянулась, а на первый план вышла память на основе транзисторов. Захват рынка не состоялся.
«Не повезло в первый раз, так повезет во второй»,— подумали в Bell Labs. В начале 70-х годов Эндрю Бобек представил энергонезависимую пузырьковую память. В ее основе лежала тонкая магнитная пленка, которая удерживала небольшие намагниченные области (пузырьки), хранящие двоичные значения. Спустя какое-то время появилась первая компактная ячейка емкостью 4096 бит — устройство размером один квадратный сантиметр обладало емкостью целой планки с магнитными сердечниками.
Изобретением заинтересовались многие компании, и в середине 70-х разработками в области пузырьковой памяти занялись все крупные игроки рынка. Энергонезависимая структура делала пузырьки идеальной заменой как первичной, так и вторичной памяти. Но и тут планам Bell Labs не удалось сбыться — дешевые винчестеры и транзисторная память перекрыли кислород пузырьковой технологии.
Вакуум — наше все
Вакуумные трубки сохранились в технике и по сей день. Особенной любовью они пользуются среди аудиофилов. Считается, что усилительный тракт на основе вакуумных трубок по качеству звука на голову выше современных аналогов.
К концу 40-х годов системная логика компьютеров переехала на вакуумные трубки (они же электронные трубки или термионные шахты). Вместе с ними новый толчок в развитии получили телевидение, устройства для воспроизведения звука, аналоговые и цифровые компьютеры.
Под загадочным словосочетанием «вакуумная трубка» скрывается довольно простой по строению элемент. Он напоминает обычную лампу накаливания. Нить заключена в безвоздушное пространство, при нагреве она испускает электроны, которые попадают на положительно заряженную металлическую пластину. Внутри лампы под напряжением образуется поток электронов. Вакуумная трубка умеет или пропускать, или блокировать (фазы 1 и 0) проходящий через нее ток, выступая в роли электронного компонента компьютеров. Во время работы вакуумные трубки сильно нагреваются, их надо интенсивно охлаждать. Зато они намного быстрее, чем допотопные переключатели.
Первичная память на основе этой технологии появилась в 1946-1947 годы, когда изобретатели Фредди Вильямс и Том Килберн представили трубку Вильямса — Килберна. Метод сохранения данных был весьма остроумным. На трубке при определенных условиях появлялась световая точка, которая слегка заряжала занимаемую поверхность. Зона вокруг точки приобретала отрицательный заряд (ее называли «энергетическим колодцем»). В «колодец» можно было поместить новую точку или оставить его без внимания — тогда первоначальная точка быстро исчезала. Эти превращения истолковывались контроллером памяти как двоичные фазы 1 и 0. Технология была очень популярна. Память на трубках Вильямса — Килберна устанавливали в компьютеры Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 и Standards Western Automatic Computer (SWAC).
Параллельно свою трубку, именуемую селектрон, разрабатывали инженеры из компании Radio Corporation of America под управлением ученого Владимира Зворыкина. По задумке авторов селектрон должен был вмещать до 4096 бит информации, что в четыре раза больше, чем у трубки Вильямса — Килберна. Предполагалось, что к концу 1946 года будет произведено около 200 селектронов, но производство оказалось очень дорогим.
Вплоть до весны 1948-го Radio Corporation of America не выпустила ни одного селектрона, но работа над концептом продолжалась. Инженеры изменили дизайн трубки, и в продаже появилась уменьшенная ее версия емкостью 256 бит. Мини-селектроны были быстрее и надежнее трубок Вильямса — Килберна, но стоили по $500 за штуку. И это при массовом производстве! Селектронам, однако, удалось попасть в вычислительную машину — в 1953 году компания RAND выпустила компьютер под забавным названием JOHNNIAC (в честь Джона фон Неймана). В системе были установлены уменьшенные 256-битные селектроны, а общий объем памяти составлял 32 байта.
Наравне с вакуумными трубками в некоторых компьютерах того времени использовалась барабанная память, изобретенная Густавом Таусчеком в 1939 году. Простая конструкция включала большой металлический цилиндр, покрытый сплавом из ферромагнетика. Считывающие головки, в отличие от современных винчестеров, не перемещались по поверхности цилиндра. Контроллер памяти ждал, пока информация самостоятельно пройдет под головками. Барабанная память использовалась в компьютере Атанасова — Берри и некоторых других системах. К сожалению, ее производительность была очень низкой.
Селектрону не было суждено завоевать рынок вычислительных машин — опрятные на вид электронные компоненты так и остались пылиться на свалке истории. И это несмотря на выдающиеся технические характеристики.
В данный момент рынком первичной памяти правит стандарт DDR. Точнее, второе его поколение. Переход на DDR3 состоится уже совсем скоро — осталось дождаться появления недорогих чипсетов с поддержкой нового стандарта. Повсеместная стандартизация сделала сегмент памяти слишком скучным для описания. Производители перестали изобретать новые, уникальные продукты. Все труды сводятся к увеличению рабочей частоты и установке навороченной системы охлаждения.
Технологический застой и робкие эволюционные шаги будут продолжаться до тех пор, пока производители не доберутся до предела возможностей кремния (именно из него изготавливают интегрированные микросхемы). Ведь частоту работы нельзя повышать бесконечно.
Правда, здесь кроется один подвох. Производительности существующих чипов DDR2 достаточно для большинства компьютерных приложений (сложные научные программы не в счет). Установка модулей DDR3, работающих на частоте 1066 МГц и выше, не ведет к ощутимому приросту скорости.
Звездный путь в будущее
Странная текстура на фотографии — это память на основе магнитных сердечников. Перед вами наглядная структура одного из массивов с проводами и ферритовыми кольцами. Представляете, сколько времени приходилось потратить, чтобы найти среди них нерабочий модуль?
Главным недостатком памяти, да и всех остальных компонентов на основе вакуумных трубок было тепловыделение. Трубки приходилось охлаждать при помощи радиаторов, воздуха и даже воды. К тому же постоянный нагрев существенно уменьшал время работы — трубки самым натуральным образом деградировали. Под конец срока эксплуатации их приходилось постоянно настраивать и в конечном итоге менять. Можете представить, скольких усилий и средств стоило сервисное обслуживание вычислительных систем?!
Потом наступило время массивов с близко расположенными ферритовыми кольцами — изобретение американских физиков Эн Вэнг и Вэй-Донг Ву, доработанное студентами под управлением Джея Форрестера из Массачусетского технологического университета (MIT). Через центры колец под углом 45 градусов проходили соединительные провода (по четыре на каждое кольцо в ранних системах, по два в более совершенных). Под напряжением провода намагничивали ферритовые кольца, каждое из которых могло сохранить один бит данных (намагничено — 1, размагничено — 0).
Джей Форрестер разработал систему, при которой управляющие сигналы для многочисленных сердечников шли всего по нескольким проводам. В 1951 году вышла память на основе магнитных сердечников (прямой аналог современной оперативной памяти). В дальнейшем она заняла достойное место во многих компьютерах, включая первые поколения мейнфреймов компаний DEC и IBM. По сравнению с предшественниками у нового типа памяти практически отсутствовали недостатки. Ее надежности хватало для функционирования в военных и даже космических аппаратах. После крушения шаттла «Челленджер», которое привело к смерти семи членов его экипажа, данные бортового компьютера, записанные в памяти с магнитными сердечниками, остались в полной целости и сохранности.
Технологию постепенно совершенствовали. Ферритовые кольца уменьшались в размерах, скорость работы росла. Первые образцы функционировали на частоте порядка 1 МГц, время доступа составляло 60 000 нс — к середине 70-х годов оно сократилось до 600 нс.
Дорогая, я уменьшил нашу память
Производители памяти в наше время больше заботятся о внешнем виде своих продуктов — все равно стандарты и характеристики заранее определены в комиссиях вроде JEDEC.
Следующий скачок в развитии компьютерной памяти произошел, когда были придуманы интегральные микросхемы и транзисторы. Индустрия пошла по пути миниатюризации компонентов с одновременным повышением их производительности. В начале 1970-х полупроводниковая промышленность освоила выпуск микросхем высокой степени интеграции — на сравнительно малой площади теперь умещались десятки тысяч транзисторов. Появились микросхемы памяти емкостью 1 Кбит (1024 бит), небольшие чипы для калькуляторов и даже первые микропроцессоры. Случилась самая настоящая революция.
Особый вклад в развитие первичной памяти внес доктор Роберт Деннард, сотрудник компании IBM. Он разработал первый чип на транзисторе и небольшом конденсаторе. В 1970 году рынок подстегнула компания Intel (которая появилась всего двумя годами раньше), представив чип памяти i1103 емкостью 1 Кбит. Спустя два года этот продукт стал самым продаваемым полупроводниковым чипом памяти в мире.
Во времена первых Apple Macintosh блок оперативной памяти занимал огромную планку (на фото сверху), тогда как объем не превышал 64 Кб.
Микросхемы высокой степени интеграции быстро вытеснили старые типы памяти. С переходом на следующий уровень развития громоздкие мейнфреймы уступили место настольным компьютерам. Основная память в то время окончательно отделилась от вторичной, оформилась в виде отдельных микрочипов емкостью 64, 128, 256, 512 Кбит и даже 1 Мбит.
Наконец, микросхемы первичной памяти переехали с материнских плат на отдельные планки, это сильно облегчило установку и замену неисправных компонентов. Частоты начали расти, время доступа уменьшаться. Первые синхронные динамические чипы SDRAM появились в 1993 году, их представила компания Samsung. Новые микросхемы работали на частоте 100 МГц, время доступа равнялось 10 нс.
С этого момента началось победоносное шествие SDRAM, а к 2000 году этот тип памяти вытеснил всех конкурентов. Определением стандартов на рынке оперативки занялась комиссия JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). Ее участники сформировали спецификации, единые для всех производителей, утвердили частотные и электрические характеристики.
Дальнейшая эволюция не так интересна. Единственное значимое событие произошло в 2000 году, когда на рынке появилась оперативная память стандарта DDR SDRAM. Она обеспечила удвоенную (по сравнению с обычной SDRAM) пропускную способность и создала задел для будущего роста. Вслед за DDR в 2004 году появился стандарт DDR2, который до сих пор пользуется наибольшей популярностью.
В современном IT-мире фразой Patent Troll (патентный тролль) называют фирмы, которые зарабатывают деньги на судебных исках. Они мотивируют это тем, что другие компании нарушили их авторские права. Целиком и полностью под это определение попадает разработчик памяти Rambus.
С момента основания в 1990 году Rambus занималась лицензированием своих технологий сторонним компаниям. К примеру, ее контроллеры и микросхемы памяти можно найти в приставках Nintendo 64 и PlayStation 2. Звездный час Rambus настал в 1996 году, когда Intel заключила с ней соглашение на использование в своих продуктах памяти RDRAM и разъемов RIMM.
Сначала все шло по плану. Intel получила в свое распоряжение продвинутую технологию, а Rambus довольствовалась партнерством с одним из крупнейших игроков IT-индустрии. К сожалению, высокая цена модулей RDRAM и чипсетов Intel поставили крест на популярности платформы. Ведущие производители материнских плат использовали чипсеты VIA и платы с разъемами под обычную SDRAM.
Rambus поняла, что на этом этапе она проиграла рынок памяти, и начала свои затяжные игры с патентами. Первым делом ей под руку попалась свежая разработка JEDEC — память стандарта DDR SDRAM. Rambus накинулась на нее, обвинив создателей в нарушении авторских прав. В течение некоторого времени компания получала денежные отчисления, однако уже следующее судебное разбирательство с участием Infineon, Micron и Hynix расставило все по своим местам. Суд признал, что технологические наработки в области DDR SDRAM и SDRAM не принадлежат Rambus.
С тех пор общее количество исков со стороны Rambus к ведущим производителям оперативки превысило все мыслимые пределы. И, похоже, такой образ жизни компанию вполне устраивает.
История оперативной памяти
Мы давно привыкли к тому, что модуль оперативной памяти выглядит как небольшая плата с микросхемами. Но так, конечно же, было далеко не всегда. На заре компьютерной эры существовало множество видов оперативной памяти, совершенно не похожих друг на друга. Достаточно сказать, что за время перехода от первого поколения ЭВМ (на электронных лампах) ко второму (на транзисторах) сменилось не менее пяти технологий ОЗУ. Из этого поста вы узнаете, какие причудливые формы порой принимала такая вроде бы знакомая вещь, как «оперативка».
1. Конденсаторы
Создателем первого компьютера в современном понимании этого слова принято считать немецкого инженера Конрада Цузе. Ещё в 30-е годы, работая в одиночку, он сумел спроектировать и построить в гостиной родительского дома устройство, способное автоматически выполнять различные вычисления по заданной программе. Машина, получившая название Z1, была электромеханической и потому не фигурирует в списках первых ЭВМ (электронных вычислительных машин). При этом она работала в двоичной системе счисления, как и современные компьютеры, а не в двоично-десятичной, как знаменитый ENIAC, созданный почти десятью годами позже.
Оперативная память Z1 была организована на конденсаторах, причём не покупных, а разработанных самим изобретателем. Конструкция, в которой чередовались слои стекла и металлические пластины, позволяла хранить 64 вещественных числа, каждое из которых состояло из 14 бит мантиссы и 8 бит, отводившихся под знак и порядок.
Стоит отметить, что эта вычислительная машина работала ненадёжно из-за низкой точности изготовления деталей, и последующие свои конструкции (Z2–Z4) Цузе создавал на базе выпускавшихся промышленностью телефонных реле.
В 1987–1989 гг. пожилой Цузе воссоздал компьютер Z1, утраченный во время войны, и теперь его рабочая копия выставлена в Немецком техническом музее. По ссылке доступна интерактивная панорама, позволяющая рассмотреть компьютер со всех сторон.
2. Электронные лампы
Первые ЭВМ, например, вышеупомянутый ENIAC или отечественная БЭСМ, использовали электронные лампы как для вычислений, так и для промежуточной записи команд и операндов. Чтобы хранить один бит данных, нужна была одна запоминающая ячейка (триггер), собранная на двух триодах. В ЭВМ ставили двойные триоды, у которых в одном баллоне размещались, по сути, две независимые электронные лампы, поэтому можно упрощённо говорить, что для хранения N бит информации требовалось N электронных ламп (без учёта обвязки).
Неудивительно, что эти машины имели огромный размер и потребляли колоссальное количество энергии. БЭСМ содержала около 4000 электронных ламп, а ENIAC — почти
18 000. Дело в том, что, в отличие от чисто двоичной БЭСМ, ENIAC использовал весьма своеобразную двоично-десятичную систему представления чисел. Младшие 5 битов в ней кодировали число от 0 до 4 в унитарной системе счисления (когда значение определяет номер позиции, на которой в коде стоит единица, — скажем, 01000 означает 3, а 00001 — 0), а два старших бита определяли определяли, нужно ли прибавлять к этому числу пятёрку (10 — да, 01 — нет).
В итоге запоминающая ячейка ENIAC всего лишь на одну десятичную цифру (правда, объединённая со счётчиком) выглядела вот так:
Запоминающая ячейка БЭСМ на 1 бит тоже особой компактностью не отличалась:
Хотя у меня есть подозрение, что подпись к этой фотографии из музея неверна, и на ней — тоже не просто запоминающая, а суммирующая ячейка. Дело в том, что у БЭСМ были и двухламповые ячейки, которые, скорее всего, как раз представляли собой просто триггеры. Но информации по ним я в интернете не нашёл, а запрос в музей ИТМиВТ остался без ответа.
3. «Трубка Уильямса»
Очень любопытный тип памяти, впервые использованный в английском компьютере SSEM (Manchester Small-Scale Experimental Machine, «Манчестерская малая экспериментальная машина». Хотя правильнее будет сказать, что это компьютер SSEM был построен для тестирования памяти на «трубке Уильямса».
Созданный в 1948 году, он оказался первым в мире электронным компьютером, построенным по принципу совместного хранения данных и программ в памяти (фон-неймановская архитектура). Также это была первая универсальная ЭВМ в Великобритании (созданный ранее компьютер Colossus, хотя и имел ограниченные возможности программирования, всё-таки предназначался для одной узкой задачи — взлома немецкого шифра Lorenz SZ).
«Трубка Уильямса» — это, по сути, обычная электронно-лучевая трубка, на экране которой рисуется двумерный массив из точек или тире. В зависимости от того, какой элемент был нарисован, на люминофоре образуются разные заряды. Чтобы прочитать информацию, на участки экрана, соответствующие ячейкам массива, нужно снова направить электронный луч. Все ячейки получат положительный заряд, но изменение заряда будет разным для точек и тире. Электрод на внешней стороне экрана позволяет отследить эту разницу и получить значение прочитанного бита. Если информацию не нужно менять, при следующем проходе луча по ячейкам их значения восстанавливают. Таким образом, трубка Уильямса представляет собой динамическую (постоянно обновляемую) память.
Что интересно, на такую трубку, в принципе, можно было выводить изображения, в том числе движущиеся, если последовательно записывать в память соответствующие значения. «Разрешение» составляло 32 x 32 элемента (1024 бит памяти).
В 1998 году с использованием оригинальных компонентов была построена реплика компьютера SSEM, которую теперь можно увидеть в Манчестерском музее науки и промышленности.
4. Декатроны
О компьютере, в котором использовалась такая память, у меня был отдельный пост. Это Harwell Dekatron, или WITCH, единственный компьютер первого поколения, сохранившийся до наших дней в рабочем состоянии. Он использует чисто десятичную систему счисления, и для хранения информации в нём используются декатроны — газоразрядные десятичные счётчики.
Колба декатрона заполнена инертным газом (обычно — неоном, поэтому при работе они светятся оранжево-красным светом). Вокруг центрального дискового анода расположены десять изолированных индикаторных катодов, а между каждой парой соседних индикаторных катодов — два так называемых подкатода. Подавая в нужном порядке на анод и подкатоды импульсы напряжения, можно заставлять разряд либо «перескакивать» с катода на катод (что соответствует увеличению/уменьшению хранимого значения на 1, или операции записи), либо переходить с катода на анод (что соответствует операции чтения).
Поскольку разработчики компьютеров почти сразу отказались от десятичной системы счисления, оперативная память на декатронах быстро стала достоянием истории, хотя в других областях декатроны использовались ещё много лет.
5. Ртутные линии задержки.
Это, пожалуй, самая брутальная технология из всех, что будут рассмотрены в этом посте. Такую линию задержки можно представить себе как длинную заполненную ртутью колбу, на концах которой расположены пьезоэлементы — передатчик и приёмник. Передатчик возбуждает акустические колебания в ртути, и по ней бегут волны, как от камня, брошенного в воду. Когда колебания достигают приёмника, они усиливаются, при необходимости изменяются и вновь подаются на вход той же линии. Таким образом получается, что по линии задержки постоянно циркулирует пакет данных, представленный в виде цепочки волн. Память на линиях задержки не является дискретной и может хранить как цифровую, так и аналоговую информацию, что использовалось, например, в первых радарах.
Ртуть была выбрана благодаря тому, что её удельное акустическое сопротивление почти равно акустическому сопротивлению пьезокристаллов, а скорость распространения звуковых волн в ней выше, чем в других жидкостях.
Такая память была сложна в производстве, требовала тонкой настройки, представляла опасность в случае повреждения, нуждалась в системах поддержания постоянной температуры, а главное — предполагала только последовательный доступ (то есть приходилось ждать, пока на выходе линии задержки появится нужная информация). Почему же при таком огромном наборе недостатков её использовали? Всё дело в экономичности и надёжности. Одна ртутная линия задержки могла хранить несколько сотен бит информации (скажем, 576 бит в компьютере EDSAC). Чтобы реализовать такой же объём памяти на триггерах, понадобилось бы больше тысячи электронных ламп, которые занимали бы больше места и потребляли бы больше энергии, а главное — регулярно бы перегорали. Ртутные же линии, при всей их сложности, после грамотной настройки работали очень долго.
На фотографии запечатлён один блок «ртутной» памяти компьютера UNIVAC I (1951 г., США). Этот барабан содержал 18 трубок, по каждой из которых постоянно циркулировало 120 бит данных, а всего барабанов было 7. Время доступа к памяти составляло 222 мкс.
В 1953 г. оперативная память на ртутных трубках объёмом 1024 слова (по 39 бит в каждом) появилась и у отечественной БЭСМ.
6. Селектроны
Если трубка Уильямса и ртутные линии задержки считаются прототипами динамической памяти (DRAM), то следующее устройство можно назвать одним из прототипов статической памяти (SRAM).
Это — селектрон, особая электронная лампа, разработанная компанией RCA (кстати, под руководством небезызвестного В. К. Зворыкина) в конце 40-х — начале 50-х годов. На фоне памяти на триггерах, где одна электронная лампа была способна хранить в лучшем случае один бит данных, возможности этого устройства казались фантастическими: один селектрон мог иметь внутри матрицу ёмкостью до 4096 бит! Время доступа к информации при этом было на порядок меньше, чем у ртутной памяти (называлась цифра в 16 мкс).
Селектрон сочетает в себе признаки электронно-лучевой трубки и обычной электронной лампы: у него есть покрытый люминофором экран и управляющие сетки, точнее решётки из скрещённых узких металлических полосок с отверстиями, образующих ряд «окон». Окно, к которому подводится напряжение, открывается для прохождения электронного луча к фосфорному экрану для записи или чтения информации.
Впечатление о компактности памяти на селектронах всё-таки немного обманчиво. Им требовалась довольно громоздкая обвязка, и на фотографии можно увидеть, как выглядело запоминающее устройство на 256-битных селектронах.
7. Магнитные барабаны
Магнитные барабаны являются прародителями современных жёстких дисков, только информация в них записывается не на основание, а на боковую поверхность цилиндра. Вы можете спросить, что же они тогда делают в списке технологий оперативной памяти. Действительно, мы привыкли к тому, что магнитные накопители используются для долговременного хранения данных. Тем не менее, в некоторых ранних компьютерах (особенно относившихся к «бюджетному» классу малых ЭВМ) магнитные барабаны использовались и в качестве оперативки. Первым таким компьютером, судя по всему, был узкоспециализированный «Atlas» производства ERA, разработанный в 1950 г. В дальнейшем память на магнитном барабане встречалась в IBM 650, Univac Scientific 1103, а также первой крупносерийной отечественной ЭВМ «Урал».
На фотографии из Политехнического музея — как раз тот самый барабан. Он позволял хранить всего 1024 36-разрядных слова, что в 10 раз меньше, чем у американского «Атласа». Ёмкость была принесена в жертву быстродействию: за счёт высокой скорости вращения (100 оборотов в секунду) и крупного формата записи удалось получить среднее время обращения на уровне 8 мс. Впрочем, это всё равно было в разы больше, чем у других видов памяти — что поделаешь, ограничение системы с подвижными деталями. Поэтому в высокопроизводительных ЭВМ память на магнитных барабанах никогда не использовалась в качестве оперативной. Обычно ей отводилась роль буфера между оперативной и долговременной памятью.
8. Ферритовые сердечники
Появление памяти на магнитных сердечниках, или ферритовой памяти, ознаменовало наступление новой эпохи. Идею такого ОЗУ предложил Джон Преспер Экерт (один из разработчиков ENIAC) в 1945 г., а первые практические реализации появились в начале 50-х. Патент на ферритовую память получили американские инженеры китайского происхождения Ван Ань и Во Вайдун в 1955 г.
Внешне память на магнитных сердечниках представляет собой матрицу из ферритовых элементов (обычно колец), пронизанных проволочками.
Принцип её работы основан на свойствах ферромагнитного материала, который может находиться в двух устойчивых состояниях намагниченности — +B и –В. Чтобы перемагнитить такой элемент, необходимо в проводниках, на пересечении которых он находится, возбудить магнитное поле величиной не менее H. Для этого в «вертикальном» и «горизонтальном» проводниках возбуждается поле величиной H/2. Оно не может изменить состояние какого-либо иного элемента строки или столбца, кроме того единственного, который находится на пересечении этих проводников и для которого величина магнитного поля складывается, давая H.
Для считывания информации используется третий провод, который змейкой проходит через все сердечники.
Чтобы прочитать содержимое ячейки, в проводниках нужно возбудить отрицательное поле величиной –H/2. Тогда кольцо, находившееся в состоянии +В, перемагнитится в состояние
–В, и на считывающем проводе наведётся ЭДС, соответствующая значению «1». А кольцо, находившееся в состоянии –В, не перемагнитится, и на считывающем проводе никакого сигнала не появится, что компьютер истолкует как значение «0». Таким образом, чтение информации из памяти на ферритовых кольцах — разрушающее, то есть после считывания какой-либо ячейки требуется её регенерация.
По сравнению со всеми предшественниками ферритовая память была колоссальным шагом вперёд в плане простоты, компактности и энергоэффективности. Неудивительно, что она «прописалась» в компьютерах на добрых два десятилетия, а в отдельных системах, где требовалась стойкость к воздействию радиации (например, в космосе), применялась до 1990-х годов.
Вытеснила её уже привычная нам память на микросхемах, но это — уже совсем другая история.