U stara vremena - bilo je to gotovo prije 80 godina, u zoru računalne tehnologije - pamćenje računalnih uređaja obično se dijelilo na tri vrste. Primarni, sekundarni i vanjski. Sada tu terminologiju nitko ne koristi, mada i sama klasifikacija postoji do danas. Sada se samo primarna memorija naziva operativni, sekundarni - unutarnji tvrdi diskovi, a vanjska je prikrivena kao sve vrste optičkih diskova i flash pogona.
Prije nego što započnemo putovanje u prošlost, razumjet ćemo gornju klasifikaciju i razumjet ćemo čemu služi svaka vrsta memorije. Računalo predstavlja informacije u obliku niza bitova - binarnih znamenki sa vrijednostima 1 ili 0. Općenito prihvaćena univerzalna jedinica informacija je bajt, koji se obično sastoji od 8 bita. Svi podaci koje koristi računalo zauzimaju određeni broj bajtova. Na primjer, tipična glazbena datoteka iznosi 40 milijuna bita - 5 milijuna bajtova (ili 4,8 megabajta). Središnji procesor ne može funkcionirati bez elementarnog memorijskog uređaja, jer se sav njegov rad svodi na prijem, obradu i ponovno pisanje u memoriju. Zato je legendarni John von Neumann (spominjali smo ga već više puta u nizu članaka o glavnim okvirima) stvorio neovisnu strukturu unutar računala,gdje bi se čuvali svi potrebni podaci.
Klasifikacija interne memorije također dijeli medije prema načelu brzine (i energije). Brza primarna (slučajni pristup) memorija koristi se danas za pohranu kritičnih informacija kojima CPU najčešće pristupa. Ovo je jezgra operacijskog sustava, izvršne datoteke pokretanih programa, posredni rezultati izračuna. Vrijeme pristupa je minimalno, samo nekoliko nanosekundi.
Primarna memorija komunicira s kontrolerom koji se nalazi ili unutar procesora (u najnovijim modelima CPU-a) ili kao zasebni čip na matičnoj ploči (sjeverni most). Cijena RAM-a je relativno visoka, osim toga, on je nepostojan: isključili su računalo ili slučajno izvukli kabel za napajanje iz utičnice - i svi podaci su izgubljeni. Stoga se sve datoteke pohranjuju u sekundarnoj memoriji - na ploče tvrdog diska. Podaci ovdje ne brišu se nakon nestanka struje, a cijena po megabajtu vrlo je niska. Jedina mana tvrdih diskova je mala brzina reakcije, mjeri se već u milisekundama.
Usput, zanimljiva činjenica. U zoru razvoja računala primarna memorija nije bila odvojena od sekundarne memorije. Glavna procesorska jedinica bila je vrlo spora, a memorija nije dala efekt uskog grla. Internetski i trajni podaci pohranjeni su u istim komponentama. Kasnije, kad se brzina računala povećavala, pojavili su se novi tipovi medija za pohranu.
Nazad u prošlost
Jedna od glavnih komponenti prvih računala bili su elektromagnetski prekidači, koje je poznati američki znanstvenik Joseph Henry razvio još davne 1835. godine, kada nitko nije ni sanjao o bilo kojem računalu. Jednostavan mehanizam sastojao se od metalne jezgre omotane žicom, pomičnih armatura od željeza i nekoliko kontakata. Henryjev razvoj tvorio je osnovu za električni telegraf Samuela Morsea i Charlesa Whitstona.
Promotivni video:
Prvo računalo temeljeno na prekidačima pojavilo se u Njemačkoj 1939. Inženjer Konrad Süs upotrijebio ih je za izradu sistemske logike uređaja Z2. Nažalost, automobil nije dugo živio, a njegovi planovi i fotografije izgubljeni su tijekom bombardiranja Drugog svjetskog rata. Sljedeći računski uređaj Sius (pod imenom Z3) objavljen je 1941. godine. Ovo je prvo računalo koje je program kontrolirao. Glavne funkcije stroja ostvarene su s 2000 prekidača. Konrad je sustav trebao prenijeti na modernije komponente, ali vlada je zatvorila financiranje, smatrajući da Siusove ideje nemaju budućnost. Kao i njegov prethodnik, Z3 je uništen za vrijeme savezničkih napada.
Elektromagnetski prekidači radili su vrlo sporo, ali razvoj tehnologije nije stajao na mjestu. Druga vrsta memorije za rane računalne sustave bile su linije kašnjenja. Informacije su prenošene električnim impulsima, koji su se pretvarali u mehaničke valove i pri maloj brzini kretali živom, piezoelektričnim kristalom ili magnetorezijskom zavojnicom. Postoji val - 1, nema vala - 0. Stotine i tisuće impulsa moglo bi prolaziti kroz dirigentni materijal po jedinici vremena. Na kraju svog puta svaki se val pretvorio natrag u električni impuls i poslao na početak - evo vam najjednostavnijeg ažuriranja.
Liniju kašnjenja razvio je američki inženjer John Presper Eckert. Računalo EDVAC, predstavljeno 1946. godine, sadržavalo je dva memorijska bloka sa 64 linije kašnjenja na temelju žive (5,5 KB po modernim standardima). U to je vrijeme to bilo više nego dovoljno za rad. Sekundarna memorija bila je prisutna i u EDVAC-u - rezultati izračuna zabilježeni su na magnetskoj vrpci. Drugi sustav, UNIVAC 1, koji je objavljen 1951., koristio je 100 blokova na temelju linija kašnjenja i imao je složen dizajn s mnogo fizičkih elemenata za pohranu podataka.
Memorija linija kašnjenja više je poput hipersvemira svemirskog broda. Teško je zamisliti, ali takav bi kolos mogao pohraniti samo nekoliko bita podataka!
Bobekova djeca
Dva prilično značajna izuma na području nosača podataka ostala su iza kulisa našeg istraživanja. Oboje je radio talentirani zaposlenik Bell Labsa Andrew Bobek. Prvi razvoj, takozvana twistor memorija, mogao bi biti izvrsna alternativa magnetskoj jezgri memorije. Ona je u velikoj mjeri ponovila ovo posljednje, ali umjesto feritnih prstenova za pohranu podataka koristila je magnetsku vrpcu. Tehnologija je imala dvije važne prednosti. Prvo, memorija twistora mogla je istodobno pisati i čitati informacije iz više twistora. Osim toga, jednostavno je bilo postaviti automatsku proizvodnju. Bell Labs nadao se da će to značajno smanjiti cijenu memorije twistor i zauzeti tržište koje obećava.
Razvoj su financirale američke zračne snage, a memorija je trebala postati važna funkcionalna ćelija raketa Nike Sentinel. Nažalost, rad na twistorima dugo je trajao, a memorija koja se temelji na tranzistorima došla je do izražaja. Osvajanje tržišta nije održano.
„Prvi put loša sreća, drugi put sretna“, pomislio je Bell Labs. Početkom 70-ih, Andrew Bobek je uveo nehlapljivo pamučno mjehuriće. Temelji se na tankom magnetskom filmu koji je zadržao male magnetizirane regije (mjehurići) koji su pohranili binarne vrijednosti. Nakon nekog vremena pojavila se prva kompaktna ćelija kapaciteta 4096 bita - uređaj veličine jednog kvadratnog centimetra imao je kapacitet cijele trake s magnetskim jezgrama.
Mnoge su se tvrtke zainteresirale za izum, a sredinom 70-ih svi su glavni sudionici na tržištu zauzeli razvoj na području pamučne memorije. Nehlapljiva struktura učinila je mjehuriće idealnom zamenom i za primarno i za sekundarno pamćenje. Ali ni ovdje se planovi Bell Labs-a nisu obistinili - jeftini tvrdi diskovi i tranzistorska memorija blokirali su tehnologiju kisika s mjehurićima.
Vakuum je naše sve
Krajem 40-ih sistemska se logika računala preselila u vakuumske cijevi (to su ujedno i elektronske cijevi ili termionske osovine). Zajedno s njima, televizija, uređaji za reprodukciju zvuka, analogna i digitalna računala dobili su novi zamah u razvoju.
Vakuumske cijevi preživjele su u tehnologiji do danas. Posebno su voljeni među audiofilama. Smatra se da je pojačavajući krug na bazi vakuumskih cijevi presjek iznad modernih analoga u kvaliteti zvuka.
Pod tajanstvenom frazom "vakuumska cijev" je prilično jednostavan element u strukturi. Ona podsjeća na običnu žarulju sa žarnom niti. Žarulja je zatvorena u prostoru bez zraka, a kada se zagrijava, emitira elektrone koji padaju na pozitivno nabijenu metalnu ploču. Unutar lampe se pod naponom stvara tok elektrona. Vakuumska cijev može ili propustiti ili blokirati (faze 1 i 0) struju koja prolazi kroz nju, djelujući kao elektronička komponenta računala. Tijekom rada vakuumske cijevi postaju vrlo vruće, moraju se intenzivno hladiti. Ali mnogo su brži od anteiluvijalnih prekidača.
Primarno pamćenje temeljeno na ovoj tehnologiji pojavilo se 1946-1947, kada su izumitelji Freddie Williams i Tom Kilburn uveli cijev Williams-Kilburn. Način pohrane podataka bio je vrlo genijalan. Pod određenim uvjetima, na cijevi se pojavila točka svjetlosti, koja je lagano napunila okupiranu površinu. Područje oko točke dobilo je negativan naboj (zvalo se "energetski bunar"). Nova točka mogla bi se staviti u "bunar" ili ostaviti bez nadzora - tada bi prvotna točka brzo nestala. Memorijski kontroler protumačio je te transformacije kao binarne faze 1 i 0. Tehnologija je bila vrlo popularna. Williams-Kilburn cijevna memorija instalirana je u računalima Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 i Standards Western Automatic Computer (SWAC).
Paralelno s tim, inženjeri iz Radio korporacije Amerike pod vodstvom znanstvenika Vladimira Zvorykina razvijali su vlastitu cijev, nazvanu selektron. Prema ideji autora, selektron je trebao sadržavati do 4096 bita informacija, što je četiri puta više od cijevi Williamsa-Kilburn-a. Procjenjuje se da će do kraja 1946. proizvesti oko 200 selerona, ali proizvodnja se pokazala vrlo skupom.
Sve do proljeća 1948. Američka radio korporacija nije objavila niti jedan selektron, ali rad na konceptu se nastavio. Inženjeri su redizajnirali cijev i sada je dostupna manja 256-bitna verzija. Mini selektori su bili brži i pouzdaniji od cijevi Williams-Kilburn, ali su koštali 500 dolara po komadu. I to u masovnoj proizvodnji! Selektori su, međutim, uspjeli ući u računalni stroj - 1953. tvrtka RAND izdala je računalo pod smiješnim imenom JOHNNIAC (u čast Johna von Neumanna). U sustav su instalirani reducirani 256-bitni selektori, a ukupna memorija je bila 32 bajta.
Uz vakuumske cijevi, neka su računala koristila memoriju bubnjeva, koju je 1939. izumio Gustav Tauscek. Jednostavni dizajn uključivao je veliki metalni cilindar obložen feromagnetskom legurom. Glave za čitanje, za razliku od modernih tvrdih diskova, nisu se kretale po površini cilindra. Memorijski kontroler čekao je da informacije sami prođu ispod glave. Memorija bubnjeva korištena je u računalu Atanasov-Berry i nekim drugim sustavima. Nažalost, njegove su performanse bile vrlo niske.
Selektron nije bio suđen za osvajanje tržišta računala - uredni elektronički dijelovi ostali su skupljati prašinu u kanti za povijest. I to unatoč izvanrednim tehničkim karakteristikama.
Suvremene tendencije
Trenutačno primarnim tržištem memorije upravlja DDR standard. Preciznije, njegova druga generacija. Prijelaz na DDR3 dogodit će se vrlo brzo - ostaje pričekati pojavu jeftinih skupova čipova koji podržavaju novi standard. Široka standardizacija učinila je segment memorije previše dosadnim za opisati. Proizvođači su prestali izmišljati nove, jedinstvene proizvode. Sav posao se svodi na povećanje radne frekvencije i ugradnju sofisticiranog rashladnog sustava.
Tehnološka stagnacija i plašni evolucijski koraci nastavit će se sve dok proizvođači ne dosegnu ograničenje mogućnosti silicija (od kojeg se izrađuju integrirani krugovi). Napokon, učestalost rada ne može se povećavati u nedogled.
Međutim, ovdje postoji jedan ulov. Učinkovitost postojećih DDR2 čipova dovoljna je za većinu računalnih aplikacija (složeni znanstveni programi se ne računaju). Instaliranje DDR3 modula koji rade na 1066 MHz i više ne dovodi do opipljivog povećanja brzine.
Zvjezdane staze za budućnost
Glavni nedostatak memorije i svih ostalih komponenti temeljenih na vakuumskim cijevima bila je proizvodnja topline. Cijevi su se morale hladiti radijatorima, zrakom, pa čak i vodom. Osim toga, konstantno zagrijavanje značajno je smanjilo vrijeme rada - cijevi su se degradirale na najprirodniji način. Na kraju njihovog radnog vijeka morali su ih stalno prilagođavati i na kraju mijenjati. Možete li zamisliti koliko truda i novca košta servis računalnih sustava ?!
Čudna tekstura na fotografiji - to je magnetska jezgra memorije. Evo vizualne strukture jednog od nizova sa žicama i feritnim prstenima. Možete li zamisliti koliko ste vremena trebali potrošiti da biste pronašli neradni modul među njima?
Potom je došlo vrijeme nizova s usko raspoređenim feritnim prstenovima - izum američkih fizičara An Wang i Wei-Dong Wu, modificiran od strane studenata pod vodstvom Jaya Forrestera s Massachusetts Institute of Technology (MIT). Spojne žice prolazile su kroz središta prstenova pod kutom od 45 stupnjeva (četiri za svaki prsten u ranim sustavima, dvije u naprednijim sustavima). Pod naponom žice magnetiziraju feritne prstenove, od kojih svaki može pohraniti jedan bit podataka (magnetizirano - 1, demagnetizirano - 0).
Jay Forrester razvio je sustav u kojem su kontrolni signali za više jezgara poslani preko samo nekoliko žica. Godine 1951. puštena je memorija utemeljena na magnetskim jezgrama (izravan analog moderne memorije sa slučajnim pristupom). Kasnije je zauzeo svoje dobro mjesto na mnogim računalima, uključujući prve generacije glavnih računala iz DEC-a i IBM-a. U usporedbi s prethodnicima, nova vrsta memorije praktički nije imala nedostataka. Njegova pouzdanost bila je dovoljna za funkcioniranje u vojnim, pa čak i svemirskim brodovima. Nakon pada sustava Space Shuttle Challenger, koji je doveo do smrti sedam članova njegove posade, podaci ugrađenog računala zabilježeni u memoriji magnetskim jezgrama ostali su netaknuti i netaknuti.
Tehnologija se postupno poboljšavala. Feritne kuglice smanjivale su se u veličini, brzina rada povećavala se. Prvi uzorci djelovali su na frekvenciji od oko 1 MHz, vrijeme pristupa bilo je 60 000 ns - do sredine 70-ih palo je na 600 ns.
Draga, smanjila sam ti pamćenje
Sljedeći skok u razvoju računalne memorije dogodio se kad su izumljeni integrirani sklopovi i tranzistori. Industrija je krenula na put minijaturizirajućih komponenata povećavajući svoje performanse. Početkom 1970-ih, industrija poluvodiča savladala je proizvodnju visoko integrirane mikrocirke - deseci tisuća tranzistora sada se nalaze na relativno malom području. Pojavili su se memorijski čipovi kapaciteta 1 Kbit (1024 bita), mali čipovi za kalkulatore, pa čak i prvi mikroprocesori. Dogodila se prava revolucija.
Proizvođači memorija ovih su dana više zabrinuti za izgled svojih proizvoda - svi isti standardi i karakteristike unaprijed su određeni u povjerenstvima poput JEDEC-a.
Dr. Robert Dennard iz IBM-a dao je poseban doprinos razvoju primarne memorije. Razvio je prvi čip na bazi tranzistora i malog kondenzatora. 1970. tržište je potaknuo Intel (koji se pojavio samo dvije godine ranije) predstavljanjem 1Kb i1103 memorijskog čipa. Dvije godine kasnije, ovaj je proizvod postao najprodavaniji poluprovodnički memorijski čip na svijetu.
U danima prvog Apple Macintosha RAM blok zauzimao je ogromnu traku (na fotografiji iznad), dok glasnoća nije prelazila 64 KB.
Visoko integrirani mikro krugovi brzo su zamijenili starije vrste memorije. Prelaskom na sljedeću razinu razvoja, pozamašne mainframe ustupile su mjesto stolnim računalima. Glavna memorija u to vrijeme konačno je odvojena od sekundarne, poprimila je oblik zasebnih mikročipova kapaciteta 64, 128, 256, 512 Kbit, pa čak i 1 Mbit.
Konačno, primarni memorijski čipovi premješteni su s matičnih ploča u odvojene trake, što je uvelike olakšalo postavljanje i zamjenu neispravnih komponenti. Frekvencije su počele rasti, vrijeme pristupa smanjivalo se. Prvi sinkroni dinamički SDRAM čipovi pojavili su se 1993. godine, a predstavio ih je Samsung. Nova mikro kruga radila su na 100 MHz, vrijeme pristupa bilo je 10 ns.
Od tog trenutka počeo je pobjednički marš SDRAM-a, a do 2000. godine ova je vrsta sjećanja istisnula sve konkurente. Komisija JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) preuzela je definiciju standarda na tržištu RAM-a. Njeni sudionici oblikovali su specifikacije koje su ujednačene za sve proizvođače, odobrene frekvencije i električne karakteristike.
Daljnja evolucija nije toliko zanimljiva. Jedini značajniji događaj dogodio se 2000. godine, kada se na tržište pojavio DDR SDRAM standardni RAM. Omogutio je dvostruku propusnost konvencionalnog SDRAM-a i postavio pozornicu za budući rast. DDR je 2004. pratio standard DDR2, koji je i dalje najpopularniji.
Patentni trol
U modernom IT svijetu, fraza Patent Troll odnosi se na tvrtke koje zarađuju od tužbi. To motiviraju činjenicom da su druge tvrtke prekršile njihova autorska prava. Razvojni programer memorije Rambus u potpunosti se odnosi na ovu definiciju.
Od svog osnivanja 1990. godine, Rambus licencira svoju tehnologiju trećim stranama. Na primjer, njegovi kontroleri i memorijski čipovi mogu se naći u Nintendo 64 i PlayStation 2. Rambusov najbolji sat došao je 1996., kada je Intel sklopio sporazum s Intelom da koristi RDRAM i RIMM slotove u svojim proizvodima.
U početku je sve išlo po planu. Intel je imao na raspolaganju naprednu tehnologiju, a Rambus je bio zadovoljan partnerstvom s jednim od najvećih igrača u IT industriji. Nažalost, visoka cijena RDRAM modula i Intelovih čipseta stavila je kraj popularnosti platforme. Vodeći proizvođači matičnih ploča koristili su VIA čipsete i ploče s priključcima za redoviti SDRAM.
Rambus je shvatio da je u ovoj fazi izgubio tržište pamćenja i započeo svoju dugu igru s patentima. Prvo na što je naišla bio je svježi JEDEC-ov razvoj - DDR SDRAM memorija. Rambus ju je napao optužujući tvorce za kršenje autorskih prava. Tvrtka je neko vrijeme dobivala novčane honorare, ali sljedeći sudski postupak koji je uključivao Infineon, Micron i Hynix stavio je sve na svoje mjesto. Sud je priznao da tehnološki razvoj na polju DDR SDRAM-a i SDRAM-a ne pripada Rambusu.
Od tada, ukupni broj zahtjeva tvrtke Rambus protiv vodećih proizvođača RAM-a premašio je sve zamislive granice. A čini se da takav način života prilično dobro odgovara tvrtki.