In der Antike - vor fast 80 Jahren, zu Beginn der Computertechnologie - wurde der Speicher von Computergeräten normalerweise in drei Typen unterteilt. Primär, sekundär und extern. Jetzt verwendet niemand diese Terminologie, obwohl die Klassifikation selbst bis heute existiert. Nur der primäre Speicher wird jetzt als betriebsbereite, sekundär-interne Festplatte bezeichnet, und die externe Festplatte wird als alle Arten von optischen Festplatten und Flash-Laufwerken getarnt.
Bevor Sie eine Reise in die Vergangenheit beginnen, sollten Sie die obige Klassifizierung verstehen und verstehen, wofür jeder Speichertyp gedacht ist. Ein Computer repräsentiert Informationen in Form einer Folge von Bits - Binärziffern mit Werten von 1 oder 0. Die allgemein akzeptierte universelle Informationseinheit ist ein Byte, das normalerweise aus 8 Bits besteht. Alle vom Computer verwendeten Daten belegen eine bestimmte Anzahl von Bytes. Eine typische Musikdatei besteht beispielsweise aus 40 Millionen Bit - 5 Millionen Byte (oder 4,8 Megabyte). Der Zentralprozessor kann ohne ein elementares Speichergerät nicht funktionieren, da seine gesamte Arbeit auf das Empfangen, Verarbeiten und Zurückschreiben in den Speicher beschränkt ist. Aus diesem Grund hat der legendäre John von Neumann (wir haben seinen Namen mehr als einmal in einer Reihe von Artikeln über Mainframes erwähnt) eine eigenständige Struktur im Computer entwickelt.wo alle notwendigen Daten gespeichert würden.
Die interne Speicherklassifizierung unterteilt die Medien auch nach dem Geschwindigkeits- (und Energie-) Prinzip. Schneller Primärspeicher (Direktzugriff) wird heute verwendet, um wichtige Informationen zu speichern, auf die die CPU am häufigsten zugreift. Dies ist der Betriebssystemkern, ausführbare Dateien laufender Programme, Zwischenergebnisse von Berechnungen. Die Zugriffszeit ist minimal, nur wenige Nanosekunden.
Der Primärspeicher kommuniziert mit einem Controller, der sich entweder im Prozessor befindet (bei den neuesten CPU-Modellen) oder als separater Chip auf dem Motherboard (North Bridge). Der Preis für den Arbeitsspeicher ist relativ hoch, außerdem ist er volatil: Sie haben den Computer ausgeschaltet oder versehentlich das Netzkabel aus der Steckdose gezogen, und alle Informationen gingen verloren. Daher werden alle Dateien im Sekundärspeicher gespeichert - auf Festplattenplatten. Die Informationen hier werden nach einem Stromausfall nicht gelöscht und der Preis pro Megabyte ist sehr niedrig. Der einzige Nachteil von Festplatten ist die niedrige Reaktionsgeschwindigkeit, die bereits in Millisekunden gemessen wird.
Übrigens eine interessante Tatsache. Zu Beginn der Entwicklung von Computern wurde der Primärspeicher nicht vom Sekundärspeicher getrennt. Die Hauptverarbeitungseinheit war sehr langsam, und der Speicher ergab keinen Engpass. Online- und persistente Daten wurden in denselben Komponenten gespeichert. Später, als die Geschwindigkeit der Computer zunahm, erschienen neue Arten von Speichermedien.
Zurück in die Vergangenheit
Eine der Hauptkomponenten der ersten Computer waren elektromagnetische Schalter, die der berühmte amerikanische Wissenschaftler Joseph Henry 1835 entwickelte, als niemand von Computern träumte. Der einfache Mechanismus bestand aus einem mit Draht umwickelten Metallkern, beweglichen Eisenbeschlägen und einigen Kontakten. Henrys Entwicklung bildete die Grundlage für den elektrischen Telegraphen von Samuel Morse und Charles Whitstone.
Werbevideo:
Der erste auf Schaltern basierende Computer erschien 1939 in Deutschland. Ingenieur Konrad Süs hat damit die Systemlogik des Z2-Geräts erstellt. Leider lebte das Auto nicht lange und seine Pläne und Fotos gingen während der Bombardierung des Zweiten Weltkriegs verloren. Das nächste Computergerät Sius (unter dem Namen Z3) wurde 1941 veröffentlicht. Dies war der erste vom Programm gesteuerte Computer. Die Hauptfunktionen der Maschine wurden mit 2000 Schaltern realisiert. Konrad wollte das System auf modernere Komponenten übertragen, aber die Regierung schloss die Finanzierung, da sie glaubte, dass Sius 'Ideen keine Zukunft hatten. Wie sein Vorgänger wurde der Z3 bei den Bombenangriffen der Alliierten zerstört.
Elektromagnetische Schalter arbeiteten sehr langsam, aber die Entwicklung der Technologie blieb nicht stehen. Die zweite Art von Speicher für frühe Computersysteme waren Verzögerungsleitungen. Die Informationen wurden von elektrischen Impulsen übertragen, die in mechanische Wellen umgewandelt und mit niedriger Geschwindigkeit durch Quecksilber, einen piezoelektrischen Kristall oder eine magnetoresistive Spule bewegt wurden. Es gibt eine Welle - 1, es gibt keine Welle - 0. Hunderte und Tausende von Impulsen könnten pro Zeiteinheit durch das leitende Material wandern. Am Ende ihres Weges wurde jede Welle wieder in einen elektrischen Impuls umgewandelt und an den Anfang gesendet - hier ist die einfachste Aktualisierungsoperation für Sie.
Die Verzögerungsleitung wurde vom amerikanischen Ingenieur John Presper Eckert entwickelt. Der 1946 eingeführte EDVAC-Computer enthielt zwei Speicherblöcke mit 64 auf Quecksilber basierenden Verzögerungsleitungen (nach modernen Maßstäben 5,5 KB). Zu dieser Zeit war dies mehr als genug für die Arbeit. Sekundärspeicher war auch in EDVAC vorhanden - die Ergebnisse der Berechnungen wurden auf Magnetband aufgezeichnet. Ein anderes System, UNIVAC 1, das 1951 veröffentlicht wurde, verwendete 100 Blöcke basierend auf Verzögerungsleitungen und hatte ein komplexes Design mit vielen physischen Elementen zum Speichern von Daten.
Der Verzögerungsleitungsspeicher ähnelt eher der Hyperraum-Engine eines Raumschiffs. Es ist schwer vorstellbar, aber ein solcher Koloss kann nur wenige Daten speichern!
Bobeks Kinder
Zwei ziemlich bedeutende Erfindungen auf dem Gebiet der Datenträger blieben hinter den Kulissen unserer Forschung. Beide wurden von dem talentierten Bell Labs-Mitarbeiter Andrew Bobek durchgeführt. Die erste Entwicklung, der sogenannte Twistor-Speicher, könnte eine hervorragende Alternative zum Magnetkernspeicher sein. Letzteres wiederholte sie weitgehend, aber anstelle von Ferritringen zur Datenspeicherung verwendete sie Magnetband. Die Technologie hatte zwei wichtige Vorteile. Erstens könnte der Twistorspeicher gleichzeitig Informationen von einer Anzahl von Twistoren schreiben und lesen. Außerdem war es einfach, die automatische Produktion einzurichten. Bell Labs hoffte, dass dies den Preis für Twistor-Speicher erheblich senken und einen vielversprechenden Markt besetzen würde.
Die Entwicklung wurde von der US Air Force finanziert und das Gedächtnis sollte eine wichtige Funktionszelle der Nike Sentinel-Raketen werden. Leider dauerte die Arbeit an den Twistoren lange, und der auf Transistoren basierende Speicher trat in den Vordergrund. Eine Markterfassung fand nicht statt.
"Pech beim ersten Mal, so viel Glück beim zweiten", dachte Bell Labs. In den frühen 70er Jahren führte Andrew Bobek den nichtflüchtigen Blasenspeicher ein. Es basierte auf einem dünnen Magnetfilm, der kleine magnetisierte Bereiche (Blasen) enthielt, in denen Binärwerte gespeichert waren. Nach einiger Zeit erschien die erste kompakte Zelle mit einer Kapazität von 4096 Bit - ein Gerät mit einer Größe von einem Quadratzentimeter hatte die Kapazität eines ganzen Streifens mit Magnetkernen.
Viele Unternehmen interessierten sich für die Erfindung, und Mitte der 70er Jahre nahmen alle großen Marktteilnehmer die Entwicklung auf dem Gebiet des Blasenspeichers auf. Die nichtflüchtige Struktur machte Blasen zu einem idealen Ersatz für den Primär- und Sekundärspeicher. Aber auch hier haben sich die Pläne von Bell Labs nicht erfüllt - billige Festplatten und Transistorspeicher blockierten den Sauerstoff der Blasentechnologie.
Vakuum ist unser Alles
Ende der 40er Jahre wurde die Systemlogik von Computern auf Vakuumröhren umgestellt (sie sind auch elektronische Röhren oder thermionische Wellen). Zusammen mit ihnen erhielten Fernsehen, Tonwiedergabegeräte, analoge und digitale Computer neue Impulse in der Entwicklung.
Vakuumröhren haben in der Technologie bis heute überlebt. Sie sind besonders bei Audiophilen beliebt. Es wird angenommen, dass die auf Vakuumröhren basierende Verstärkungsschaltung in der Klangqualität die modernen Analoga übertrifft.
Unter dem mysteriösen Ausdruck "Vakuumröhre" ist ein ziemlich einfaches Element in der Struktur. Es ähnelt einer gewöhnlichen Glühlampe. Das Filament ist in einem luftlosen Raum eingeschlossen und emittiert beim Erhitzen Elektronen, die auf eine positiv geladene Metallplatte fallen. In der Lampe wird unter Spannung ein Elektronenstrom erzeugt. Die Vakuumröhre kann den durch sie fließenden Strom entweder durchlassen oder blockieren (Phasen 1 und 0) und als elektronische Komponente von Computern fungieren. Während des Betriebs werden die Vakuumröhren sehr heiß, sie müssen intensiv gekühlt werden. Aber sie sind viel schneller als antidiluvianische Schalter.
Der auf dieser Technologie basierende Primärspeicher erschien zwischen 1946 und 1947, als die Erfinder Freddie Williams und Tom Kilburn die Williams-Kilburn-Pfeife einführten. Die Datenspeichermethode war sehr genial. Unter bestimmten Bedingungen erschien ein Lichtpunkt auf der Röhre, der die besetzte Oberfläche leicht auflud. Der Bereich um den Punkt erhielt eine negative Ladung (es wurde als "Energiequelle" bezeichnet). Ein neuer Punkt könnte im "Brunnen" platziert oder unbeaufsichtigt bleiben - dann würde der ursprüngliche Punkt schnell verschwinden. Diese Transformationen wurden vom Speichercontroller als binäre Phasen 1 und 0 interpretiert. Die Technologie war sehr beliebt. Der Williams-Kilburn-Röhrenspeicher wurde in Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 und SWAC-Computern (Standards Western Automatic Computer) installiert.
Parallel dazu entwickelten Ingenieure der Radio Corporation of America unter der Leitung des Wissenschaftlers Vladimir Zvorykin eine eigene Röhre namens Selectron. Nach der Idee der Autoren sollte das Selektron bis zu 4096 Informationsbits enthalten, viermal mehr als die Williams-Kilburn-Röhre. Es wurde geschätzt, dass bis Ende 1946 etwa 200 Selektronen produziert werden würden, aber die Produktion erwies sich als sehr teuer.
Bis zum Frühjahr 1948 veröffentlichte die Radio Corporation of America kein einziges Selectron, aber die Arbeit an dem Konzept wurde fortgesetzt. Die Ingenieure haben die Röhre neu gestaltet und eine kleinere 256-Bit-Version ist jetzt verfügbar. Mini-Selectrons waren schneller und zuverlässiger als Williams-Kilburn-Röhren, kosteten jedoch 500 USD pro Stück. Und das ist in Massenproduktion! Den Selectrons gelang es jedoch, in die Rechenmaschine einzudringen - 1953 veröffentlichte die Firma RAND einen Computer unter dem lustigen Namen JOHNNIAC (zu Ehren von John von Neumann). Im System wurden reduzierte 256-Bit-Selectrons installiert, und der Gesamtspeicher betrug 32 Byte.
Einige Computer der damaligen Zeit verwendeten neben Vakuumröhren Trommelspeicher, die 1939 von Gustav Tauscek erfunden wurden. Das einfache Design umfasste einen großen Metallzylinder, der mit einer ferromagnetischen Legierung beschichtet war. Die Leseköpfe bewegten sich im Gegensatz zu modernen Festplatten nicht über die Zylinderoberfläche. Der Speichercontroller wartete darauf, dass die Informationen von selbst unter die Köpfe gelangen. Der Trommelspeicher wurde im Atanasov-Berry-Computer und einigen anderen Systemen verwendet. Leider war die Leistung sehr gering.
Der Selektron war nicht dazu bestimmt, den Computermarkt zu erobern - Ordentlich aussehende elektronische Komponenten haben sich im Mülleimer der Geschichte immer wieder verstaubt. Und das trotz der hervorragenden technischen Eigenschaften.
Moderne Tendenzen
Derzeit wird der Primärspeichermarkt vom DDR-Standard beherrscht. Genauer gesagt, seine zweite Generation. Der Übergang zu DDR3 wird sehr bald stattfinden - es bleibt abzuwarten, bis preiswerte Chipsätze erscheinen, die den neuen Standard unterstützen. Die weit verbreitete Standardisierung machte das Speichersegment zu langweilig, um es zu beschreiben. Die Hersteller haben aufgehört, neue, einzigartige Produkte zu erfinden. Bei allen Arbeiten geht es darum, die Betriebsfrequenz zu erhöhen und ein ausgeklügeltes Kühlsystem zu installieren.
Die technologische Stagnation und die schüchternen Entwicklungsschritte werden fortgesetzt, bis die Hersteller die Grenzen der Fähigkeiten von Silizium erreichen (aus denen integrierte Schaltkreise hergestellt werden). Schließlich kann die Arbeitsfrequenz nicht auf unbestimmte Zeit erhöht werden.
Hier gibt es jedoch einen Haken. Die Leistung der vorhandenen DDR2-Chips ist für die meisten Computeranwendungen ausreichend (komplexe wissenschaftliche Programme zählen nicht). Die Installation von DDR3-Modulen mit 1066 MHz und höher führt nicht zu einer spürbaren Geschwindigkeitssteigerung.
Star Trek in die Zukunft
Der Hauptnachteil des Speichers und aller anderen auf Vakuumröhren basierenden Komponenten war die Wärmeerzeugung. Die Rohre mussten mit Heizkörpern, Luft und sogar Wasser gekühlt werden. Darüber hinaus verkürzte eine konstante Erwärmung die Betriebszeit erheblich - die Röhren verschlechterten sich auf natürlichste Weise. Am Ende ihrer Lebensdauer mussten sie ständig angepasst und schließlich geändert werden. Können Sie sich vorstellen, wie viel Aufwand und Geld die Wartung von Computersystemen gekostet hat ?!
Seltsame Textur auf dem Foto - es ist ein magnetischer Kernspeicher. Hier ist eine visuelle Struktur eines der Arrays mit Drähten und Ferritringen. Können Sie sich vorstellen, wie viel Zeit Sie aufwenden mussten, um ein nicht funktionierendes Modul unter ihnen zu finden?
Dann kam die Zeit der Arrays mit eng beieinander liegenden Ferritringen - eine Erfindung der amerikanischen Physiker An Wang und Wei-Dong Wu, die von Studenten unter der Leitung von Jay Forrester vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) modifiziert wurde. Verbindungsdrähte verliefen in einem Winkel von 45 Grad durch die Mitte der Ringe (vier für jeden Ring in frühen Systemen, zwei in fortgeschritteneren Systemen). Unter Spannung magnetisierten die Drähte Ferritringe, von denen jeder ein Datenbit speichern konnte (magnetisiert - 1, entmagnetisiert - 0).
Jay Forrester entwickelte ein System, bei dem die Steuersignale für mehrere Kerne über nur wenige Drähte gesendet wurden. 1951 wurde ein auf Magnetkernen basierender Speicher (ein direktes Analogon des modernen Direktzugriffsspeichers) veröffentlicht. Später nahm es seinen rechtmäßigen Platz in vielen Computern ein, einschließlich der ersten Generation von Mainframes von DEC und IBM. Im Vergleich zu seinen Vorgängern hatte der neue Speichertyp praktisch keine Nachteile. Seine Zuverlässigkeit war ausreichend, um in militärischen und sogar Raumfahrzeugen zu funktionieren. Nach dem Absturz des Challenger-Shuttles, bei dem sieben Besatzungsmitglieder ums Leben kamen, blieben die im Speicher mit Magnetkernen aufgezeichneten Daten des Bordcomputers intakt und intakt.
Die Technologie wurde schrittweise verbessert. Die Ferritperlen nahmen an Größe ab, die Arbeitsgeschwindigkeit nahm zu. Die ersten Proben wurden mit einer Frequenz von etwa 1 MHz betrieben, die Zugriffszeit betrug 60.000 ns - Mitte der 70er Jahre war sie auf 600 ns gesunken.
Liebling, ich habe unser Gedächtnis reduziert
Der nächste Fortschritt in der Entwicklung des Computerspeichers kam, als integrierte Schaltkreise und Transistoren erfunden wurden. Die Industrie hat den Weg eingeschlagen, Komponenten zu miniaturisieren und gleichzeitig ihre Leistung zu steigern. In den frühen 1970er Jahren beherrschte die Halbleiterindustrie die Herstellung hochintegrierter Mikroschaltungen - Zehntausende von Transistoren passen jetzt auf eine relativ kleine Fläche. Es erschienen Speicherchips mit einer Kapazität von 1 Kbit (1024 Bit), kleine Chips für Taschenrechner und sogar die ersten Mikroprozessoren. Eine echte Revolution ist passiert.
Speicherhersteller sind heutzutage mehr mit dem Aussehen ihrer Produkte beschäftigt - Dieselben Standards und Eigenschaften sind in Aufträgen wie JEDEC vorgegeben.
Dr. Robert Dennard von IBM hat einen besonderen Beitrag zur Entwicklung des Primärspeichers geleistet. Er entwickelte den ersten Chip auf Basis eines Transistors und eines kleinen Kondensators. 1970 wurde der Markt von Intel (das erst zwei Jahre zuvor erschienen war) mit der Einführung des 1-KB-i1103-Speicherchips beflügelt. Zwei Jahre später wurde dieses Produkt zum weltweit meistverkauften Halbleiterspeicherchip.
In den Tagen des ersten Apple Macintosh belegte der RAM-Block einen riesigen Balken (auf dem Foto oben), während das Volumen 64 KB nicht überschritt.
Hochintegrierte Mikroschaltungen ersetzten schnell ältere Speichertypen. Mit dem Übergang zur nächsten Entwicklungsstufe sind sperrige Mainframes Desktop-Computern gewichen. Der damalige Hauptspeicher wurde schließlich vom sekundären getrennt, er bestand aus separaten Mikrochips mit einer Kapazität von 64, 128, 256, 512 Kbit und sogar 1 Mbit.
Schließlich wurden die primären Speicherchips von Motherboards auf separate Streifen verschoben, was die Installation und den Austausch fehlerhafter Komponenten erheblich erleichterte. Die Frequenzen begannen zu steigen, die Zugriffszeiten verkürzten sich. Die ersten synchronen dynamischen SDRAM-Chips wurden 1993 von Samsung eingeführt. Neue Mikroschaltungen arbeiteten mit 100 MHz, die Zugriffszeit betrug 10 ns.
Von diesem Moment an begann der siegreiche Marsch des SDRAM, und bis zum Jahr 2000 hatte diese Art der Erinnerung alle Konkurrenten verdrängt. Die JEDEC-Kommission (Joint Electron Device Engineering Council) übernahm die Definition von Standards auf dem RAM-Markt. Die Teilnehmer haben Spezifikationen erstellt, die für alle Hersteller, die genehmigte Frequenz und die elektrischen Eigenschaften einheitlich sind.
Die weitere Entwicklung ist nicht so interessant. Das einzige bedeutende Ereignis fand im Jahr 2000 statt, als DDR SDRAM Standard RAM auf den Markt kam. Es bot die doppelte Bandbreite eines herkömmlichen SDRAM und bereitete die Voraussetzungen für zukünftiges Wachstum. Auf DDR folgte 2004 der nach wie vor beliebteste DDR2-Standard.
Patenttroll
In der modernen IT-Welt bezieht sich der Begriff Patent Troll auf Unternehmen, die mit Klagen Geld verdienen. Sie begründen dies damit, dass andere Unternehmen ihr Urheberrecht verletzt haben. Der Rambus-Speicherentwickler fällt vollständig unter diese Definition.
Seit seiner Gründung im Jahr 1990 hat Rambus seine Technologie an Dritte lizenziert. Zum Beispiel sind seine Controller und Speicherchips in Nintendo 64 und PlayStation 2 zu finden. Rambus 'beste Stunde war 1996, als Intel mit Intel eine Vereinbarung über die Verwendung von RDRAM- und RIMM-Steckplätzen in seinen Produkten abschloss.
Anfangs verlief alles nach Plan. Intel verfügte über fortschrittliche Technologie, und Rambus gab sich mit einer Partnerschaft mit einem der größten Akteure der IT-Branche zufrieden. Leider hat der hohe Preis für RDRAM-Module und Intel-Chipsätze der Popularität der Plattform ein Ende gesetzt. Führende Motherboard-Hersteller verwendeten VIA-Chipsätze und -Karten mit Anschlüssen für reguläres SDRAM.
Rambus erkannte, dass es zu diesem Zeitpunkt den Speichermarkt verlor und begann sein langes Spiel mit Patenten. Das erste, was ihr begegnete, war eine neue JEDEC-Entwicklung - DDR SDRAM-Speicher. Rambus griff sie an und beschuldigte die Urheber der Urheberrechtsverletzung. Für einige Zeit erhielt das Unternehmen Bargeldgebühren, aber der nächste Rechtsstreit mit Infineon, Micron und Hynix setzte alles an seine Stelle. Das Gericht räumte ein, dass die technologischen Entwicklungen im Bereich DDR SDRAM und SDRAM nicht zu Rambus gehören.
Seitdem hat die Gesamtzahl der Ansprüche von Rambus gegen führende RAM-Hersteller alle denkbaren Grenzen überschritten. Und es scheint, dass diese Lebensweise recht gut zum Unternehmen passt.
