Електромагнітні реле стояли в найперших комп'ютерах, а їхнє життя на ринку автоматизованих обчислень була недовгою. Однак видозмінені котушки використовують в техніці і по сей день.

У стародревние часи - справа була майже 80 років тому, на зорі становлення обчислювальної техніки - пам'ять обчислювальних пристроїв було прийнято ділити на три типи. На первинну, вторинну і зовнішню. Зараз цією термінологією вже ніхто не користується, хоча сама класифікація існує і до цього дня. Тільки первинну пам'ять тепер називають оперативної, вторинну - внутрішніми жорсткими дисками, ну а зовнішня маскується під всілякі оптичні диски і флеш-накопичувачі.

Перш ніж почати подорож в минуле, давайте розберемося в означеній вище класифікації і зрозуміємо, для чого потрібен кожен з типів пам'яті. Комп'ютер являє інформацію у вигляді послідовності біт - довічних цифр зі значеннями 1 або 0. Загальноприйнятою універсальною одиницею інформації вважають байт, як правило, складається з 8 біт. Всі використовувані комп'ютером дані займають кілька байт. Наприклад, типовий музичний файл займає 40 мільйонів біт - 5 мільйонів байт (або 4,8 мегабайта). Центральний процесор не зможе функціонувати без елементарного пристрою, що запам'ятовує, адже вся його робота зводиться до отримання, обробки та запису назад в пам'ять. Саме тому легендарний Джон фон Нейман (ми не раз згадували його ім'я в циклі статей про мейнфрейми) придумав розміщувати всередині комп'ютера незалежну структуру, де зберігалися б всі необхідні дані.

Класифікація внутрішньої пам'яті розділяє носії ще й зі швидкісного (і енергетичного) принципом. Швидка первинна (оперативна) пам'ять в наш час використовується для зберігання критичної інформації, до якої ЦП звертається найчастіше. Це ядро ​​операційної системи, виконувані файли запущених програм, проміжні результати обчислень. Час доступу - мінімально, всього кілька наносекунд.

Первинна пам'ять спілкується з контролером, розміщеним або всередині процесора (у останніх моделей ЦП), або у вигляді окремої мікросхеми на материнській платі (північний міст). Ціна на оперативку відносно висока, до того ж вона енергозалежна: вимкнули комп'ютер або випадково висмикнули шнур з розетки - і вся інформація загубилася. Тому всі файли зберігаються у вторинній пам'яті - на пластинах жорстких дисків. Інформація тут не стирається після відключення живлення, а ціна за мегабайт дуже низька. Єдиний недолік вінчестерів - низька швидкість реакції, вона вимірюється вже в мілісекундах.

До речі, цікавий факт. На зорі розвитку комп'ютерів первинну пам'ять не відокремлювали від вторинної. Головний обчислювальний блок був дуже повільним, і пам'ять не давала ефект пляшкового горла. Оперативні і постійні дані зберігалися в одних і тих же компонентах. Пізніше, коли швидкість комп'ютерів підросла, з'явилися нові типи носіїв інформації.

Назад у минуле

Комп'ютер Bendix G15 з барабанної пам'яттю. Оператор в костюмі додається.

Одним з основних компонентів перших комп'ютерів були електромагнітні перемикачі, розроблені відомим американським вченим Джозефом Хенрі ще в 1835 році, коли ні про які комп'ютери ніхто навіть не думав. Простий механізм складався з обплутаний проводом металевого сердечника, рухомий залізної арматури і декількох контактів. Розробка Хенрі лягла в основу електричного телеграфу Семюеля Морзе і Чарльза Вітстоуна.

Перший комп'ютер, побудований на перемикачах, з'явився в Німеччині в 1939 році. Інженер Конрад Зюс використовував їх при створенні системної логіки пристрою Z2. На жаль, прожила машина недовго, а її плани і фотографії були загублені під час бомбардувань Другої світової війни. Наступне обчислювальний пристрій Зюса (під ім'ям Z3) побачило світ у 1941 році. Це був перший комп'ютер, керований програмою. Основні функції машини реалізовувалися за допомогою 2000 перемикачів. Конрад збирався перевести систему на більш сучасні компоненти, але уряд прикрив фінансування, вважаючи, що ідеї Зюса не мають майбутнього. Як і її попередниця, Z3 була знищена під час бомбардувань союзників.

Електромагнітні перемикачі працювали дуже повільно, але розвиток технологій не стояло на місці. Другим типом пам'яті для ранніх комп'ютерних систем стали лінії затримки. Інформацію несли електричні імпульси, які перетворювалися в механічні хвилі і на низькій швидкості переміщалися через ртуть, пьезоелектронний кристал або магніторезистивну котушку. Є хвиля - 1, немає хвилі - 0. В одиницю часу по проводить матеріалу могли подорожувати сотні і тисячі імпульсів. По завершенні свого шляху кожна хвиля трансформувалася назад в електричний імпульс і відсилалася в початок - ось вам і найпростіша операція оновлення.

Лінії затримки розробив американський інженер Джон Преспер Екерт. Комп'ютер EDVAC, представлений в 1946 році, містив два блоки пам'яті по 64 лінії затримки на основі ртуті (5,5 КБ за сучасними мірками). На той момент цього було більш ніж достатньо для роботи. Вторинна пам'ять також була присутня в EDVAC - результати обчислень записувалися на магнітну плівку. Інша система, UNIVAC 1, що побачила світ у 1951 році, використовувала 100 блоків на основі ліній затримки, а для збереження даних у неї була складна конструкція з безліччю фізичних елементів.

Блок пам'яті на основі ліній затримки більше схожий на гіперпросторовий двигун космічного корабля. Складно уявити, але подібна махина могла зберегти лише кілька біт даних!

діти Бобек

За кадром нашого дослідження залишилося два досить значущих винаходи в області носіїв даних. Обидва зробив талановитий співробітник Bell Labs Ендрю Бобек. Перша розробка - так звана твісторная пам'ять - могла стати прекрасною альтернативою пам'яті на основі магнітних сердечників. Вона багато в чому повторювала останню, але замість феритових кілець для зберігання даних використовувала магнітну плівку. У технології були дві важливі переваги. По-перше, твісторная пам'ять могла одночасно записувати і зчитувати інформацію з цілого ряду твістор. Плюс до цього, було легко налагодити її автоматичне виробництво. Керівництво Bell Labs сподівалося, що це дозволить істотно знизити ціну твісторной пам'яті і зайняти перспективний ринок. Розробку фінансували ВВС США, а пам'ять повинна була стати важливою функціональною осередком ракет Nike Sentinel. На жаль, робота над твістор затягнулася, а на перший план вийшла пам'ять на основі транзисторів. Захоплення ринку не відбувся.

«Не пощастило в перший раз, так пощастить у другій», - подумали в Bell Labs. На початку 70-х років Ендрю Бобек представив незалежну бульбашкову пам'ять. В її основі лежала тонка магнітна плівка, яка утримувала невеликі намагнічені області (бульбашки), що зберігають двійкові значення. Через якийсь час з'явилася перша компактна осередок ємністю 4096 біт - пристрій розміром один квадратний сантиметр мало ємністю цілої планки з магнітними сердечниками.

Винаходом зацікавилися багато компаній, і в середині 70-х розробками в області бульбашкового пам'яті зайнялися всі великі гравці ринку. Незалежна структура робила бульбашки ідеальною заміною як первинної, так і вторинної пам'яті. Але і тут планам Bell Labs не вдалося збутися - дешеві вінчестери і транзисторная пам'ять перекрили кисень бульбашкового технології.

Вакуум - наше все

Вакуумні трубки збереглися в техніці і по сей день. Особливою любов'ю вони користуються серед аудиофилов. Вважається, що підсилювальний тракт на основі вакуумних трубок за якістю звуку на голову вище сучасних аналогів.

До кінця 40-х років системна логіка комп'ютерів переїхала на вакуумні трубки (вони ж електронні трубки або Терміон шахти). Разом з ними новий поштовх у розвитку отримали телебачення, пристрої для відтворення звуку, аналогові і цифрові комп'ютери.

Під загадковою словосполученням «вакуумна трубка» ховається досить простий за будовою елемент. Він нагадує звичайну лампу розжарювання. Нитка укладена в безповітряний простір, при нагріванні вона випускає електрони, які потрапляють на позитивно заряджену металеву пластину. Всередині лампи під напругою утворюється потік електронів. Вакуумна трубка вміє або пропускати, або блокувати (фази 1 і 0) проходить через неї струм, виступаючи в ролі електронного компонента комп'ютерів. Під час роботи вакуумні трубки сильно нагріваються, їх треба інтенсивно охолоджувати. Зате вони набагато швидше, ніж допотопні перемикачі.

Первинна пам'ять на основі цієї технології з'явилася в 1946-1947 роки, коли винахідники Фредді Вільямс і Том Кілберн представили трубку Вільямса - Кілберн. Метод збереження даних був дуже дотепним. На трубці при певних умовах з'являлася світлова точка, яка злегка заряджала займану поверхню. Зона навколо точки набувала негативний заряд (її називали «енергетичним колодязем»). У «колодязь» можна було помістити нову точку або залишити його без уваги - тоді первісна точка швидко зникала. Ці перетворення тлумачилися контролером пам'яті як виконавчі фази 1 і 0. Технологія була дуже популярна. Пам'ять на трубках Вільямса - Кілберн встановлювали в комп'ютери Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 і Standards Western Automatic Computer (SWAC).

Паралельно свою трубку, іменовану Селектрон, розробляли інженери з компанії Radio Corporation of America під керуванням вченого Володимира Зворикіна. За задумом авторів Селектрон повинен був вміщати до 4096 біт інформації, що в чотири рази більше, ніж у трубки Вільямса - Кілберн. Передбачалося, що до кінця 1946 року вироблено близько 200 СЕЛЕКТРОН, але виробництво виявилося дуже дорогим.

Аж до весни 1948 го Radio Corporation of America не випустять жодного СЕЛЕКТРОН, але робота над концептом тривала. Інженери змінили дизайн трубки, і в продажу з'явилася зменшена її версія ємністю 256 біт. Міні-СЕЛЕКТРОН були швидше і надійніше трубок Вільямса - Кілберн, але коштували по $ 500 за штуку. І це при масовому виробництві! СЕЛЕКТРОН, однак, вдалося потрапити в обчислювальну машину - в 1953 році компанія RAND випустила комп'ютер під кумедною назвою JOHNNIAC (в честь Джона фон Неймана). В системі були встановлені зменшені 256-бітові СЕЛЕКТРОН, а загальний обсяг пам'яті становив 32 байта.

Нарівні з вакуумними трубками в деяких комп'ютерах того часу використовувалася барабанна пам'ять, винайдена Густавом Таусчеком в 1939 році. Проста конструкція включала великий металевий циліндр, покритий сплавом з феромагнетика. Зчитувальні головки, на відміну від сучасних вінчестерів, не транспортувалися по поверхні циліндра. Контролер пам'яті чекав, поки інформація самостійно пройде під головками. Барабанна пам'ять використовувалася в комп'ютері Атанасова - Беррі і деяких інших системах. На жаль, її продуктивність була дуже низькою.

СЕЛЕКТРОН не було судилося завоювати ринок обчислювальних машин - охайні на вигляд електронні компоненти так і залишилися порошитися на звалищі історії. І це не дивлячись на видатні технічні характеристики.

сучасні тенденції

В даний момент ринком первинної пам'яті править стандарт DDR. Точніше, друге його покоління. Перехід на DDR3 відбудеться вже зовсім скоро - залишилося дочекатися появи недорогих чіпсетів з підтримкою нового стандарту. Повсюдна стандартизація зробила сегмент пам'яті занадто нудним для опису. Виробники перестали винаходити нові, унікальні продукти. Увесь труд зводяться до збільшення робочої частоти та встановлення навороченій системи охолодження.

Технологічний застій і боязкі еволюційні кроки продовжуватимуться до тих пір, поки виробники не доберуться до межі можливостей кремнію (саме з нього виготовляють інтегровані мікросхеми). Адже частоту роботи не можна підвищувати нескінченно.

Правда, тут криється один підступ. Продуктивності існуючих чіпів DDR2 досить для більшості комп'ютерних програм (складні наукові програми не береться до уваги). Установка модулів DDR3, що працюють на частоті 1066 МГц і вище, не веде до відчутного приросту швидкості.

Зоряний шлях в майбутнє

Дивна текстура на фотографії - це пам'ять на основі магнітних сердечників. Перед вами наочна структура одного з масивів з проводами і феритовими кільцями. Уявляєте, скільки часу доводилося витратити, щоб знайти серед них неробочий модуль?

Головним недоліком пам'яті, та й усіх інших компонентів на основі вакуумних трубок було тепловиділення. Трубки доводилося охолоджувати за допомогою радіаторів, повітря і навіть води. До того ж постійний нагрів істотно зменшував час роботи - трубки самим натуральним чином деградували. Під кінець терміну експлуатації їх доводилося постійно налаштовувати і в кінцевому підсумку міняти. Можете уявити, скількох зусиль і коштів варто було сервісне обслуговування обчислювальних систем ?!

Потім настав час масивів з близько розташованими феритовими кільцями - винахід американських фізиків Ен Венг і Вей-Донг Ву, доопрацьоване студентами під керуванням Джея Форрестера з Массачусетського технологічного університету (MIT). Через центри кілець під кутом 45 градусів проходили з'єднувальні дроти (по чотири на кожне кільце в ранніх системах, по два в більш досконалих). Під напругою дроти намагнічували ферритові кільця, кожне з яких могло зберегти один біт даних (намагнічене - 1, розмагнічена - 0).

Джей Форрестер розробив систему, при якій керуючі сигнали для численних сердечників йшли всього за кількома проводам. У 1951 році вийшла пам'ять на основі магнітних сердечників (прямий аналог сучасної оперативної пам'яті). Надалі вона зайняла гідне місце у багатьох комп'ютерах, включаючи перші покоління мейнфреймів компаній DEC і IBM. У порівнянні з попередниками у нового типу пам'яті практично були відсутні недоліки. Її надійності вистачало для функціонування в військових і навіть космічних апаратах. Після краху шаттла "Челленджер", яке призвело до смерті семи членів його екіпажу, дані бортового комп'ютера, записані в пам'яті з магнітними сердечниками, залишилися в повній цілості й схоронності.

Технологію поступово вдосконалювали. Феритові кільця зменшувалися в розмірах, швидкість роботи росла. Перші зразки функціонували на частоті близько 1 МГц, час доступу складає 60 000 нс - до середини 70-х років воно скоротилося до 600 нс.

Дорога, я зменшив нашу пам'ять

Виробники пам'яті в наш час більше піклуються про зовнішній вигляд своїх продуктів - все одно стандарти і характеристики заздалегідь визначені в комісіях на кшталт JEDEC.

Наступний стрибок у розвитку комп'ютерної пам'яті стався, коли були придумані інтегральні мікросхеми і транзистори. Індустрія пішла по шляху мініатюризації компонентів з одночасним підвищенням їх продуктивності. На початку 1970-х напівпровідникова промисловість освоїла випуск мікросхем високого ступеня інтеграції - на порівняно малій площі тепер вміщалися десятки тисяч транзисторів. З'явилися мікросхеми пам'яті ємністю 1 Кбіт (1024 біт), невеликі чіпи для калькуляторів і навіть перші мікропроцесори. Сталася справжня революція.

Особливий внесок в розвиток первинної пам'яті вніс доктор Роберт Деннард, співробітник компанії IBM. Він розробив перший чіп на транзисторі і невеликому конденсаторі. У 1970 році ринок підстьобнула компанія Intel (яка з'явилася лише на два роки раніше), представивши чіп пам'яті i1103 ємністю 1 Кбіт. Через два роки цей продукт став найбільш продаваним напівпровідникових чіпом пам'яті в світі.

За часів перших Apple Macintosh блок оперативної пам'яті займав величезну планку (на фото зверху), тоді як обсяг не перевищував 64 Кб.

Мікросхеми високого ступеня інтеграції швидко витіснили старі типи пам'яті. З переходом на наступний рівень розвитку громіздкі мейнфрейми поступилися місцем настільним комп'ютерам. Основна пам'ять в той час остаточно відокремилася від вторинної, оформилася у вигляді окремих мікрочіпів ємністю 64, 128, 256, 512 Кбіт і навіть 1 Мбіт.

Нарешті, мікросхеми первинної пам'яті переїхали з материнських плат на окремі планки, це сильно полегшило установку і заміну несправних компонентів. Частоти почали рости, час доступу зменшуватися. Перші синхронні динамічні чіпи SDRAM з'явилися в 1993 році, їх представила компанія Samsung. Нові мікросхеми працювали на частоті 100 МГц, час доступу дорівнювало 10 нс.

З цього моменту Почалося Переможне Хід SDRAM, а до 2000 року цею тип пам'яті вітіснів всех конкурентів. Ухвали стандартів на Сайти Вся оперативки зайнять комісія JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). Її учасники сформували специфікації, єдині для всіх виробників, затвердили частотні і електричні характеристики.

Подальша еволюція не так цікава. Єдине видатна подія сталася в 2000 році, коли на ринку з'явилася оперативна пам'ять стандарту DDR ​​SDRAM. Вона забезпечила подвоєну (в порівнянні зі звичайною SDRAM) пропускну здатність і створила заділ для майбутнього зростання. Слідом за DDR в 2004 році з'явився стандарт DDR2, який до цих пір користується найбільшою популярністю.

Patent Troll

У сучасному IT-світі фразою Patent Troll (патентний троль) називають фірми, які заробляють гроші на судових позовах. Вони мотивують це тим, що інші компанії порушили їхні авторські права. Цілком і повністю під це визначення потрапляє розробник пам'яті Rambus.

З моменту заснування в 1990 році Rambus займалася ліцензуванням своїх технологій стороннім компаніям. Наприклад, її контролери і мікросхеми пам'яті можна знайти в приставках Nintendo 64 і PlayStation 2. Зірковий час Rambus настав в 1996 році, коли Intel уклала з нею угоду на використання в своїх продуктах пам'яті RDRAM і роз'ємів RIMM.

Спочатку все йшло за планом. Intel отримала в своє розпорядження просунуту технологію, а Rambus задовольнялася партнерством з одним з найбільших гравців IT-індустрії. На жаль, висока ціна модулів RDRAM і чіпсетів Intel поставили хрест на популярності платформи. Провідні виробники материнських плат використовували чіпсети VIA і плати з роз'ємами під звичайну SDRAM.

Rambus зрозуміла, що на цьому етапі вона програла ринок пам'яті, і почала свої затяжні гри з патентами. Насамперед їй під руку попалася свіжа розробка JEDEC - пам'ять стандарту DDR ​​SDRAM. Rambus накинулася на неї, звинувативши творців в порушенні авторських прав. Протягом деякого часу компанія отримувала грошові відрахування, проте вже наступне судовий розгляд за участю Infineon, Micron і Hynix розставив все по своїх місцях. Суд визнав, що технологічні напрацювання в області DDR SDRAM і SDRAM не належать Rambus.

З тих пір загальна кількість позовів з боку Rambus до провідних виробників оперативки перевищило всі мислимі межі. І, схоже, такий спосіб життя компанію цілком влаштовує.