Ve starověku - před téměř 80 lety, na úsvitu výpočetní techniky - byla paměť výpočetních zařízení obvykle rozdělena do tří typů. Primární, sekundární a externí. Nyní nikdo nepoužívá tuto terminologii, ačkoli klasifikace sama o sobě existuje dodnes. Pouze primární paměť se nyní nazývá operační, sekundární - interní pevné disky a externí je maskována jako všechny druhy optických disků a flash disků.
Před zahájením cesty do minulosti pochopíme výše uvedenou klasifikaci a pochopíme, k čemu jsou jednotlivé typy paměti. Počítač představuje informaci ve formě posloupnosti bitů - binárních číslic s hodnotami 1 nebo 0. Obecně přijímanou univerzální jednotkou informace je bajt, obvykle sestávající z 8 bitů. Všechna data použitá počítačem zabírají určitý počet bajtů. Například typický hudební soubor má 40 milionů bitů - 5 milionů bytů (nebo 4,8 megabajtů). Centrální procesor nemůže fungovat bez zařízení se základní pamětí, protože veškerá jeho práce je omezena na příjem, zpracování a zápis zpět do paměti. Proto legendární John von Neumann (my jsme zmínili jeho jméno více než jednou v sérii článků o mainframe) přišel s nezávislou strukturou uvnitř počítače,kde by byla uložena všechna potřebná data.
Klasifikace interní paměti také dělí média podle principu rychlosti (a energie). Rychlá primární (náhodný přístup) paměť se dnes používá k ukládání kritických informací, k nimž CPU přistupuje nejčastěji. Toto je jádro operačního systému, spustitelné soubory běžících programů, průběžné výsledky výpočtů. Přístupový čas je minimální, jen pár nanosekund.
Primární paměť komunikuje s řadičem umístěným uvnitř procesoru (v nejnovějších modelech CPU), nebo jako samostatný čip na základní desce (severní most). Cena paměti RAM je relativně vysoká, kromě toho je nestálá: vypnul počítač nebo náhodně vytáhl napájecí kabel ze zásuvky - a všechny informace byly ztraceny. Proto jsou všechny soubory ukládány v sekundární paměti - na talíři pevného disku. Informace zde nejsou po výpadku proudu vymazány a cena za megabajt je velmi nízká. Jedinou nevýhodou pevných disků je nízká reakční rychlost, která se měří již v milisekundách.
Mimochodem, zajímavý fakt. Na úsvitu vývoje počítačů nebyla primární paměť oddělena od sekundární paměti. Hlavní procesorová jednotka byla velmi pomalá a paměť nedala problémový efekt. Online a trvalá data byla uložena ve stejných komponentách. Později, když se zvýšila rychlost počítačů, se objevily nové typy paměťových médií.
Zpět do minulosti
Jednou z hlavních součástí prvních počítačů byly elektromagnetické spínače, které vyvinul slavný americký vědec Joseph Henry v roce 1835, když o žádném počítači nikdo ani nesnil. Jednoduchý mechanismus sestával z kovového jádra obaleného drátem, pohyblivých železných tvarovek a několika kontaktů. Henryův vývoj tvořil základ pro elektrický telegraf Samuela Morse a Charlese Whitstona.
Propagační video:
První počítač založený na přepínačích se objevil v Německu v roce 1939. Inženýr Konrad Süs je použil k vytvoření systémové logiky zařízení Z2. Auto bohužel nežilo dlouho a jeho plány a fotografie byly ztraceny během bombardování druhé světové války. Další výpočetní zařízení Sius (pod názvem Z3) bylo vydáno v roce 1941. Byl to první počítač ovládaný programem. Hlavní funkce stroje byly realizovány s 2000 přepínači. Konrad se chystal přenést systém na modernější komponenty, ale vláda uzavřela financování a věřila, že Siusovy myšlenky nemají budoucnost. Stejně jako jeho předchůdce byl Z3 zničen během spojeneckých bombových útoků.
Elektromagnetické spínače fungovaly velmi pomalu, ale vývoj technologie nestál. Druhým typem paměti pro rané počítačové systémy byly řádky zpoždění. Informace byla přenášena elektrickými impulsy, které byly převedeny na mechanické vlny a při nízké rychlosti se pohybovaly rtutí, piezoelektrickým krystalem nebo magnetorezistivní cívkou. Je zde vlna - 1, není žádná vlna - 0. Stovky a tisíce impulsů by mohly projít vodivým materiálem za jednotku času. Na konci své cesty byla každá vlna přeměněna zpět na elektrický impuls a odeslána na začátek - tady je pro vás ta nejjednodušší aktualizace.
Linku zpoždění vyvinul americký inženýr John Presper Eckert. Počítač EDVAC, představený v roce 1946, obsahoval dva paměťové bloky se 64 řádky zpoždění založenými na rtuti (5,5 KB podle moderních standardů). V té době to bylo víc než dost na práci. V EDVAC byla také přítomna sekundární paměť - výsledky výpočtů byly zaznamenány na magnetickou pásku. Jiný systém, UNIVAC 1, který byl propuštěn v roce 1951, používal 100 bloků založených na zpožďovacích linkách a měl složitý design s mnoha fyzickými prvky pro ukládání dat.
Paměť zpoždění řádku je spíš jako hyperprostor kosmické lodi. Je těžké si to představit, ale takový kolos mohl uložit jen pár bitů dat!
Bobekovy děti
V zákulisí našeho výzkumu zůstaly dva poměrně významné vynálezy v oblasti nosičů dat. Obojí provedl talentovaný zaměstnanec Bell Labs Andrew Bobek. První vývoj, tzv. Twistorová paměť, by mohl být vynikající alternativou paměti s magnetickým jádrem. Z velké části to opakovala, ale místo feritových kroužků pro ukládání dat použila magnetickou pásku. Tato technologie měla dvě důležité výhody. Zaprvé, twistorová paměť mohla současně zapisovat a číst informace z řady kroucení. Navíc bylo snadné nastavit automatickou výrobu. Bell Labs doufal, že by to výrazně snížilo cenu paměti twistorů a obsadilo slibný trh.
Vývoj byl financován americkým letectvem a paměť se měla stát důležitou funkční buňkou raket Nike Sentinel. Práce na twistorech bohužel trvalo dlouho a do popředí se dostala paměť založená na tranzistorech. K zachycení trhu nedošlo.
"Smůlu poprvé, tak štěstí druhé," pomyslel si Bell Labs. Na počátku 70. let Andrew Bobek představil energeticky nezávislou bublinovou paměť. Byl založen na tenkém magnetickém filmu, který držel malé magnetizované oblasti (bubliny), které ukládaly binární hodnoty. Po nějaké době se objevila první kompaktní buňka s kapacitou 4096 bitů - zařízení měřící jeden centimetr čtvereční mělo kapacitu celého proužku s magnetickými jádry.
Mnoho společností se začalo zajímat o vynález a v polovině 70. let se všichni hlavní hráči na trhu ujali vývoje v oblasti bublinové paměti. Díky energeticky nezávislé struktuře se bubliny staly ideální náhradou pro primární i sekundární paměť. Ale ani zde se plány Bell Labs neuskutečnily - levné pevné disky a tranzistorová paměť zablokovaly kyslíkovou bublinovou technologii.
Vakuum je naše všechno
Na konci 40. let se logika systému počítačů přesunula do vakuových trubic (jsou to také elektronické trubice nebo termionické hřídele). Společně s nimi získaly nový impuls ve vývoji televize, zařízení pro reprodukci zvuku, analogové a digitální počítače.
Vakuové trubice přežily v technologii dodnes. Jsou mezi milovanými audiofily zvláště milovaní. Předpokládá se, že zesilovací obvod založený na vakuových trubicích je ve zvukové kvalitě nad moderními analogy.
Pod tajemnou frází je „vakuová trubice“poměrně jednoduchým prvkem ve struktuře. Připomíná to běžnou žárovku. Vlákno je uzavřeno v prostoru bez vzduchu a po zahřátí emituje elektrony, které dopadají na kladně nabitou kovovou desku. V lampě je generován proud elektronů pod napětím. Vakuová trubice může buď procházet nebo blokovat (fáze 1 a 0) proud, který jím prochází, působit jako elektronická součást počítačů. Během provozu se vakuové trubice velmi zahřívají, musí být intenzivně ochlazovány. Jsou však mnohem rychlejší než předpínače.
Primární paměť založená na této technologii se objevila v letech 1946-1947, kdy vynálezci Freddie Williams a Tom Kilburn představili potrubí Williams-Kilburn. Metoda ukládání dat byla velmi důmyslná. Za určitých podmínek se na trubici objevil světelný bod, který mírně nabil obsazenou plochu. Oblast kolem bodu získala záporný náboj (nazývalo se to „energetická studna“). Nový bod by mohl být umístěn do „studny“nebo ponechán bez dozoru - původní bod by rychle zmizel. Tyto transformace byly interpretovány řadičem paměti jako binární fáze 1 a 0. Technologie byla velmi populární. Paměťová trubice Williams-Kilburn byla instalována v počítačích Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 a Standard Western Computer Computer (SWAC).
Paralelně inženýři z Radio Corporation of America pod vedením vědce Vladimíra Zvorykina vyvíjeli vlastní trubici zvanou selectron. Podle autorovy myšlenky měl selektron obsahovat až 4096 bitů informací, což je čtyřikrát více než Williams-Kilburnova trubice. Odhadovalo se, že do konce roku 1946 by bylo vyrobeno asi 200 selectronů, ale výroba se ukázala jako velmi drahá.
Až do jara 1948, Radio Corporation of America nevydala jediný selectron, ale práce na konceptu pokračovaly. Inženýři přepracovali trubici a nyní je k dispozici menší 256bitová verze. Mini-selectrony byly rychlejší a spolehlivější než trubky Williams-Kilburn, ale stálo 500 $ za kus. A to je v hromadné výrobě! Selektronům se však podařilo dostat do výpočetního stroje - v roce 1953 společnost RAND vydala počítač pod zábavným názvem JOHNNIAC (na počest Johna von Neumanna). Do systému bylo nainstalováno omezené 256bitové výběrově a celková paměť byla 32 bajtů.
Spolu s vakuovými trubicemi používaly některé počítače té doby bicí paměť, kterou vynalezl Gustav Tauscek v roce 1939. Jednoduchý design zahrnoval velký kovový válec potažený feromagnetickou slitinou. Čtecí hlavy se na rozdíl od moderních pevných disků nepohybovaly po povrchu válce. Řadič paměti čekal, až informace sama projde pod hlavami. V počítači Atanasov-Berry a některých dalších systémech byla použita bicí paměť. Jeho výkon byl bohužel velmi nízký.
Selektron nebyl určen k dobytí počítačového trhu - úhledně vypadající elektronické komponenty stále shromažďují prach v popelnici historie. A to i přes vynikající technické vlastnosti.
Moderní tendence
V současné době je trh s primární pamětí ovládán standardem DDR. Přesněji řečeno, jeho druhá generace. Přechod na DDR3 proběhne velmi brzy - zbývá čekat na výskyt levných čipových sad podporujících nový standard. Rozsáhlá standardizace způsobila, že segment paměti byl příliš nudný k popisu. Výrobci přestali vymýšlet nové, jedinečné produkty. Veškeré práce se týkají zvyšování provozní frekvence a instalace sofistikovaného chladicího systému.
Technologická stagnace a plaché vývojové kroky budou pokračovat, dokud výrobci nedosáhnou limitu schopností křemíku (z něhož se vyrábějí integrované obvody). Koneckonců, frekvenci práce nelze donekonečna zvyšovat.
Je tu však jeden úlovek. Výkon stávajících čipů DDR2 je dostatečný pro většinu počítačových aplikací (složité vědecké programy se nepočítají). Instalace modulů DDR3 pracujících na 1066 MHz a vyšších nevede k hmatatelnému zvýšení rychlosti.
Star Trek do budoucnosti
Hlavní nevýhodou paměti a všech ostatních součástí založených na vakuových trubicích byla výroba tepla. Potrubí muselo být chlazeno radiátory, vzduchem a dokonce vodou. Konstantní zahřívání navíc významně zkrátilo provozní dobu - trubky se přirozeně degradovaly. Na konci své životnosti museli být neustále naladěni a nakonec změněny. Dokážete si představit, kolik úsilí a peněz stojí servis počítačových systémů?!
Podivná textura na fotografii - je to paměť s magnetickým jádrem. Zde je vizuální struktura jednoho z polí s dráty a feritovými kroužky. Dokážete si představit, kolik času jste museli strávit, abyste mezi nimi našli nefunkční modul?
Pak přišel čas matic s těsně rozloženými feritovými kruhy - vynález amerických fyziků An Wang a Wei-Dong Wu, modifikovaný studenty pod vedením Jaye Forrestera z Massachusetts Institute of Technology (MIT). Spojovací dráty prošly středy prstenů pod úhlem 45 stupňů (čtyři pro každý prsten v dřívějších systémech, dva v pokročilejších systémech). Dráty magnetizovaly feritové prstence pod napětím, z nichž každý mohl ukládat jeden bit dat (magnetizovaný - 1, demagnetizovaný - 0).
Jay Forrester vyvinul systém, ve kterém byly řídicí signály pro více jader posílány přes pár vodičů. V roce 1951 byla uvolněna paměť založená na magnetických jádrech (přímý analog moderní paměti s náhodným přístupem). Později zaujal své právoplatné místo v mnoha počítačích, včetně prvních generací sálových počítačů DEC a IBM. Ve srovnání s jeho předchůdci neměl nový typ paměti prakticky žádné nevýhody. Jeho spolehlivost byla dostatečná pro fungování ve vojenské a dokonce i kosmické lodi. Po havárii raketoplánu Challenger, která vedla ke smrti sedmi členů posádky, zůstala data palubního počítače zaznamenaná v paměti s magnetickými jádry neporušená a neporušená.
Technologie byla postupně vylepšována. Feritové kuličky se zmenšily, rychlost práce se zvýšila. První vzorky pracovaly na frekvenci asi 1 MHz, doba přístupu byla 60 000 ns - do poloviny 70. let klesla na 600 ns.
Miláčku, snížil jsem naši paměť
Další pokrok ve vývoji počítačové paměti nastal, když byly vynalezeny integrované obvody a tranzistory. Odvětví se vydalo na cestu miniaturizace součástí a zároveň zvýšilo jejich výkon. Začátkem 70. let 20. století zvládl průmysl polovodičů výrobu vysoce integrovaných mikroobvodů - desítky tisíc tranzistorů nyní zapadají do relativně malé oblasti. Objevily se paměťové čipy s kapacitou 1 Kbit (1024 bitů), malé čipy pro kalkulačky a dokonce i první mikroprocesory. Došlo ke skutečné revoluci.
Výrobci paměti se v těchto dnech více zajímají o vzhled svých produktů - všechny stejné standardy a vlastnosti jsou předem stanoveny v provizích jako JEDEC.
Robert Dennard ze společnosti IBM speciálně přispěl k rozvoji primární paměti. Vyvinul první čip založený na tranzistoru a malém kondenzátoru. V roce 1970, trh byl pobídnut Intel (který se objevil jen dva roky dříve) se zavedením 1Kb i1103 paměťového čipu. O dva roky později se tento produkt stal nejprodávanějším polovodičovým paměťovým čipem na světě.
Ve dnech prvního Apple Macintosh, blok RAM zabíral obrovský pruh (na fotografii nahoře), zatímco objem nepřekročil 64 KB.
Vysoce integrované mikroobvody rychle nahradily starší typy paměti. S přechodem na další úroveň vývoje ustoupily objemné sálové počítače stolním počítačům. Hlavní paměť v té době byla nakonec oddělena od sekundární, měla podobu oddělených mikročipů s kapacitou 64, 128, 256, 512 Kbit a dokonce 1 Mbit.
Nakonec byly primární paměťové čipy přesunuty ze základních desek na oddělené proužky, což značně usnadnilo instalaci a výměnu vadných součástí. Frekvence začaly stoupat, přístupové časy se snižovaly. První synchronní dynamické čipy SDRAM se objevily v roce 1993 a byly představeny společností Samsung. Nové mikroobvody pracovaly na 100 MHz, doba přístupu byla 10 ns.
Od té chvíle začal vítězný pochod SDRAM a do roku 2000 tento typ paměti vyhnal všechny konkurenty. Komise JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) převzala definici standardů na trhu RAM. Její účastníci vytvořili specifikace, které jsou jednotné pro všechny výrobce, schválené frekvence a elektrické vlastnosti.
Další vývoj není tak zajímavý. Jediná významná událost se konala v roce 2000, kdy se na trhu objevila standardní RAM DDR SDRAM. Poskytl dvojnásobnou šířku pásma než konvenční SDRAM a připravil půdu pro budoucí růst. V roce 2004 následoval DDR standard DDR2, který je stále nejoblíbenější.
Patentový troll
V moderním světě IT se věta Patent Troll týká firem, které vydělávají peníze na soudních sporech. Motivují to tím, že ostatní společnosti porušily jejich autorská práva. Vývojář paměti Rambus zcela spadá pod tuto definici.
Od svého založení v roce 1990 společnost Rambus poskytuje licence na tuto technologii třetím stranám. Například jeho řadiče a paměťové čipy lze nalézt v Nintendo 64 a PlayStation 2. Rambusova nejlepší hodina přišla v roce 1996, kdy Intel uzavřel dohodu s Intelem o využití slotů RDRAM a RIMM ve svých produktech.
Zpočátku všechno šlo podle plánu. Intel dostal k dispozici pokročilou technologii a Rambus se spokojil s partnerství s jedním z největších hráčů v IT průmyslu. Bohužel vysoká cena modulů RDRAM a čipových sad Intel ukončila popularitu této platformy. Přední výrobci základních desek používali čipové sady VIA a desky s konektory pro běžné SDRAM.
Rambus si uvědomil, že v této fázi ztratil paměťový trh a začal svou dlouhou hru patenty. První věc, na kterou narazila, byl nový vývoj JEDEC - paměť DDR SDRAM. Rambus na ni zaútočil a obvinil tvůrce z porušení autorských práv. Společnost nějakou dobu obdržela hotovostní odměny, ale další soudní spory týkající se společností Infineon, Micron a Hynix daly vše na své místo. Soud uznal, že technologický vývoj v oblasti DDR SDRAM a SDRAM nepatří společnosti Rambus.
Od té doby celkový počet nároků společnosti Rambus vůči předním výrobcům RAM překročil všechny představitelné limity. A zdá se, že tento způsob života vyhovuje společnosti docela dobře.