Nell'antichità - erano quasi 80 anni fa, agli albori della tecnologia informatica - la memoria dei dispositivi informatici era solitamente divisa in tre tipologie. Primario, secondario ed esterno. Nessuno usa questa terminologia, sebbene la classificazione stessa esista ancora oggi. Solo la memoria primaria è ora chiamata operativa, secondaria: dischi rigidi interni e quella esterna è mascherata da tutti i tipi di dischi ottici e unità flash.
Prima di iniziare un viaggio nel passato, comprendiamo la classificazione di cui sopra e capiamo a cosa serve ogni tipo di memoria. Un computer rappresenta le informazioni sotto forma di una sequenza di bit - cifre binarie con valori di 1 o 0. L'unità di informazione universale generalmente accettata è un byte, di solito costituito da 8 bit. Tutti i dati utilizzati dal computer occupano un certo numero di byte. Ad esempio, un tipico file musicale è di 40 milioni di bit - 5 milioni di byte (o 4,8 megabyte). Il processore centrale non può funzionare senza un dispositivo di memoria elementare, perché tutto il suo lavoro si riduce alla ricezione, elaborazione e riscrittura in memoria. Ecco perché il leggendario John von Neumann (abbiamo citato il suo nome più di una volta in una serie di articoli sui mainframe) ha inventato una struttura indipendente all'interno del computer,dove sarebbero archiviati tutti i dati necessari.
La classificazione della memoria interna divide anche il supporto in base al principio di velocità (ed energia). La memoria veloce primaria (accesso casuale) viene oggi utilizzata per archiviare informazioni critiche a cui la CPU accede più spesso. Questo è il kernel del sistema operativo, i file eseguibili dei programmi in esecuzione, i risultati intermedi dei calcoli. Il tempo di accesso è minimo, solo pochi nanosecondi.
La memoria primaria comunica con un controller situato all'interno del processore (negli ultimi modelli di CPU) o come chip separato sulla scheda madre (north bridge). Il prezzo della RAM è relativamente alto, inoltre, è volatile: hanno spento il computer o estratto accidentalmente il cavo di alimentazione dalla presa e tutte le informazioni sono andate perse. Pertanto, tutti i file vengono archiviati nella memoria secondaria, sui piatti del disco rigido. Le informazioni qui non vengono cancellate dopo un'interruzione di corrente e il prezzo per megabyte è molto basso. L'unico inconveniente dei dischi rigidi è la bassa velocità di reazione, misurata già in millisecondi.
A proposito, un fatto interessante. All'alba dello sviluppo dei computer, la memoria primaria non era separata dalla memoria secondaria. L'unità di elaborazione principale era molto lenta e la memoria non dava un effetto collo di bottiglia. I dati in linea e persistenti sono stati memorizzati negli stessi componenti. Successivamente, quando la velocità dei computer aumentò, apparvero nuovi tipi di supporti di memorizzazione.
Ritorno al passato
Uno dei componenti principali dei primi computer erano gli interruttori elettromagnetici, sviluppati dal famoso scienziato americano Joseph Henry nel 1835, quando nessuno sognava nemmeno un computer. Il semplice meccanismo consisteva in un'anima metallica avvolta in filo metallico, raccordi mobili in ferro e alcuni contatti. Lo sviluppo di Henry ha costituito la base per il telegrafo elettrico di Samuel Morse e Charles Whitstone.
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Il primo computer basato su interruttori apparve in Germania nel 1939. L'ingegnere Konrad Süs li ha utilizzati per creare la logica di sistema del dispositivo Z2. Sfortunatamente, l'auto non ha vissuto a lungo e i suoi piani e le fotografie sono andati persi durante i bombardamenti della seconda guerra mondiale. Il prossimo dispositivo informatico Sius (con il nome Z3) fu rilasciato nel 1941. Questo è stato il primo computer controllato dal programma. Le principali funzioni della macchina sono state realizzate con 2000 interruttori. Konrad avrebbe trasferito il sistema a componenti più moderne, ma il governo ha chiuso i finanziamenti, credendo che le idee di Sius non avessero futuro. Come il suo predecessore, lo Z3 fu distrutto durante i bombardamenti alleati.
Gli interruttori elettromagnetici hanno funzionato molto lentamente, ma lo sviluppo della tecnologia non si è fermato. Il secondo tipo di memoria per i primi sistemi di computer erano le linee di ritardo. Le informazioni erano trasportate da impulsi elettrici, che venivano convertiti in onde meccaniche e spostati a bassa velocità attraverso il mercurio, un cristallo piezoelettrico o una bobina magnetoresistiva. C'è un'onda - 1, non c'è un'onda - 0. Centinaia e migliaia di impulsi potrebbero viaggiare attraverso il materiale conduttore per unità di tempo. Alla fine del suo percorso, ogni onda è stata trasformata di nuovo in un impulso elettrico e inviata all'inizio: ecco l'operazione di aggiornamento più semplice.
La linea di ritardo è stata sviluppata dall'ingegnere americano John Presper Eckert. Il computer EDVAC, introdotto nel 1946, conteneva due blocchi di memoria con 64 linee di ritardo basate sul mercurio (5,5 KB per gli standard moderni). A quel tempo, questo era più che sufficiente per il lavoro. La memoria secondaria era presente anche in EDVAC: i risultati dei calcoli sono stati registrati su nastro magnetico. Un altro sistema, UNIVAC 1, rilasciato nel 1951, utilizzava 100 blocchi basati su linee di ritardo e aveva un design complesso con molti elementi fisici per memorizzare i dati.
La memoria della linea di ritardo è più simile al motore iperspaziale di un'astronave. È difficile da immaginare, ma un colosso del genere potrebbe memorizzare solo pochi bit di dati!
I figli di Bobek
Due invenzioni piuttosto significative nel campo dei supporti dati sono rimaste dietro le quinte della nostra ricerca. Entrambi sono stati realizzati dal talentuoso dipendente di Bell Labs Andrew Bobek. Il primo sviluppo, la cosiddetta memoria a twistor, potrebbe essere un'ottima alternativa alla memoria a nucleo magnetico. Ha ampiamente ripetuto quest'ultimo, ma invece degli anelli di ferrite per l'archiviazione dei dati ha usato il nastro magnetico. La tecnologia aveva due importanti vantaggi. In primo luogo, la memoria del twistor potrebbe scrivere e leggere simultaneamente le informazioni da un numero di twistor. Inoltre, è stato facile impostare la produzione automatica. Bell Labs sperava che ciò avrebbe ridotto significativamente il prezzo della memoria a twistor e avrebbe occupato un mercato promettente.
Lo sviluppo è stato finanziato dalla US Air Force e la memoria doveva diventare un'importante cellula funzionale dei missili Nike Sentinel. Sfortunatamente, il lavoro sui twistors ha richiesto molto tempo e la memoria basata sui transistor è venuta alla ribalta. La cattura del mercato non ha avuto luogo.
"Sfortuna la prima volta, così fortunata la seconda", ha pensato Bell Labs. All'inizio degli anni '70, Andrew Bobek ha introdotto la memoria a bolle non volatile. Era basato su un sottile film magnetico che conteneva piccole regioni magnetizzate (bolle) che memorizzavano valori binari. Dopo un po 'di tempo apparve la prima cella compatta con una capacità di 4096 bit: un dispositivo che misurava un centimetro quadrato aveva la capacità di un'intera striscia con nuclei magnetici.
Molte aziende si interessarono all'invenzione ea metà degli anni '70 tutti i principali attori del mercato iniziarono lo sviluppo nel campo delle memorie a bolle. La struttura non volatile ha reso le bolle un sostituto ideale per la memoria primaria e secondaria. Ma anche qui i piani di Bell Labs non si sono avverati: hard disk economici e memoria a transistor hanno bloccato l'ossigeno della tecnologia a bolle.
Il vuoto è il nostro tutto
Alla fine degli anni '40, la logica di sistema dei computer passò ai tubi a vuoto (sono anche tubi elettronici o alberi termoionici). Insieme a loro, la televisione, i dispositivi di riproduzione del suono, i computer analogici e digitali hanno ricevuto un nuovo impulso nello sviluppo.
I tubi a vuoto sono sopravvissuti nella tecnologia fino ad oggi. Sono particolarmente amati dagli audiofili. Si ritiene che il circuito di amplificazione basato su tubi a vuoto sia una marcia in più rispetto agli analoghi moderni nella qualità del suono.
Sotto la misteriosa frase "tubo a vuoto" c'è un elemento piuttosto semplice nella struttura. Assomiglia a una normale lampada a incandescenza. Il filamento è racchiuso in uno spazio senz'aria e quando riscaldato emette elettroni, che cadono su una piastra metallica caricata positivamente. Un flusso di elettroni viene generato all'interno della lampada sotto tensione. Il tubo a vuoto può far passare o bloccare (fasi 1 e 0) la corrente che lo attraversa, agendo come un componente elettronico dei computer. Durante il funzionamento, i tubi a vuoto diventano molto caldi, devono essere raffreddati intensamente. Ma sono molto più veloci degli interruttori antidiluviani.
La memoria primaria basata su questa tecnologia apparve nel 1946-1947, quando gli inventori Freddie Williams e Tom Kilburn introdussero la pipa Williams-Kilburn. Il metodo di archiviazione dei dati è stato molto ingegnoso. In determinate condizioni, sul tubo appariva un punto luminoso che caricava leggermente la superficie occupata. L'area intorno al punto ha acquisito una carica negativa (è stata chiamata "pozzo di energia"). Un nuovo punto potrebbe essere posizionato nel "pozzo" o lasciato incustodito, quindi il punto originale scomparirebbe rapidamente. Queste trasformazioni sono state interpretate dal controller di memoria come fasi binarie 1 e 0. La tecnologia era molto popolare. La memoria valvolare Williams-Kilburn è stata installata nei computer Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 e Standards Western Automatic Computer (SWAC).
Parallelamente, gli ingegneri della Radio Corporation of America sotto la direzione dello scienziato Vladimir Zvorykin stavano sviluppando il proprio tubo, chiamato selectron. Secondo l'idea degli autori, il selektron avrebbe dovuto contenere fino a 4096 bit di informazioni, ovvero quattro volte più del tubo Williams-Kilburn. Si stimava che entro la fine del 1946 sarebbero stati prodotti circa 200 selettori, ma la produzione si rivelò molto costosa.
Fino alla primavera del 1948, la Radio Corporation of America non ha rilasciato un singolo selectron, ma il lavoro sul concetto è continuato. Gli ingegneri hanno riprogettato il tubo ed è ora disponibile una versione più piccola a 256 bit. I mini-selettori erano più veloci e affidabili dei tubi Williams-Kilburn, ma costavano $ 500 ciascuno. E questo è in produzione di massa! I selettori, tuttavia, riuscirono a entrare nella macchina informatica: nel 1953 la società RAND pubblicò un computer con il buffo nome JOHNNIAC (in onore di John von Neumann). Nel sistema sono stati installati selettori ridotti a 256 bit e la memoria totale era di 32 byte.
Insieme alle valvole a vuoto, alcuni computer dell'epoca utilizzavano la memoria del tamburo, inventata da Gustav Tauscek nel 1939. Il design semplice prevedeva un grande cilindro di metallo rivestito con una lega ferromagnetica. Le testine di lettura, a differenza dei moderni dischi rigidi, non si muovevano sulla superficie del cilindro. Il controller di memoria ha aspettato che le informazioni passassero sotto le teste da sole. La memoria della batteria è stata utilizzata nel computer Atanasov-Berry e in alcuni altri sistemi. Sfortunatamente, le sue prestazioni sono state molto basse.
La Selektron non era destinata a conquistare il mercato dei computer - componenti elettronici dall'aspetto pulito sono rimasti a raccogliere polvere nella pattumiera della storia. E questo nonostante le eccezionali caratteristiche tecniche.
Tendenze moderne
Al momento, il mercato delle memorie primarie è governato dallo standard DDR. Più precisamente, la sua seconda generazione. La transizione alla DDR3 avverrà molto presto: resta da attendere la comparsa di chipset economici che supportano il nuovo standard. La standardizzazione diffusa ha reso il segmento della memoria troppo noioso da descrivere. I produttori hanno smesso di inventare prodotti nuovi e unici. Tutto il lavoro si riduce all'aumento della frequenza operativa e all'installazione di un sofisticato sistema di raffreddamento.
La stagnazione tecnologica ei timidi passi evolutivi continueranno fino a quando i produttori non raggiungeranno il limite delle capacità del silicio (è da cui sono fatti i circuiti integrati). Dopo tutto, la frequenza del lavoro non può essere aumentata indefinitamente.
Tuttavia, c'è un problema qui. Le prestazioni dei chip DDR2 esistenti sono sufficienti per la maggior parte delle applicazioni per computer (i programmi scientifici complessi non contano). L'installazione di moduli DDR3 funzionanti a 1066 MHz e superiori non comporta un aumento tangibile della velocità.
Star Trek verso il futuro
Il principale svantaggio della memoria e di tutti gli altri componenti basati su tubi a vuoto era la generazione di calore. I tubi dovevano essere raffreddati con radiatori, aria e persino acqua. Inoltre, il riscaldamento costante ha ridotto significativamente il tempo di funzionamento: i tubi si sono degradati nel modo più naturale. Alla fine della loro vita di servizio, dovevano essere costantemente sintonizzati e alla fine cambiati. Riuscite a immaginare quanto impegno e denaro è costato per riparare i sistemi informatici ?!
Strana trama nella foto - è una memoria a nucleo magnetico. Ecco una struttura visiva di uno degli array con fili e anelli di ferrite. Riuscite a immaginare quanto tempo avete dovuto spendere per trovare un modulo non funzionante tra di loro?
Poi è arrivato il momento degli array con anelli di ferrite ravvicinati, un'invenzione dei fisici americani An Wang e Wei-Dong Wu, modificata dagli studenti sotto la direzione di Jay Forrester della Massachusetts University of Technology (MIT). I fili di collegamento passavano attraverso il centro degli anelli con un angolo di 45 gradi (quattro per ogni anello nei primi sistemi, due nei sistemi più avanzati). Sotto tensione, i fili magnetizzavano anelli di ferrite, ognuno dei quali poteva memorizzare un bit di dati (magnetizzato - 1, smagnetizzato - 0).
Jay Forrester ha sviluppato un sistema in cui i segnali di controllo per più core venivano inviati su pochi fili. Nel 1951 fu rilasciata una memoria basata su nuclei magnetici (un analogo diretto della moderna memoria ad accesso casuale). Successivamente, ha preso il suo posto legittimo in molti computer, comprese le prime generazioni di mainframe di DEC e IBM. Rispetto ai suoi predecessori, il nuovo tipo di memoria non aveva praticamente inconvenienti. La sua affidabilità era sufficiente per il funzionamento in veicoli militari e persino spaziali. Dopo lo schianto della navetta Challenger, che ha portato alla morte di sette dei suoi membri d'equipaggio, i dati del computer di bordo, registrati nella memoria con nuclei magnetici, sono rimasti intatti e intatti.
La tecnologia è stata gradualmente migliorata. Le perle di ferrite sono diminuite di dimensioni, la velocità di lavoro è aumentata. I primi campioni operavano a una frequenza di circa 1 MHz, il tempo di accesso era di 60.000 ns - a metà degli anni '70 era sceso a 600 ns.
Tesoro, ho ridotto la nostra memoria
Il balzo in avanti successivo nello sviluppo della memoria del computer è avvenuto con l'invenzione dei circuiti integrati e dei transistor. L'industria ha intrapreso la strada della miniaturizzazione dei componenti aumentandone le prestazioni. All'inizio degli anni '70, l'industria dei semiconduttori ha dominato la produzione di microcircuiti altamente integrati: decine di migliaia di transistor ora si adattano a un'area relativamente piccola. Apparvero chip di memoria con una capacità di 1 Kbit (1024 bit), piccoli chip per calcolatrici e persino i primi microprocessori. È avvenuta una vera rivoluzione.
I produttori di memorie in questi giorni sono più interessati all'aspetto dei loro prodotti - tutti gli stessi standard e caratteristiche sono predeterminati in commissioni come JEDEC.
Il Dr. Robert Dennard dell'IBM ha dato un contributo speciale allo sviluppo della memoria primaria. Ha sviluppato il primo chip basato su un transistor e un piccolo condensatore. Nel 1970, il mercato fu stimolato da Intel (che era apparsa solo due anni prima) con l'introduzione del chip di memoria i1103 da 1Kb. Due anni dopo, questo prodotto è diventato il chip di memoria per semiconduttori più venduto al mondo.
Ai tempi del primo Apple Macintosh, il blocco RAM occupava un'enorme barra (nella foto sopra), mentre il volume non superava i 64 KB.
I microcircuiti altamente integrati hanno rapidamente sostituito i vecchi tipi di memoria. Con il passaggio al livello successivo di sviluppo, i mainframe ingombranti hanno lasciato il posto ai computer desktop. La memoria principale in quel momento era finalmente separata dalla secondaria, prendeva la forma di microchip separati con una capacità di 64, 128, 256, 512 Kbit e persino 1 Mbit.
Infine, i chip di memoria primari sono stati spostati dalle schede madri a strisce separate, il che ha notevolmente facilitato l'installazione e la sostituzione dei componenti difettosi. Le frequenze iniziarono ad aumentare, i tempi di accesso diminuirono. I primi chip SDRAM dinamici sincroni apparvero nel 1993, introdotti da Samsung. Nuovi microcircuiti funzionavano a 100 MHz, il tempo di accesso era di 10 ns.
Da quel momento in poi iniziò la marcia vittoriosa della SDRAM, e nel 2000 questo tipo di memoria aveva spodestato tutti i concorrenti. La commissione JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) ha assunto la definizione degli standard nel mercato RAM. I suoi partecipanti hanno formato specifiche che sono uniformi per tutti i produttori, frequenza approvata e caratteristiche elettriche.
Un'ulteriore evoluzione non è così interessante. L'unico evento significativo è avvenuto nel 2000, quando è apparsa sul mercato la RAM standard DDR SDRAM. Ha fornito il doppio della larghezza di banda della SDRAM convenzionale e ha posto le basi per la crescita futura. DDR è stata seguita nel 2004 dallo standard DDR2, che è ancora il più popolare.
Troll brevettato
Nel moderno mondo IT, la frase Patent Troll si riferisce alle aziende che guadagnano denaro dalle cause legali. Lo motivano dal fatto che altre società hanno violato il loro copyright. Lo sviluppatore della memoria Rambus rientra interamente in questa definizione.
Dalla sua fondazione nel 1990, Rambus ha concesso in licenza la sua tecnologia a terzi. Ad esempio, i suoi controller e chip di memoria possono essere trovati nel Nintendo 64 e PlayStation 2. Il momento più bello di Rambus arrivò nel 1996, quando Intel stipulò un accordo con Intel per utilizzare gli slot RDRAM e RIMM nei suoi prodotti.
All'inizio tutto è andato secondo i piani. Intel ha messo a disposizione la tecnologia avanzata e Rambus si è accontentato di una partnership con uno dei maggiori attori del settore IT. Sfortunatamente, il prezzo elevato dei moduli RDRAM e dei chipset Intel ha messo fine alla popolarità della piattaforma. I principali produttori di schede madri hanno utilizzato chipset VIA e schede con connettori per la normale SDRAM.
Rambus si rese conto che in questa fase aveva perso il mercato della memoria e iniziò il suo lungo gioco con i brevetti. La prima cosa che ha riscontrato è stato un nuovo sviluppo JEDEC: la memoria DDR SDRAM. Rambus l'ha attaccata, accusando i creatori di violazione del copyright. Per un po 'di tempo, la società ha ricevuto royalties in contanti, ma il prossimo caso giudiziario che ha coinvolto Infineon, Micron e Hynix ha messo tutto al suo posto. La corte ha riconosciuto che gli sviluppi tecnologici nel campo di DDR SDRAM e SDRAM non appartengono a Rambus.
Da allora, il numero totale di reclami di Rambus contro i principali produttori di RAM ha superato tutti i limiti immaginabili. E sembra che questo stile di vita si adatti abbastanza bene alla compagnia.
