In de oudheid - het was bijna 80 jaar geleden, aan het begin van de computertechnologie - was het geheugen van computerapparatuur meestal verdeeld in drie typen. Primair, secundair en extern. Nu gebruikt niemand deze terminologie, hoewel de classificatie zelf tot op de dag van vandaag bestaat. Alleen het primaire geheugen wordt nu operationele, secundaire interne harde schijven genoemd, en het externe geheugen is vermomd als allerlei soorten optische schijven en flashstations.
Voordat we aan een reis naar het verleden beginnen, moeten we de bovenstaande classificatie begrijpen en begrijpen waar elk type herinnering voor is. Een computer vertegenwoordigt informatie in de vorm van een reeks bits - binaire cijfers met waarden van 1 of 0. De algemeen aanvaarde universele informatie-eenheid is een byte, meestal bestaande uit 8 bits. Alle gegevens die door de computer worden gebruikt, nemen een bepaald aantal bytes in beslag. Een typisch muziekbestand is bijvoorbeeld 40 miljoen bits - 5 miljoen bytes (of 4,8 megabytes). De centrale processor kan niet functioneren zonder een elementair geheugenapparaat, omdat al zijn werk wordt gereduceerd tot het ontvangen, verwerken en terugschrijven naar het geheugen. Dat is de reden waarom de legendarische John von Neumann (we hebben zijn naam meer dan eens genoemd in een reeks artikelen over mainframes) met een onafhankelijke structuur in de computer kwam,waar alle benodigde gegevens zouden worden opgeslagen.
De interne geheugenclassificatie verdeelt de media ook volgens het snelheid (en energie) principe. Snel primair (willekeurig toegankelijk) geheugen wordt tegenwoordig gebruikt om kritieke informatie op te slaan waartoe de CPU het vaakst toegang heeft. Dit is de kernel van het besturingssysteem, uitvoerbare bestanden van actieve programma's, tussenresultaten van berekeningen. Toegangstijd is minimaal, slechts een paar nanoseconden.
Het primaire geheugen communiceert met een controller die zich in de processor bevindt (in de nieuwste CPU-modellen) of als een aparte chip op het moederbord (North Bridge). De prijs van het RAM-geheugen is relatief hoog, bovendien is het vluchtig: ze hebben de computer uitgeschakeld of per ongeluk het netsnoer uit het stopcontact getrokken - en alle informatie is verloren gegaan. Daarom worden alle bestanden opgeslagen in secundair geheugen - op harde schijven. De informatie hier wordt niet gewist na een stroomstoring en de prijs per megabyte is erg laag. Het enige nadeel van harde schijven is de lage reactiesnelheid, deze wordt al in milliseconden gemeten.
Een interessant feit trouwens. Aan het begin van de ontwikkeling van computers was het primaire geheugen niet gescheiden van het secundaire geheugen. De hoofdverwerkingseenheid was erg traag en het geheugen gaf geen bottleneck-effect. Online en permanente gegevens werden in dezelfde componenten opgeslagen. Later, toen de snelheid van computers toenam, verschenen er nieuwe soorten opslagmedia.
Terug naar het verleden
Een van de belangrijkste componenten van de eerste computers waren elektromagnetische schakelaars, ontwikkeld door de beroemde Amerikaanse wetenschapper Joseph Henry in 1835, toen niemand zelfs maar van computers droomde. Het eenvoudige mechanisme bestond uit een met draad omwikkelde metalen kern, beweegbare ijzeren fittingen en een paar contacten. Henry's ontwikkeling vormde de basis voor de elektrische telegraaf van Samuel Morse en Charles Whitstone.
Promotie video:
De eerste computer op basis van schakelaars verscheen in 1939 in Duitsland. Ingenieur Konrad Süs gebruikte ze om de systeemlogica van het Z2-apparaat te creëren. Helaas leefde de auto niet lang, en zijn plannen en foto's gingen verloren tijdens het bombardement van de Tweede Wereldoorlog. Het volgende rekenapparaat Sius (onder de naam Z3) werd uitgebracht in 1941. Dit was de eerste computer die bestuurd werd door het programma. De belangrijkste functies van de machine zijn gerealiseerd met 2000 schakelaars. Konrad zou het systeem overbrengen naar modernere componenten, maar de regering sloot de financiering af, in de overtuiging dat de ideeën van Sius geen toekomst hadden. Net als zijn voorganger werd de Z3 vernietigd tijdens de geallieerde bombardementen.
Elektromagnetische schakelaars werkten erg traag, maar de ontwikkeling van technologie stond niet stil. Het tweede type geheugen voor vroege computersystemen waren vertragingslijnen. De informatie werd gedragen door elektrische impulsen, die werden omgezet in mechanische golven en met lage snelheid bewogen door kwik, een piëzo-elektrisch kristal of een magnetoresistieve spoel. Er is een golf - 1, er is geen golf - 0. Honderden en duizenden impulsen kunnen per tijdseenheid door het geleidende materiaal reizen. Aan het einde van zijn pad werd elke golf weer omgezet in een elektrische impuls en naar het begin gestuurd - hier is de eenvoudigste updatebewerking voor u.
De vertragingslijn is ontwikkeld door de Amerikaanse ingenieur John Presper Eckert. De EDVAC-computer, geïntroduceerd in 1946, bevatte twee geheugenblokken met 64 vertragingslijnen op basis van kwik (5,5 KB volgens moderne standaarden). Op dat moment was dit meer dan genoeg voor werk. Secundair geheugen was ook aanwezig in EDVAC - de resultaten van berekeningen werden op magneetband vastgelegd. Een ander systeem, UNIVAC 1, dat in 1951 werd uitgebracht, gebruikte 100 blokken op basis van vertragingslijnen en had een complex ontwerp met veel fysieke elementen om gegevens op te slaan.
Het geheugen van de vertragingslijn lijkt meer op de hyperspace-motor van een ruimteschip. Het is moeilijk voor te stellen, maar zo'n kolos kan maar een paar stukjes data opslaan!
Bobek's kinderen
Twee vrij belangrijke uitvindingen op het gebied van datadragers bleven achter de schermen van ons onderzoek. Beide werden gedaan door de getalenteerde Bell Labs-medewerker Andrew Bobek. De eerste ontwikkeling, het zogenaamde twistor-geheugen, zou een uitstekend alternatief kunnen zijn voor magnetisch kerngeheugen. Dat laatste herhaalde ze grotendeels, maar in plaats van ferrietringen voor dataopslag gebruikte ze magneetband. De technologie had twee belangrijke voordelen. Ten eerste zou het twistorgeheugen gelijktijdig informatie van een aantal twistors kunnen schrijven en lezen. Bovendien was het eenvoudig om automatische productie op te zetten. Bell Labs hoopte dat dit de prijs van twistor-geheugen aanzienlijk zou verlagen en een veelbelovende markt zou bezetten.
De ontwikkeling werd gefinancierd door de Amerikaanse luchtmacht en het geheugen zou een belangrijke functionele cel worden van de Nike Sentinel-raketten. Helaas duurde het werk aan de twistors lang en kwam het geheugen op basis van transistors naar voren. Er heeft geen marktopname plaatsgevonden.
"De eerste keer pech, de tweede zoveel geluk", dacht Bell Labs. Begin jaren 70 introduceerde Andrew Bobek niet-vluchtig bellengeheugen. Het was gebaseerd op een dunne magnetische film die kleine gemagnetiseerde gebieden (bellen) bevatte waarin binaire waarden waren opgeslagen. Na enige tijd verscheen de eerste compacte cel met een capaciteit van 4096 bits - een apparaat van één vierkante centimeter had de capaciteit van een hele strip met magnetische kernen.
Veel bedrijven raakten geïnteresseerd in de uitvinding en halverwege de jaren 70 begonnen alle grote marktspelers met de ontwikkeling op het gebied van bellengeheugen. De niet-vluchtige structuur maakte bellen tot een ideale vervanging voor zowel primair als secundair geheugen. Maar zelfs hier kwamen de plannen van Bell Labs niet uit - goedkope harde schijven en transistorgeheugen blokkeerden de zuurstof van bellentechnologie.
Vacuüm is ons alles
Tegen het einde van de jaren 40 verhuisde de systeemlogica van computers naar vacuümbuizen (het zijn ook elektronische buizen of thermionische assen). Samen met hen kregen televisie, geluidsweergaveapparaten, analoge en digitale computers een nieuwe impuls in de ontwikkeling.
Vacuümbuizen hebben tot op de dag van vandaag in technologie overleefd. Ze zijn vooral geliefd bij audiofielen. Aangenomen wordt dat het versterkingscircuit op basis van vacuümbuizen qua geluidskwaliteit een stuk beter is dan de moderne analogen.
Onder de mysterieuze uitdrukking "vacuümbuis" is een vrij eenvoudig element in structuur. Het lijkt op een gewone gloeilamp. Het filament is ingesloten in een luchtloze ruimte en bij verhitting zendt het elektronen uit die op een positief geladen metalen plaat vallen. Een stroom elektronen wordt onder spanning in de lamp opgewekt. De vacuümbuis kan de stroom die er doorheen gaat passeren of blokkeren (fasen 1 en 0), en fungeert als een elektronisch onderdeel van computers. Tijdens het gebruik worden de vacuümbuizen erg heet, ze moeten intensief worden gekoeld. Maar ze zijn veel sneller dan antediluviaanse schakelaars.
Het primaire geheugen gebaseerd op deze technologie verscheen in 1946-1947, toen de uitvinders Freddie Williams en Tom Kilburn de Williams-Kilburn-pijp introduceerden. De methode voor gegevensopslag was erg ingenieus. Onder bepaalde omstandigheden verscheen er een lichtpunt op de buis, dat het bezette oppervlak licht oplaadde. Het gebied rond het punt kreeg een negatieve lading (het werd een "energiebron" genoemd). Een nieuw punt kon in de "put" worden geplaatst of onbeheerd worden achtergelaten - waarna het oorspronkelijke punt snel verdween. Deze transformaties werden door de geheugencontroller geïnterpreteerd als binaire fasen 1 en 0. De technologie was erg populair. Williams-Kilburn-buisgeheugen werd geïnstalleerd in Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 en Standards Western Automatic Computer (SWAC) -computers.
Tegelijkertijd ontwikkelden ingenieurs van de Radio Corporation of America onder leiding van wetenschapper Vladimir Zvorykin hun eigen buis, de selectron genaamd. Volgens het idee van de auteurs zou de selektron tot 4096 bits aan informatie bevatten, wat vier keer meer is dan de Williams-Kilburn-buis. Er werd geschat dat eind 1946 ongeveer 200 selectrons zouden zijn geproduceerd, maar de productie bleek erg duur te zijn.
Tot het voorjaar van 1948 bracht de Radio Corporation of America geen enkele selectron uit, maar het werk aan het concept werd voortgezet. Ingenieurs hebben de buis opnieuw ontworpen en er is nu een kleinere 256-bits versie beschikbaar. Mini-selectrons waren sneller en betrouwbaarder dan Williams-Kilburn-buizen, maar kosten $ 500 per stuk. En dit is in massaproductie! De selectrons slaagden er echter in om in de computer te komen - in 1953 bracht het bedrijf RAND een computer uit onder de grappige naam JOHNNIAC (ter ere van John von Neumann). Er waren gereduceerde 256-bits selectrons in het systeem geïnstalleerd en het totale geheugen was 32 bytes.
Naast vacuümbuizen gebruikten sommige computers uit die tijd drumgeheugen, uitgevonden door Gustav Tauscek in 1939. Het eenvoudige ontwerp betrof een grote metalen cilinder bedekt met een ferromagnetische legering. De leeskoppen bewogen, in tegenstelling tot moderne harde schijven, niet over het cilinderoppervlak. De geheugencontroller wachtte tot de informatie vanzelf onder de koppen ging. Drumgeheugen werd gebruikt in de Atanasov-Berry-computer en enkele andere systemen. Helaas waren de prestaties erg laag.
De Selektron was niet voorbestemd om de computermarkt te veroveren - keurig ogende elektronische componenten blijven stof verzamelen in de vuilnisbak van de geschiedenis. En dit ondanks de uitstekende technische kenmerken.
Moderne tendensen
Momenteel wordt de primaire geheugenmarkt beheerst door de DDR-standaard. Om precies te zijn, de tweede generatie. De overgang naar DDR3 zal zeer binnenkort plaatsvinden - het blijft wachten op de komst van goedkope chipsets die de nieuwe standaard ondersteunen. De wijdverbreide standaardisatie maakte het geheugensegment te saai om te beschrijven. Fabrikanten zijn gestopt met het uitvinden van nieuwe, unieke producten. Al het werk komt neer op het verhogen van de bedrijfsfrequentie en het installeren van een geavanceerd koelsysteem.
Technologische stagnatie en schuchtere evolutionaire stappen zullen doorgaan totdat fabrikanten de limiet van de mogelijkheden van silicium bereiken (waaruit geïntegreerde schakelingen worden gemaakt). De frequentie van werken kan immers niet oneindig worden verhoogd.
Er is hier echter een vangst. De prestaties van de bestaande DDR2-chips zijn voldoende voor de meeste computertoepassingen (complexe wetenschappelijke programma's tellen niet mee). Het installeren van DDR3-modules die werken op 1066 MHz en hoger leidt niet tot een tastbare toename van de snelheid.
Star Trek naar de toekomst
Het belangrijkste nadeel van het geheugen en van alle andere componenten op basis van vacuümbuizen was warmteontwikkeling. De leidingen moesten worden gekoeld met radiatoren, lucht en zelfs water. Bovendien verminderde constante verwarming de bedrijfstijd aanzienlijk - de buizen gingen op de meest natuurlijke manier achteruit. Aan het einde van hun levensduur moesten ze constant worden afgestemd en uiteindelijk veranderd. Kunt u zich voorstellen hoeveel moeite en geld het kost om computersystemen te onderhouden?
Vreemde textuur in de foto - het is een magnetisch kerngeheugen. Hier is een visuele structuur van een van de arrays met draden en ferrietringen. Kunt u zich voorstellen hoeveel tijd u moest besteden om een niet-werkende module tussen hen te vinden?
Toen kwam de tijd van arrays met dicht bij elkaar geplaatste ferrietringen - een uitvinding van de Amerikaanse natuurkundigen An Wang en Wei-Dong Wu, aangepast door studenten onder leiding van Jay Forrester van het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Verbindingsdraden liepen door het midden van de ringen onder een hoek van 45 graden (vier voor elke ring in vroege systemen, twee in meer geavanceerde systemen). Onder spanning magnetiseerden de draden ferrietringen, die elk één bit aan gegevens konden opslaan (gemagnetiseerd - 1, gedemagnetiseerd - 0).
Jay Forrester ontwikkelde een systeem waarbij de stuursignalen voor meerdere aders over slechts een paar draden werden gestuurd. In 1951 werd een geheugen op basis van magnetische kernen (een directe analoog van modern willekeurig toegankelijk geheugen) vrijgegeven. Later nam het zijn rechtmatige plaats in op veel computers, waaronder de eerste generaties mainframes van DEC en IBM. Vergeleken met zijn voorgangers had het nieuwe type geheugen praktisch geen nadelen. De betrouwbaarheid ervan was voldoende om te functioneren in militaire en zelfs ruimtevaartuigen. Na de crash van de Space Shuttle Challenger, waarbij zeven bemanningsleden om het leven kwamen, bleven de gegevens van de boordcomputer die met magnetische kernen in het geheugen was vastgelegd intact en intact.
De technologie werd geleidelijk verbeterd. De ferrietkralen werden kleiner, de werksnelheid nam toe. De eerste samples werkten met een frequentie van ongeveer 1 MHz, de toegangstijd was 60.000 ns - halverwege de jaren 70 was deze gedaald tot 600 ns.
Schat, ik heb ons geheugen verminderd
De volgende sprong voorwaarts in de ontwikkeling van computergeheugen kwam toen geïntegreerde schakelingen en transistors werden uitgevonden. De industrie heeft de weg ingeslagen om componenten te miniaturiseren en tegelijkertijd hun prestaties te verbeteren. In het begin van de jaren zeventig beheerste de halfgeleiderindustrie de productie van sterk geïntegreerde microschakelingen - tienduizenden transistors passen nu in een relatief klein gebied. Geheugenchips met een capaciteit van 1 Kbit (1024 bits), kleine chips voor rekenmachines en zelfs de eerste microprocessors verschenen. Er heeft een echte revolutie plaatsgevonden.
Geheugenfabrikanten zijn tegenwoordig meer bezig met het uiterlijk van hun producten - allemaal dezelfde normen en kenmerken zijn vooraf bepaald in commissies zoals JEDEC.
Dr. Robert Dennard van IBM heeft een bijzondere bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van primair geheugen. Hij ontwikkelde de eerste chip op basis van een transistor en een kleine condensator. In 1970 werd de markt gestimuleerd door Intel (dat slechts twee jaar eerder was verschenen) met de introductie van de 1Kb i1103-geheugenchip. Twee jaar later werd dit product 's werelds best verkochte halfgeleidergeheugenchip.
In de dagen van de eerste Apple Macintosh bezette het RAM-blok een enorme balk (op de foto hierboven), terwijl het volume niet groter was dan 64 KB.
Sterk geïntegreerde microschakelingen hebben snel oudere soorten geheugen vervangen. Met de overgang naar het volgende ontwikkelingsniveau hebben omvangrijke mainframes plaatsgemaakt voor desktopcomputers. Het hoofdgeheugen werd op dat moment eindelijk gescheiden van het secundaire geheugen, het nam de vorm aan van afzonderlijke microchips met een capaciteit van 64, 128, 256, 512 Kbit en zelfs 1 Mbit.
Ten slotte werden de primaire geheugenchips verplaatst van moederborden naar afzonderlijke strips, wat de installatie en vervanging van defecte componenten aanzienlijk vergemakkelijkte. De frequenties begonnen te stijgen, de toegangstijden namen af. De eerste synchrone dynamische SDRAM-chips verschenen in 1993, geïntroduceerd door Samsung. Nieuwe microschakelingen werkten op 100 MHz, toegangstijd was 10 ns.
Vanaf dat moment begon de zegevierende mars van SDRAM, en in 2000 had dit soort herinnering alle concurrenten verdreven. De JEDEC-commissie (Joint Electron Device Engineering Council) heeft de definitie van standaarden in de RAM-markt overgenomen. De deelnemers hebben specificaties opgesteld die uniform zijn voor alle fabrikanten, goedgekeurde frequentie en elektrische kenmerken.
Verdere evolutie is niet zo interessant. De enige belangrijke gebeurtenis vond plaats in 2000, toen DDR SDRAM-standaard RAM op de markt verscheen. Het leverde tweemaal de bandbreedte van conventionele SDRAM en maakte de weg vrij voor toekomstige groei. DDR werd in 2004 gevolgd door de DDR2-standaard, die nog steeds het populairst is.
Octrooitrol
In de moderne IT-wereld verwijst de uitdrukking Patent Troll naar bedrijven die geld verdienen aan rechtszaken. Zij motiveren dit door het feit dat andere bedrijven hun auteursrecht hebben geschonden. De geheugenontwikkelaar van Rambus valt volledig onder deze definitie.
Sinds de oprichting in 1990 heeft Rambus zijn technologie in licentie gegeven aan derden. De controllers en geheugenchips zijn bijvoorbeeld te vinden in de Nintendo 64 en PlayStation 2. Rambus 'finest hour kwam in 1996, toen Intel een overeenkomst sloot met Intel om RDRAM- en RIMM-slots in zijn producten te gebruiken.
In eerste instantie verliep alles volgens plan. Intel kreeg de beschikking over geavanceerde technologie en Rambus was tevreden met een samenwerking met een van de grootste spelers in de IT-industrie. Helaas maakte de hoge prijs van RDRAM-modules en Intel-chipsets een einde aan de populariteit van het platform. Toonaangevende moederbordfabrikanten gebruikten VIA-chipsets en kaarten met connectoren voor gewone SDRAM.
Rambus realiseerde zich dat het in dit stadium de geheugenmarkt verloor en begon zijn lange spel met patenten. Het eerste dat ze tegenkwam, was een nieuwe JEDEC-ontwikkeling: DDR SDRAM-geheugen. Rambus viel haar aan en beschuldigde de makers van inbreuk op het auteursrecht. Het bedrijf ontving enige tijd royalty's in contanten, maar de volgende rechtszaak waarbij Infineon, Micron en Hynix betrokken waren, zette alles op zijn plaats. De rechtbank erkende dat technologische ontwikkelingen op het gebied van DDR SDRAM en SDRAM niet van Rambus zijn.
Sindsdien heeft het totale aantal claims van Rambus tegen toonaangevende RAM-fabrikanten alle denkbare limieten overschreden. En het lijkt erop dat deze manier van leven best goed bij het bedrijf past.
