V starih časih - to je bilo pred skoraj 80 leti, na začetku računalniške tehnologije - je bil spomin na računalniške naprave običajno razdeljen na tri vrste. Primarni, sekundarni in zunanji. Zdaj nihče ne uporablja te terminologije, čeprav sama klasifikacija obstaja še danes. Samo primarni pomnilnik se zdaj imenuje operativni, sekundarni - notranji trdi diski, zunanji pa je prikrit kot vse vrste optičnih diskov in bliskovnih pogonov.
Preden začnemo potovanje v preteklost, razumemo zgornjo klasifikacijo in razumemo, čemu služi vsaka vrsta spomina. Računalnik predstavlja informacije v obliki zaporedja bitov - binarnih števk z vrednostmi 1 ali 0. Splošno sprejeta univerzalna enota informacij je bajt, običajno sestavljen iz 8 bitov. Vsi podatki, ki jih uporablja računalnik, zasedajo določeno število bajtov. Na primer, tipična glasbena datoteka je 40 milijonov bitov - 5 milijonov bajtov (ali 4,8 megabajtov). Osrednji procesor ne more delovati brez osnovne pomnilniške naprave, saj je vse njegovo delo omejeno na sprejemanje, obdelavo in pisanje nazaj v pomnilnik. Zato je legendarni John von Neumann (njegovo ime smo omenili že večkrat v nizu člankov o glavnih mestih) ustvaril neodvisno strukturo znotraj računalnika,kjer bi bili shranjeni vsi potrebni podatki.
Klasifikacija notranjega pomnilnika deli tudi medije po načelu hitrosti (in energije). Hiter primarni (naključni dostop) pomnilnik se danes uporablja za shranjevanje kritičnih informacij, do katerih CPU najpogosteje dostopa. To je jedro operacijskega sistema, izvršljive datoteke tekočih programov, vmesni rezultati izračunov. Čas dostopa je minimalen, le nekaj nanosekund.
Primarni pomnilnik komunicira z regulatorjem, ki je nameščen znotraj procesorja (v najnovejših modelih CPU-ja) ali kot ločen čip na matični plošči (severni most). Cena RAM-a je sorazmerno visoka, poleg tega pa je nestanovitna: izklopili so računalnik ali po nesreči potegnili napajalni kabel iz vtičnice - in vse informacije so se izgubile. Zato so vse datoteke shranjene v sekundarnem pomnilniku - na ploščah trdega diska. Tukaj se podatki po izpadu električne energije ne izbrišejo, cena na megabajt pa je zelo nizka. Edina pomanjkljivost trdih diskov je nizka reakcijska hitrost, merjena je že v milisekundah.
Mimogrede, zanimivo dejstvo. Na začetku razvoja računalnikov primarni pomnilnik ni bil ločen od sekundarnega pomnilnika. Glavna procesna enota je bila zelo počasna, pomnilnik pa ni dajal ozkega grla. Spletni in obstojni podatki so bili shranjeni v istih komponentah. Kasneje, ko se je hitrost računalnikov povečala, so se pojavile nove vrste pomnilniških medijev.
Nazaj v preteklost
Ena glavnih sestavnih delov prvih računalnikov so bila elektromagnetna stikala, ki jih je leta 1835 razvil znani ameriški znanstvenik Joseph Henry, ko se noben računalnik ni niti sanjal. Preprost mehanizem je bil sestavljen iz žičnega ovijenega kovinskega jedra, premičnega železnega okovja in nekaj stikov. Henryjev razvoj je bil osnova za električni telegraf Samuela Morseja in Charlesa Whitstona.
Promocijski video:
Prvi računalnik na osnovi stikal se je pojavil v Nemčiji leta 1939. Inženir Konrad Süs jih je uporabil za izdelavo sistemske logike naprave Z2. Žal avto ni živel dolgo, njegovi načrti in fotografije pa so se izgubili med bombardiranjem druge svetovne vojne. Naslednja računalniška naprava Sius (pod imenom Z3) je bila izdana leta 1941. To je bil prvi računalnik, ki ga je upravljal program. Glavne funkcije stroja so bile realizirane z 2000 stikali. Konrad naj bi sistem prenesel na sodobnejše komponente, vendar je vlada financiranje zaprla, saj meni, da Siusove ideje nimajo prihodnosti. Tako kot njegov predhodnik je bil tudi Z3 uničen med napadi zavezniških bomb.
Elektromagnetna stikala so delovala zelo počasi, vendar razvoj tehnologije ni miroval. Druga vrsta pomnilnika za zgodnje računalniške sisteme so bile zapoznele linije. Informacije so prenašali električni impulzi, ki so se pretvorili v mehanske valove in se z majhno hitrostjo gibali skozi živo srebro, piezoelektrični kristal ali magnetnorezistentno tuljavo. Obstaja val - 1, ni vala - 0. Na stotine in tisoče impulzov bi lahko skozi enoto gradiva potovalo skozi dirigentni material. Na koncu poti se je vsak val spremenil nazaj v električni impulz in poslal na začetek - tukaj je za vas najpreprostejša operacija posodabljanja.
Čas zamude je razvil ameriški inženir John Presper Eckert. Računalnik EDVAC, predstavljen leta 1946, je vseboval dva spominska bloka s 64 zaporejočimi vrsticami na osnovi živega srebra (5,5 KB po sodobnih standardih). Takrat je bilo to več kot dovolj za delo. V EDVAC je bil prisoten tudi sekundarni pomnilnik - rezultati izračunov so bili zapisani na magnetni trak. Drugi sistem, UNIVAC 1, ki je bil izdan leta 1951, je uporabljal 100 blokov, ki temeljijo na zakasnitvenih linijah, in je imel zapleten načrt z veliko fizičnimi elementi za shranjevanje podatkov.
Pomnilniški linijski pomnilnik je bolj podoben hipersvemorskemu motorju vesoljske ladje. Težko si je predstavljati, vendar bi tak kolos lahko shranil le nekaj bitov podatkov!
Bobekovi otroci
Dva precej pomembna izuma na področju nosilcev podatkov sta ostala v zakulisju naše raziskave. Oboje je naredil nadarjeni uslužbenec Bell Labs Andrew Bobek. Prvi razvoj, tako imenovani pomnilnik twistor, bi lahko bil odlična alternativa magnetnemu jedru. Slednje je večinoma ponovila, a namesto feritnih obročev za shranjevanje podatkov je uporabila magnetni trak. Tehnologija je imela dve pomembni prednosti. Prvič, pomnilnik twistorja bi lahko hkrati zapisal in bral informacije iz številnih twistorjev. Poleg tega je bilo enostavno nastaviti samodejno proizvodnjo. Bell Labs je upal, da bo to znatno znižalo ceno pomnilnika twistorja in zasedlo obetaven trg.
Razvoj je financiral ameriški letalski vojni, spomin pa naj bi postal pomembna funkcionalna celica raket Nike Sentinel. Žal je delo na twistorjih trajalo dolgo, spomin na osnovi tranzistorjev pa je prišel na vrsto. Zajetje trga ni potekalo.
"Prvič na srečo, drugič na srečo," je pomislil Bell Labs. V začetku 70. let je Andrew Bobek predstavil nehlapni spomin na mehurčke. Temeljila je na tankem magnetnem filmu, ki je imel majhne magnetizirane regije (mehurčke), ki so shranjevale binarne vrednosti. Čez nekaj časa se je pojavila prva kompaktna celica s kapaciteto 4096 bitov - naprava, ki je merila en kvadratni centimeter, je imela kapaciteto celotnega traku z magnetnimi jedri.
Za izum se je začelo zanimati veliko podjetij, sredi 70. let pa so se vsi pomembni akterji na trgu lotili razvoja na področju mehurčnega spomina. Zaradi nehlapne strukture so bili mehurčki idealna zamenjava tako za primarni kot sekundarni pomnilnik. Toda tudi tu se načrti Bell Labs niso uresničili - poceni trdi diski in tranzistorski pomnilnik so blokirali kisik tehnologije mehurčkov.
Vakuum je naše vse
Konec 40. let se je sistemska logika računalnikov preselila v vakuumske cevi (gre tudi za elektronske cevi ali termovizijske gredi). Skupaj z njimi so televizija, naprave za reprodukcijo zvoka, analogni in digitalni računalniki dobili nov zagon v razvoju.
Vakuumske cevi so v tehnologiji preživele do danes. Še posebej so ljubljeni med avdiofili. Verjame se, da je ojačevalno vezje, ki temelji na vakuumskih ceveh, v kakovosti zvoka preseženo nad sodobnimi analogi.
Pod skrivnostno besedno zvezo "vakuumska cev" je v zgradbi precej preprost element. Spominja na navadno žarnico z žarilno nitko. Niti so zaprti v brezzračnem prostoru in pri segrevanju oddajajo elektrone, ki padejo na pozitivno nabit kovinsko ploščo. V žarnici pod napetostjo se ustvari tok elektronov. Vakuumska cev lahko prehaja ali blokira (faze 1 in 0) tok, ki poteka skozi njo, in deluje kot elektronska komponenta računalnikov. Med delovanjem vakuumske cevi postanejo zelo vroče, jih je treba intenzivno hladiti. So pa veliko hitrejša od predhodnih stikal.
Primarni spomin, ki temelji na tej tehnologiji, se je pojavil v letih 1946-1947, ko sta izumitelja Freddie Williams in Tom Kilburn uvedla cev Williams-Kilburn. Način shranjevanja podatkov je bil zelo iznajdljiv. V določenih pogojih se je na cevi pojavila luč, ki je rahlo napolnila zasedeno površino. Območje okoli točke je dobilo negativen naboj (imenovali so ga "energetski vodnjak"). Novo točko bi lahko postavili v "vodnjak" ali pustili brez nadzora - takrat bi prvotna točka hitro izginila. Pomnilniški krmilnik je te transformacije razlagal kot binarni fazi 1 in 0. Tehnologija je bila zelo priljubljena. Cevni pomnilnik Williams-Kilburn je bil nameščen v računalnikih Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 in Standard Western Western Automatic Computer (SWAC).
Vzporedno so inženirji iz ameriške Radio Corporation pod vodstvom znanstvenika Vladimirja Zvorykina razvijali svojo cev, imenovano selektron. Po ideji avtorjev naj bi selektron vseboval do 4096 bitov informacij, kar je štirikrat več kot epruveta Williams-Kilburn. Ocenili so, da bo do konca leta 1946 proizvedeno približno 200 selekrov, vendar se je proizvodnja izkazala za zelo drago.
Do pomladi 1948 ameriška Radio Corporation ni izdala niti enega selekona, a delo na konceptu se je nadaljevalo. Inženirji so prenovili cev in zdaj je na voljo manjša 256-bitna različica. Mini selektroni so bili hitrejši in zanesljivejši od cevi Williams-Kilburn, vendar so stali 500 dolarjev na kos. In to v množični proizvodnji! Selekron pa je uspel priti v računalniški stroj - leta 1953 je podjetje RAND izdalo računalnik pod smešnim imenom JOHNNIAC (v čast Johna von Neumanna). V sistemu so bili nameščeni zmanjšani 256-bitni selektroni, skupni pomnilnik pa je 32 bajtov.
Skupaj z vakuumskimi cevmi so nekateri računalniki takrat uporabljali bobenski spomin, ki ga je leta 1939 izumil Gustav Tauscek. Preprosta zasnova je vključevala velik kovinski valj, prevlečen s feromagnetno zlitino. Bralne glave se za razliko od sodobnih trdih diskov niso premikale po površini valja. Pomnilniški krmilnik je čakal, da bodo informacije same potovale pod glave. Boben spomin je bil uporabljen v računalniku Atanasov-Berry in nekaterih drugih sistemih. Žal je bila njegova uspešnost zelo nizka.
Selektron ni bil usojen osvojiti računalniški trg - lepo urejene elektronske komponente so še naprej zbirale prah v smeti zgodovine. In to kljub izjemnim tehničnim lastnostim.
Sodobne težnje
Trenutno na primarnem trgu pomnilnika vlada standard DDR. Natančneje, njegova druga generacija. Prehod na DDR3 se bo zgodil zelo kmalu - še vedno je treba počakati na pojav poceni nizov čipov, ki podpirajo nov standard. Zaradi široke standardizacije je bil spominski segment preveč dolgočasen za opisovanje. Proizvajalci so nehali izumljati nove, edinstvene izdelke. Vsa dela so povezana s povečanjem delovne frekvence in namestitvijo prefinjenega hladilnega sistema.
Tehnološka zastoja in neumni evolucijski koraki se bodo nadaljevali, dokler proizvajalci ne dosežejo meje zmogljivosti silicija (iz katerega so izdelana integrirana vezja). Navsezadnje pogostosti dela ni mogoče povečati v nedogled.
Vendar pa je tu en ulov. Zmogljivost obstoječih čipov DDR2 zadostuje za večino računalniških aplikacij (zapleteni znanstveni programi ne štejejo). Namestitev modulov DDR3, ki delujejo na 1066 MHz in višjih, ne povzroči občutnega povečanja hitrosti.
Zvezdne poti v prihodnost
Glavna pomanjkljivost spomina in vseh drugih komponent, ki temeljijo na vakuumskih ceveh, je bila proizvodnja toplote. Cevi je bilo treba ohladiti z radiatorji, zrakom in celo vodo. Poleg tega je konstantno segrevanje bistveno skrajšalo čas delovanja - cevi so razpadle na najbolj naraven način. Po koncu življenjske dobe so jih morali nenehno nastavljati in na koncu menjati. Si lahko predstavljate, koliko truda in denarja stane servis računalniških sistemov ?!
Čudna tekstura na fotografiji - gre za spomin z magnetnim jedrom. Tu je vizualna struktura enega od nizov z žicami in feritnimi obroči. Si lahko predstavljate, koliko časa ste morali porabiti, da ste med njimi našli neradni modul?
Potem je prišel čas nizov s tesno razporejenimi feritnimi obroči - izum ameriških fizikov An Wang in Wei-Dong Wu, ki sta ga študentje modificirali pod vodstvom Jaya Forresterja z Tehnološke univerze v Massachusettsu (MIT). Povezovalne žice so potekale skozi središča obročev pod kotom 45 stopinj (štiri za vsak obroč v zgodnjih sistemih, dva v bolj naprednih sistemih). Žice pod napetostjo magnetizirajo feritne obroče, od katerih lahko vsaka shrani en bit podatkov (magnetizirano - 1, demagnetizirano - 0).
Jay Forrester je razvil sistem, v katerem so krmilni signali za več jeder bili poslani po samo nekaj žicah. Leta 1951 je bil sproščen pomnilnik, ki temelji na magnetnih jedrih (neposreden analog sodobnega pomnilnika z naključnim dostopom). Pozneje je zasedel svoje mesto v mnogih računalnikih, vključno s prvimi generacijami glavnih proizvajalcev DEC in IBM. V primerjavi s predhodniki nova vrsta pomnilnika praktično ni imela pomanjkljivosti. Njegova zanesljivost je zadostovala za delovanje v vojaških in celo vesoljskih plovilih. Po strmoglavljenju šatla Challenger, ki je privedlo do smrti sedmih članov posadke, so podatki vgrajenega računalnika, zapisani v spomin z magnetnimi jedri, ostali nedotaknjeni in nedotaknjeni.
Tehnologijo so postopoma izpopolnjevali. Feritne kroglice so se zmanjšale v velikosti, hitrost dela se je povečala. Prvi vzorci so delovali s frekvenco približno 1 MHz, čas dostopa je bil 60.000 ns - do sredine 70-ih je padel na 600 ns.
Draga, zmanjšal sem naš spomin
Naslednji preskok v razvoju računalniškega pomnilnika je prišlo, ko so izumili integrirana vezja in tranzistorje. Industrija je stopila na pot miniaturnih komponent in hkrati povečala njihovo učinkovitost. V začetku sedemdesetih let je industrija polprevodnikov obvladala proizvodnjo visoko integriranih mikrovezij - desetine tisoč tranzistorjev se zdaj prilegajo na razmeroma majhnem območju. Pojavili so se pomnilniški čipi s kapaciteto 1 Kbit (1024 bitov), majhni čipi za kalkulatorje in celo prvi mikroprocesorji. Zgodila se je prava revolucija.
Proizvajalci pomnilnikov se danes bolj ukvarjajo s videzom svojih izdelkov - vsi enaki standardi in značilnosti so vnaprej določeni v komisijah, kot je JEDEC.
Dr. Robert Dennard iz podjetja IBM je posebno prispeval k razvoju primarnega spomina. Razvil je prvi čip, ki temelji na tranzistorju in majhnem kondenzatorju. Leta 1970 je trg spodbudil Intel (ki se je pojavil le dve leti prej) z uvedbo pomnilniškega čipa 1Kb i1103. Dve leti pozneje je ta izdelek postal najbolje prodajani polprevodniški spominski čip na svetu.
V dneh prvega Apple Macintosha je blok RAM zasedel ogromno palico (na zgornji fotografiji), medtem ko glasnost ni presegla 64 KB.
Visoko integrirana mikro vezja so hitro nadomestila starejše vrste pomnilnika. S prehodom na naslednjo stopnjo razvoja so obsežni Mainframes popustili namiznim računalnikom. Glavni spomin v tistem času je bil dokončno ločen od sekundarnega, v obliki ločenih mikročipov z zmogljivostjo 64, 128, 256, 512 Kbit in celo 1 Mbit.
Končno so primarne pomnilniške čipe premaknili z matičnih plošč na ločene trakove, kar je močno olajšalo namestitev in zamenjavo okvarjenih komponent. Pogostosti so začele naraščati, časi dostopa so se zniževali. Prvi sinhroni dinamični čipi SDRAM so se pojavili leta 1993, ki jih je predstavil Samsung. Nova mikrovezja so delovala na 100 MHz, čas dostopa je bil 10 ns.
Od tega trenutka se je začel zmagoviti pohod SDRAM-a in do leta 2000 je ta vrsta spomina izničila vse tekmovalce. Opredelitev standardov na trgu RAM je prevzela komisija JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). Njeni udeleženci so oblikovali specifikacije, ki so enotne za vse proizvajalce, odobrili so frekvenco in električne lastnosti.
Nadaljnja evolucija ni tako zanimiva. Edini pomemben dogodek se je zgodil leta 2000, ko se je na trgu pojavil standardni RAM DDR SDRAM. Omogočila je dvakratno pasovno širino običajnega SDRAM-a in postavila temelj za prihodnjo rast. DDR je leta 2004 sledil standard DDR2, ki je še vedno najbolj priljubljen.
Patentni trol
V sodobnem svetu IT se stavek Patent Troll nanaša na podjetja, ki zaslužijo s tožbami. To motivirajo s tem, da so druga podjetja kršila njihove avtorske pravice. Razvijalec pomnilnika Rambus v celoti spada pod to opredelitev.
Rambus je od svoje ustanovitve leta 1990 svojo tehnologijo licenciral tretjim osebam. Na primer, njegove krmilnike in pomnilniške čipe lahko najdemo v Nintendo 64 in PlayStation 2. Najboljša ura Rambusa je prišla leta 1996, ko je Intel sklenil sporazum z Intelom, da v svojih izdelkih uporablja reže RDRAM in RIMM.
Sprva je šlo vse po načrtu. Intel je imel na razpolago napredno tehnologijo, Rambus pa je bil zadovoljen s partnerstvom z enim največjih akterjev v IT industriji. Na žalost je visoka cena modulov RDRAM in Intel čipsetov končala priljubljenost platforme. Vodilni proizvajalci matičnih plošč so za navaden SDRAM uporabljali čipsete in plošče VIA s priključki.
Rambus je spoznal, da je v tej fazi izgubil trg spomina, in začel svojo dolgo igro s patenti. Prva stvar, na katero je naletela, je bil svež razvoj JEDEC - pomnilnik DDR SDRAM. Rambus jo je napadel in obtožil ustvarjalce za kršenje avtorskih pravic. Družba je nekaj časa prejemala denarne honorarje, toda naslednji sodni spor, ki je vključeval Infineon, Micron in Hynix, je vse postavil na svoje mesto. Sodišče je priznalo, da tehnološki razvoj na področju DDR SDRAM in SDRAM ne pripada Rambusu.
Od takrat je skupno število zahtevkov Rambusa do vodilnih proizvajalcev RAM-a preseglo vse domnevne meje. In zdi se, da tak način življenja družbi precej ustreza.