Na antiguidade - isso foi há quase 80 anos, no alvorecer da tecnologia de computação - a memória dos dispositivos de computação costumava ser dividida em três tipos. Primário, secundário e externo. Ninguém usa essa terminologia, embora a própria classificação exista até hoje. Apenas a memória primária é agora chamada de operacional, secundária - unidades de disco rígido internas, e a externa está disfarçada em todos os tipos de discos ópticos e unidades flash.
Antes de iniciar uma viagem ao passado, vamos entender a classificação acima e entender para que serve cada tipo de memória. Um computador representa informações na forma de uma sequência de bits - dígitos binários com valores de 1 ou 0. A unidade universal de informação geralmente aceita é um byte, geralmente consistindo de 8 bits. Todos os dados usados pelo computador ocupam um certo número de bytes. Por exemplo, um arquivo de música típico tem 40 milhões de bits - 5 milhões de bytes (ou 4,8 megabytes). O processador central não pode funcionar sem um dispositivo de memória elementar, porque todo o seu trabalho se reduz a receber, processar e gravar de volta na memória. É por isso que o lendário John von Neumann (mencionamos seu nome mais de uma vez em uma série de artigos sobre mainframes) criou uma estrutura independente dentro do computador,onde todos os dados necessários seriam armazenados.
A classificação da memória interna também divide a mídia de acordo com o princípio de velocidade (e energia). A memória primária rápida (acesso aleatório) é usada hoje para armazenar informações críticas que a CPU acessa com mais frequência. Este é o kernel do sistema operacional, arquivos executáveis de programas em execução, resultados intermediários de cálculos. O tempo de acesso é mínimo, apenas alguns nanossegundos.
A memória primária se comunica com um controlador localizado dentro do processador (nos modelos de CPU mais recentes) ou como um chip separado na placa-mãe (ponte norte). O preço da RAM é relativamente alto, além disso, é volátil: desligaram o computador ou puxaram acidentalmente o cabo de alimentação da tomada - e todas as informações foram perdidas. Portanto, todos os arquivos são armazenados na memória secundária - nos pratos do disco rígido. As informações aqui não são apagadas após uma queda de energia e o preço por megabyte é muito baixo. A única desvantagem dos discos rígidos é a baixa velocidade de reação, que já é medida em milissegundos.
A propósito, um fato interessante. No início do desenvolvimento dos computadores, a memória primária não era separada da memória secundária. A unidade de processamento principal era muito lenta e a memória não produzia um efeito de gargalo. Dados online e persistentes foram armazenados nos mesmos componentes. Mais tarde, quando a velocidade dos computadores aumentou, novos tipos de mídia de armazenamento apareceram.
De volta ao passado
Um dos principais componentes dos primeiros computadores foram interruptores eletromagnéticos, desenvolvidos pelo famoso cientista americano Joseph Henry em 1835, quando ninguém sequer sonhava com computadores. O mecanismo simples consistia em um núcleo de metal envolto em arame, acessórios de ferro móveis e alguns contatos. O desenvolvimento de Henry formou a base para o telégrafo elétrico de Samuel Morse e Charles Whitstone.
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O primeiro computador baseado em interruptores apareceu na Alemanha em 1939. O engenheiro Konrad Süs os usou para criar a lógica do sistema do dispositivo Z2. Infelizmente, o carro não durou muito, e seus planos e fotos foram perdidos durante o bombardeio da Segunda Guerra Mundial. O próximo dispositivo de computação Sius (sob o nome de Z3) foi lançado em 1941. Este foi o primeiro computador controlado pelo programa. As principais funções da máquina foram realizadas com 2.000 interruptores. Konrad ia transferir o sistema para componentes mais modernos, mas o governo fechou o financiamento, acreditando que as ideias de Sius não tinham futuro. Como seu antecessor, o Z3 foi destruído durante os bombardeios aliados.
Os interruptores eletromagnéticos funcionavam muito lentamente, mas o desenvolvimento da tecnologia não parava. O segundo tipo de memória para os primeiros sistemas de computador eram as linhas de atraso. A informação era transportada por impulsos elétricos, que eram convertidos em ondas mecânicas e, em baixa velocidade, movidos por mercúrio, um cristal piezoelétrico ou uma bobina magnetorresistiva. Existe uma onda - 1, não existe nenhuma onda - 0. Centenas e milhares de impulsos poderiam viajar através do material condutor por unidade de tempo. No final de seu caminho, cada onda foi transformada de volta em um impulso elétrico e enviada para o início - aqui está a operação de atualização mais simples para você.
A linha de atraso foi desenvolvida pelo engenheiro americano John Presper Eckert. O computador EDVAC, lançado em 1946, continha dois blocos de memória com 64 linhas de atraso baseadas em mercúrio (5,5 KB pelos padrões modernos). Naquela época, isso era mais do que suficiente para o trabalho. A memória secundária também estava presente no EDVAC - os resultados dos cálculos eram gravados em fita magnética. Outro sistema, o UNIVAC 1, lançado em 1951, usava 100 blocos baseados em linhas de atraso e tinha um design complexo com muitos elementos físicos para armazenar dados.
A memória da linha de atraso é mais como o motor do hiperespaço de uma nave espacial. É difícil imaginar, mas tal colosso só poderia armazenar alguns bits de dados!
Filhos de Bobek
Duas invenções bastante significativas no campo dos portadores de dados permaneceram nos bastidores de nossa pesquisa. Ambos foram feitos pelo talentoso funcionário da Bell Labs, Andrew Bobek. O primeiro desenvolvimento, a chamada memória de twistor, pode ser uma excelente alternativa à memória de núcleo magnético. Ela praticamente repetiu o último, mas em vez de anéis de ferrite para armazenamento de dados, ela usou fita magnética. A tecnologia tinha duas vantagens importantes. Primeiro, a memória do twistor pode escrever e ler simultaneamente informações de vários twistors. Além disso, foi fácil configurar a produção automática. O Bell Labs esperava que isso reduzisse significativamente o preço da memória de twistor e ocupasse um mercado promissor.
O desenvolvimento foi financiado pela Força Aérea dos Estados Unidos e a memória se tornaria uma importante célula funcional dos mísseis Nike Sentinel. Infelizmente, o trabalho nos torções demorou muito e a memória baseada em transistores veio à tona. A captura de mercado não ocorreu.
“Má sorte na primeira vez, muita sorte na segunda”, pensou Bell Labs. No início dos anos 70, Andrew Bobek introduziu a memória de bolha não volátil. Era baseado em um fino filme magnético que continha pequenas regiões magnetizadas (bolhas) que armazenavam valores binários. Depois de algum tempo, apareceu a primeira célula compacta com capacidade para 4.096 bits - um dispositivo de um centímetro quadrado tinha capacidade para uma faixa inteira com núcleos magnéticos.
Muitas empresas se interessaram pela invenção e, em meados dos anos 70, todos os principais participantes do mercado iniciaram o desenvolvimento no campo da memória de bolhas. A estrutura não volátil tornava as bolhas um substituto ideal para a memória primária e secundária. Mas mesmo aqui os planos da Bell Labs não se concretizaram - discos rígidos baratos e memória de transistor bloquearam o oxigênio da tecnologia de bolhas.
O vácuo é tudo para nós
No final da década de 40, a lógica do sistema dos computadores mudou para tubos de vácuo (também são tubos eletrônicos ou eixos termiônicos). Junto com eles, televisão, aparelhos de reprodução de som, computadores analógicos e digitais receberam um novo impulso de desenvolvimento.
Os tubos de vácuo sobreviveram em tecnologia até hoje. Eles são especialmente amados entre os audiófilos. Acredita-se que o circuito amplificador baseado em válvulas-válvulas está um degrau acima dos análogos modernos em qualidade de som.
Sob a misteriosa frase "tubo de vácuo" é um elemento estrutural bastante simples. Assemelha-se a uma lâmpada incandescente comum. O filamento é encerrado em um espaço sem ar e, quando aquecido, emite elétrons, que caem sobre uma placa de metal carregada positivamente. Um fluxo de elétrons é gerado dentro da lâmpada sob tensão. O tubo de vácuo pode passar ou bloquear (fases 1 e 0) a corrente que passa por ele, agindo como um componente eletrônico dos computadores. Durante a operação, os tubos de vácuo ficam muito quentes, devem ser resfriados intensamente. Mas eles são muito mais rápidos do que os interruptores antediluvianos.
A memória primária baseada nesta tecnologia apareceu em 1946-1947, quando os inventores Freddie Williams e Tom Kilburn introduziram o cachimbo Williams-Kilburn. O método de armazenamento de dados era muito engenhoso. Sob certas condições, um ponto de luz apareceu no tubo, que carregou levemente a superfície ocupada. A área ao redor do ponto adquiriu uma carga negativa (era chamada de "poço de energia"). Um novo ponto poderia ser colocado no "poço" ou deixado sem vigilância - então o ponto original desapareceria rapidamente. Essas transformações foram interpretadas pelo controlador de memória como fases binárias 1 e 0. A tecnologia era muito popular. A memória de tubo Williams-Kilburn foi instalada em computadores Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 e Standards Western Automatic Computer (SWAC).
Paralelamente, engenheiros da Radio Corporation of America, sob a direção do cientista Vladimir Zvorykin, desenvolviam seu próprio tubo, chamado selectron. De acordo com a ideia dos autores, o selektron deveria conter até 4.096 bits de informação, o que é quatro vezes mais que o tubo de Williams-Kilburn. Estimou-se que no final de 1946 cerca de 200 selétrons seriam produzidos, mas a produção provou ser muito cara.
Até a primavera de 1948, a Radio Corporation of America não lançou um único selectron, mas o trabalho no conceito continuou. Os engenheiros redesenharam o tubo e uma versão menor de 256 bits já está disponível. Os minisselétrons eram mais rápidos e confiáveis do que os tubos Williams-Kilburn, mas custavam US $ 500 cada. E isso está em produção em massa! Os selétrons, no entanto, conseguiram entrar na máquina de computação - em 1953 a empresa RAND lançou um computador com o nome engraçado de JOHNNIAC (em homenagem a John von Neumann). Selétrons reduzidos de 256 bits foram instalados no sistema e a memória total era de 32 bytes.
Junto com tubos de vácuo, alguns computadores da época usavam memória de tambor, inventada por Gustav Tauscek em 1939. O projeto simples envolvia um grande cilindro de metal revestido com uma liga ferromagnética. As cabeças de leitura, ao contrário dos discos rígidos modernos, não se moviam sobre a superfície do cilindro. O controlador de memória esperou que as informações passassem por conta própria. A memória do tambor foi usada no computador Atanasov-Berry e alguns outros sistemas. Infelizmente, seu desempenho foi muito baixo.
O Selektron não estava destinado a conquistar o mercado de computadores - componentes eletrônicos de boa aparência permaneceram acumulando poeira na lata de lixo da história. E isso apesar das excelentes características técnicas.
Tendências modernas
No momento, o mercado de memória primária é regido pelo padrão DDR. Mais precisamente, sua segunda geração. A transição para DDR3 ocorrerá muito em breve - resta esperar pelo aparecimento de chipsets baratos com suporte para o novo padrão. A padronização generalizada tornou o segmento de memória chato demais para ser descrito. Os fabricantes pararam de inventar produtos novos e exclusivos. Todo o trabalho se resume a aumentar a frequência de operação e instalar um sofisticado sistema de refrigeração.
A estagnação tecnológica e as tímidas etapas evolutivas continuarão até que os fabricantes atinjam o limite das capacidades do silício (é a partir dele que os circuitos integrados são feitos). Afinal, a frequência do trabalho não pode ser aumentada indefinidamente.
No entanto, há um problema aqui. O desempenho dos chips DDR2 existentes é suficiente para a maioria dos aplicativos de computador (programas científicos complexos não contam). Instalar módulos DDR3 operando a 1066 MHz e superior não leva a um aumento tangível na velocidade.
Star Trek para o futuro
A principal desvantagem da memória, e de todos os outros componentes baseados em tubos de vácuo, era a geração de calor. Os tubos tiveram que ser resfriados com radiadores, ar e até mesmo água. Além disso, o aquecimento constante reduziu significativamente o tempo de operação - os tubos se degradaram da maneira mais natural. No final de sua vida útil, eles tiveram que ser constantemente ajustados e eventualmente alterados. Você pode imaginar quanto esforço e dinheiro custou a manutenção de sistemas de computador ?!
Textura estranha na foto - é uma memória de núcleo magnético. Aqui está uma estrutura visual de uma das matrizes com fios e anéis de ferrite. Você pode imaginar quanto tempo você teve que gastar para encontrar um módulo não funcional entre eles?
Então chegou a hora dos arranjos com anéis de ferrita bem espaçados - uma invenção dos físicos americanos An Wang e Wei-Dong Wu, modificada por estudantes sob a direção de Jay Forrester, do Massachusetts Institute of Technology (MIT). Os fios de conexão percorriam os centros dos anéis em um ângulo de 45 graus (quatro para cada anel nos sistemas anteriores, dois nos sistemas mais avançados). Sob tensão, os fios magnetizaram anéis de ferrite, cada um dos quais poderia armazenar um bit de dados (magnetizado - 1, desmagnetizado - 0).
Jay Forrester desenvolveu um sistema no qual os sinais de controle para vários núcleos eram enviados por apenas alguns fios. Em 1951, uma memória baseada em núcleos magnéticos (um análogo direto da moderna memória de acesso aleatório) foi lançada. Mais tarde, ele ocupou seu lugar de direito em muitos computadores, incluindo as primeiras gerações de mainframes de DEC e IBM. Comparado com seus predecessores, o novo tipo de memória praticamente não tinha desvantagens. Sua confiabilidade era suficiente para funcionar em aeronaves militares e até mesmo em espaçonaves. Após a queda da nave Challenger, que causou a morte de sete de seus tripulantes, os dados do computador de bordo, gravados na memória com núcleos magnéticos, permaneceram intactos e intactos.
A tecnologia foi aprimorada gradualmente. Os grânulos de ferrite diminuíram de tamanho, a velocidade de trabalho aumentou. As primeiras amostras operavam a uma frequência de cerca de 1 MHz, o tempo de acesso era de 60.000 ns - em meados dos anos 70 havia caído para 600 ns.
Querida, eu reduzi nossa memória
O próximo salto no desenvolvimento da memória do computador veio quando os circuitos integrados e os transistores foram inventados. A indústria escolheu o caminho da miniaturização de componentes enquanto aumenta seu desempenho. No início da década de 1970, a indústria de semicondutores dominou a produção de microcircuitos altamente integrados - dezenas de milhares de transistores agora cabem em uma área relativamente pequena. Surgiram chips de memória com capacidade de 1 Kbit (1024 bits), pequenos chips para calculadoras e até os primeiros microprocessadores. Uma verdadeira revolução aconteceu.
Os fabricantes de memória atualmente estão mais preocupados com a aparência de seus produtos - todos os mesmos padrões e características são predeterminados em comissões como JEDEC.
O Dr. Robert Dennard, da IBM, fez uma contribuição especial para o desenvolvimento da memória primária. Ele desenvolveu o primeiro chip baseado em um transistor e um pequeno capacitor. Em 1970, o mercado foi estimulado pela Intel (que havia surgido apenas dois anos antes) com o lançamento do chip de memória i1103 de 1Kb. Dois anos depois, esse produto se tornou o chip de memória semicondutor mais vendido do mundo.
Na época do primeiro Apple Macintosh, o bloco de RAM ocupava uma barra enorme (na foto acima), enquanto o volume não ultrapassava 64 KB.
Microcircuitos altamente integrados substituíram rapidamente os tipos mais antigos de memória. Com a transição para o próximo nível de desenvolvimento, mainframes volumosos deram lugar aos computadores desktop. A memória principal da época foi finalmente separada da secundária, assumindo a forma de microchips separados com capacidade de 64, 128, 256, 512 Kbit e até 1 Mbit.
Finalmente, os chips de memória primária foram movidos das placas-mãe para tiras separadas, o que facilitou muito a instalação e substituição de componentes defeituosos. As frequências começaram a aumentar, os tempos de acesso diminuíram. Os primeiros chips SDRAM dinâmicos síncronos surgiram em 1993, introduzidos pela Samsung. Novos microcircuitos trabalhavam a 100 MHz, o tempo de acesso era de 10 ns.
A partir desse momento, teve início a marcha vitoriosa da SDRAM, e em 2000 esse tipo de memória já havia derrubado todos os concorrentes. A comissão JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) assumiu a definição de padrões no mercado de RAM. Seus participantes formaram especificações que são uniformes para todos os fabricantes, frequência aprovada e características elétricas.
A evolução posterior não é tão interessante. O único evento significativo ocorreu em 2000, quando a RAM padrão DDR SDRAM apareceu no mercado. Forneceu o dobro da largura de banda do SDRAM convencional e preparou o terreno para um crescimento futuro. O DDR foi seguido em 2004 pelo padrão DDR2, que ainda é o mais popular.
Troll de patentes
No mundo moderno de TI, a frase Patent Troll se refere a empresas que ganham dinheiro com ações judiciais. Eles motivam isso pelo fato de que outras empresas violaram seus direitos autorais. O desenvolvedor de memória Rambus se enquadra inteiramente nesta definição.
Desde sua fundação em 1990, a Rambus tem licenciado sua tecnologia para terceiros. Por exemplo, seus controladores e chips de memória podem ser encontrados no Nintendo 64 e no PlayStation 2. O melhor momento da Rambus veio em 1996, quando a Intel fez um acordo com a Intel para usar slots RDRAM e RIMM em seus produtos.
No início, tudo correu conforme o planejado. A Intel tem tecnologia avançada à sua disposição e a Rambus se contenta com a parceria com um dos maiores players do setor de TI. Infelizmente, o alto preço dos módulos RDRAM e dos chipsets Intel acabou com a popularidade da plataforma. Os principais fabricantes de placas-mãe usaram chipsets VIA e placas com conectores para SDRAM regulares.
A Rambus percebeu que nessa fase havia perdido o mercado de memórias e começou seu longo jogo com as patentes. A primeira coisa que ela encontrou foi um novo desenvolvimento JEDEC - memória DDR SDRAM. Rambus a atacou, acusando os criadores de violação de direitos autorais. Por algum tempo, a empresa recebeu royalties em dinheiro, mas o próximo processo judicial envolvendo a Infineon, Micron e Hynix colocou tudo em seu lugar. O tribunal reconheceu que os desenvolvimentos tecnológicos no campo de DDR SDRAM e SDRAM não pertencem à Rambus.
Desde então, o número total de reclamações da Rambus contra os principais fabricantes de RAM excedeu todos os limites imagináveis. E parece que esse modo de vida se adapta muito bem à empresa.
