Не найдётся ли у вас оперативной памяти, мистер Нейман?
Все мы знаем что такое оперативная память, а также что её всегда недостаточно. Не согласится разве что компания Apple, считающая, что 8 гигабайтов хватит всем. Но когда и как возникла оперативная память? Как устроена она на уровне полупроводников и логических вентилей? Как раньше обходились без неё, и возможно ли отказаться от неё снова? Попробуем разобраться в этом, пройдясь по хронологии развития технологии и заодно порассуждаем о том, что нас ожидает в будущем.
Архитектура фон Неймана
Современная вычислительная техника в значительной мере основывается на архитектуре, предложенной Джоном фон Нейманом в середине XX века. Эта архитектура предполагает разделение системы на пять основных компонентов: арифметико-логическое устройство, устройство управления, память, устройства ввода и вывода.
Джон фон Нейман (слева) и Роберт Оппенгеймер у компьютера MANIAC I, 1952 год.
Важным аспектом архитектуры фон Неймана является концепция программируемого устройства, где память используется для хранения как данных, так и инструкций, что обеспечивает гибкость и универсальность вычислительных машин. Эта архитектура стала основой для большинства современных компьютеров, определяя принципы работы центрального процессора (ЦП) и взаимодействия его с памятью.
И всё было бы прекрасно, если бы не одно «но»: память может быть либо быстрой, либо с малой задержкой, либо дешёвой по отношению к объёму. Но не всё сразу. Так было в начале прошлого века, и так остаётся до сих пор. В результате сегодня доминирующей архитектурой компьютеров является Гарвардская, где основной накопитель информации и память для хранения команд процессора являются раздельными устройствами.
С чего всё начиналось
История оперативной памяти начинается с момента зарождения вычислительной техники в середине XX века. В первых электронно-вычислительных машинах (ЭВМ) использовали электронные лампы в качестве основных элементов памяти. Эти устройства были громоздкими, энергоёмкими и требовали постоянного технического обслуживания. Например, одна из первых ЭВМ — ENIAC — занимала целую комнату и потребляла огромное количество электроэнергии.
Появление транзисторов в 1950-х и 1960-х годах стало важным этапом в развитии вычислительной техники. Транзисторы заменили электронные лампы, что позволило значительно уменьшить размеры устройств, снизить энергопотребление и повысить надёжность. В 1960-х годах появилась первая полупроводниковая память — статическая оперативная память (SRAM), которая использовала шесть транзисторов для хранения одного бита данных.
Переход к динамической памяти
В 1969 году был сделан следующий важный шаг в развитии оперативной памяти: компания Intel разработала первый коммерческий чип динамической оперативной памяти (DRAM). В отличие от SRAM, DRAM использует всего один транзистор и один конденсатор для хранения каждого бита данных, что позволяет значительно увеличить плотность размещения памяти и уменьшить её стоимость. Однако DRAM требует периодического обновления данных, что усложняет её использование.
Первый коммерческий чип SRAM-памяти, Intel 1101 на 256 битов, 1969 год.
Первые модули DRAM имели ёмкость всего 1 килобайт, но со временем ёмкость памяти увеличивалась экспоненциально. В 1980-х годах появились первые модули DRAM с ёмкостью в мегабайты, что открыло новые возможности для разработки более мощных и многофункциональных компьютеров. DRAM стала основой для оперативной памяти во многих системах, так как её высокая плотность хранения данных и сравнительно низкая стоимость позволили создавать более компактные и производительные устройства.
Модуль оперативной памяти 98257A на 1 МБ, 1985 год.
SRAM и DRAM
SRAM (Static RAM)
SRAM, или статическая оперативная память, представляет собой тип памяти, который не требует периодического обновления для поддержания своих данных. В её основе лежит схема flip-flop из шести транзисторов. SRAM быстрее DRAM, так как доступ к данным осуществляется без задержек на обновление. Однако она дороже в производстве и имеет большую физическую размерность на бит данных.
SRAM широко используется в кеш-памяти процессоров благодаря своей высокой скорости и надёжности. Она позволяет значительно ускорить доступ к часто используемым данным и инструкциям, что критично для повышения общей производительности системы.
DRAM (Dynamic RAM)
DRAM, или динамическая оперативная память, использует один транзистор и один конденсатор для хранения каждого бита данных. Она требует регулярного обновления информации, поскольку заряд на конденсаторе постепенно расходуется. DRAM медленнее SRAM, но имеет гораздо более высокую плотность хранения и значительно меньшую стоимость производства, что делает её идеальной для использования в качестве основной оперативной памяти в компьютерах и других устройствах.
DRAM обеспечивает достаточный объём памяти для выполнения сложных вычислительных задач и работы с большим количеством информации.
Заглянем в будущее
Будущее развития памяти ведёт к возможному отходу от Гарвардской архитектуры и возвращению к архитектуре фон Неймана. Новые технологии позволяют создавать постоянную память (NVRAM), которая по скорости работы и времени задержки приближается к оперативной. Это может привести к исчезновению различий между оперативной и постоянной памятью, создавая единый накопитель данных. Уже сейчас постоянные накопители активно используются для swap-разделов, и современные PCIe SSD начинают приближаться по характеристикам к DDR4.
Постоянная память и swap-разделы
Использование постоянной памяти в качестве временного хранилища данных (swap) уже давно практикуется в вычислительных системах. С появлением высокоскоростных PCIe SSD накопителей этот подход становится всё более эффективным. Эти накопители предлагают высокую скорость чтения и записи, значительно улучшая производительность системы при интенсивных вычислительных нагрузках.
В будущем мы можем ожидать появления новых типов памяти, в которых объединятся преимущества оперативной и постоянной, обеспечивая быстрый доступ к данным и их надёжное хранение без необходимости разделения на разные типы памяти. Это может привести к революции в архитектуре компьютеров и созданию более эффективных и производительных систем.
Система на чипе Apple Silicone M1.
Заключение
Оперативная память прошла долгий путь от громоздких и ненадёжных электронных ламп до современных высокоэффективных модулей DDR. Эволюция технологий памяти значительно повысила производительность и функциональность вычислительных систем, открыв новые горизонты для науки, техники и повседневной жизни. Однако эволюция не всегда ведёт только вперёд: иногда она возвращается к истокам. Возможно, архитектуры компьютеров вернутся от Гарвардской к фон Неймановской. С развитием процессоров ARM и x86, стремящихся к интеграции всех компонентов, и быстрым прогрессом постоянной памяти, это кажется всё более вероятным.
