stringtranslate.com

Память компьютера

Модуль DDR4 SDRAM . По состоянию на 2021 год более 90 процентов компьютерной памяти, используемой в ПК и серверах, относилось к этому типу. [1]

В памяти компьютера хранится информация, такая как данные и программы, для немедленного использования в компьютере . [2] Термин «память» часто является синонимом термина « первичное хранилище» или «основная память» . Архаичным синонимом памяти является хранилище . [3]

Основная память работает с более высокой скоростью по сравнению с хранилищем , которое медленнее, но дешевле и имеет большую емкость. Помимо хранения открытых программ, память компьютера служит дисковым кэшем и буфером записи для улучшения производительности чтения и записи. Операционные системы заимствуют объем оперативной памяти для кэширования до тех пор, пока он не требуется для запуска программного обеспечения. [4] При необходимости содержимое памяти компьютера можно перенести в хранилище; Обычный способ сделать это — использовать технику управления памятью, называемую виртуальной памятью .

Современная компьютерная память реализована в виде полупроводниковой памяти , [5] [6] где данные хранятся в ячейках памяти , построенных из МОП-транзисторов и других компонентов интегральной схемы . [7] Существует два основных типа полупроводниковой памяти: энергозависимая и энергонезависимая . Примерами энергонезависимой памяти являются флэш-память и память ROM , PROM , EPROM и EEPROM . Примерами энергозависимой памяти являются динамическая память с произвольным доступом (DRAM), используемая в качестве основного хранилища, и статическая память с произвольным доступом (SRAM), используемая в основном для кэша ЦП .

Большая часть полупроводниковой памяти организована в ячейки памяти, каждая из которых хранит один бит (0 или 1). Организация флэш-памяти включает как один бит на ячейку памяти, так и многоуровневую ячейку , способную хранить несколько битов на ячейку. Ячейки памяти группируются в слова фиксированной разрядности , например, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 или 128 бит. Доступ к каждому слову осуществляется по двоичному адресу из N бит, что позволяет хранить в памяти 2 N слов.

История

Электромеханическая память, используемая в IBM 602 , одном из первых калькуляторов-умножителей.
Деталь задней части секции ENIAC , показывающая электронные лампы.
Лампа Вильямса , используемая в качестве памяти в компьютере IAS c.  1951 год
Карта microSDHC емкостью 8 ГБ поверх 8 байт памяти на магнитном сердечнике (1 ядро ​​соответствует 1 биту ).     

В начале 1940-х годов технология памяти часто допускала емкость в несколько байт. Первый электронный программируемый цифровой компьютер , ЭНИАК , использующий тысячи электронных ламп , мог выполнять простые вычисления, включающие 20 чисел из десяти десятичных цифр, хранящихся в электронных лампах.

Следующим значительным достижением в области компьютерной памяти стала акустическая память с линией задержки , разработанная Дж. Преспером Эккертом в начале 1940-х годов. Благодаря конструкции стеклянной трубки, наполненной ртутью и закупоренной на каждом конце кристаллом кварца, линии задержки могут хранить биты информации в виде звуковых волн, распространяющихся через ртуть, при этом кристаллы кварца действуют как преобразователи для чтения и записи битов. . Память линии задержки была ограничена емкостью до нескольких тысяч бит.

Две альтернативы линии задержки, трубка Вильямса и трубка Селекрона , возникли в 1946 году, обе используют электронные лучи в стеклянных трубках в качестве средства хранения. Используя электронно-лучевые трубки , Фред Уильямс изобрел трубку Уильямса, которая стала первой компьютерной памятью с произвольным доступом . Трубка Вильямса могла хранить больше информации, чем трубка Селекрона (селекрон был ограничен 256 битами, тогда как трубка Вильямса могла хранить тысячи), и была дешевле. Тем не менее трубка Уильямса оказалась крайне чувствительной к воздействиям окружающей среды.

В конце 1940-х годов начались попытки найти энергонезависимую память . Память на магнитном сердечнике позволяла вызывать воспоминания после отключения питания. Она была разработана Фредериком В. Вие и Ан Вангом в конце 1940-х годов и улучшена Джеем Форрестером и Яном А. Райчманом в начале 1950-х годов, прежде чем она была коммерциализирована вместе с компьютером Whirlwind I в 1953 году. [8] Память с магнитным сердечником была доминирующая форма памяти до разработки полупроводниковой МОП- памяти в 1960-х годах. [9]

Первая полупроводниковая память была реализована в виде триггерной схемы в начале 1960-х годов с использованием биполярных транзисторов . [9] Полупроводниковая память, изготовленная из дискретных устройств, была впервые отправлена ​​компанией Texas Instruments в ВВС США в 1961 году. В том же году концепция твердотельной памяти на интегральной схеме (ИС) была предложена инженером-прикладчиком Бобом Норманом. в Fairchild Semiconductor . [10] Первой микросхемой биполярной полупроводниковой памяти была SP95, представленная IBM в 1965 году. [9] Хотя полупроводниковая память обеспечивала более высокую производительность по сравнению с памятью на магнитном сердечнике, она оставалась более крупной и дорогой и не вытесняла память с магнитным сердечником до тех пор, пока не конец 1960-х годов. [9] [11]

МОП-память

Изобретение полевого транзистора металл-оксид-полупроводник ( MOSFET ) позволило практическое использование транзисторов металл-оксид-полупроводник (МОП) в качестве запоминающих элементов ячейки памяти . МОП-память была разработана Джоном Шмидтом из Fairchild Semiconductor в 1964 году. [12] Помимо более высокой производительности, полупроводниковая МОП-память была дешевле и потребляла меньше энергии, чем память на магнитных сердечниках. [13] В 1965 году Дж. Вуд и Р. Болл из Королевского радиолокационного института предложили цифровые системы хранения данных, в которых используются ячейки памяти CMOS (дополнительные MOS) в дополнение к силовым устройствам MOSFET для подачи питания , переключаемой перекрестной связи, переключателям и линия задержки хранение . [14] Разработка Федерико Фаггином в компании Fairchild в 1968 году технологии МОП-интегральных микросхем с кремниевым затвором (МОП-ИС) позволила начать производство микросхем МОП-памяти . [15] Память NMOS была коммерциализирована компанией IBM в начале 1970-х годов. [16] МОП-память обогнала память на магнитных сердечниках и стала доминирующей технологией памяти в начале 1970-х годов. [13]

Двумя основными типами энергозависимой оперативной памяти (ОЗУ) являются статическая оперативная память (SRAM) и динамическая оперативная память (DRAM). Биполярная SRAM была изобретена Робертом Норманом в Fairchild Semiconductor в 1963 году, [9] после чего Джон Шмидт в Fairchild разработал MOS SRAM в 1964 году. [13] SRAM стала альтернативой памяти на магнитных сердечниках, но для каждого требуется шесть транзисторов. бит данных. [17] Коммерческое использование SRAM началось в 1965 году, когда IBM представила свой чип SP95 SRAM для System/360 Model 95 . [9]

Toshiba представила биполярные ячейки памяти DRAM для своего электронного калькулятора Toscal BC-1411 в 1965 году. [18] [19] Несмотря на улучшенную производительность, биполярная DRAM не могла конкурировать с более низкой ценой доминирующей в то время памяти с магнитным сердечником. [20] Технология MOS является основой современной DRAM. В 1966 году Роберт Х. Деннард из Исследовательского центра IBM Томаса Дж. Уотсона работал над MOS-памятью. Изучая характеристики МОП-технологии, он обнаружил, что можно создавать конденсаторы , и что сохранение заряда или отсутствие заряда на МОП-конденсаторе может представлять собой 1 и 0 бита, в то время как МОП-транзистор может контролировать запись заряда в конденсатор. Это привело к разработке однотранзисторной ячейки памяти DRAM. [17] В 1967 году Деннард подал патент на однотранзисторную ячейку памяти DRAM, основанную на технологии МОП. [21] Это привело к созданию первого коммерческого чипа DRAM IC, Intel 1103, в октябре 1970 года. [22] [23] [24] Синхронная динамическая память с произвольным доступом (SDRAM) позже дебютировала с чипом Samsung KM48SL2000 в 1992 году. [25] ] [26]

Термин « память» также часто используется для обозначения энергонезависимой памяти , включая постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) через современную флэш-память . Программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM) было изобретено Вэнь Цин Чоу в 1956 году, когда он работал в подразделении Arma американской корпорации Bosch Arma. [27] [28] В 1967 году Давон Кан и Саймон Зе из Bell Labs предположили, что плавающий затвор полупроводникового МОП -устройства можно использовать в качестве ячейки перепрограммируемого ПЗУ, что привело к тому, что Дов Фроман из Intel изобрел EPROM (стираемое PROM). ) в 1971 году. [29] EEPROM (электрически стираемое PROM) было разработано Ясуо Таруи, Ютакой Хаяси и Киёко Нага в Электротехнической лаборатории в 1972 году. [30] Флэш-память была изобретена Фудзио Масуокой в ​​Toshiba в начале 1980-х годов. [31] [32] Масуока и его коллеги представили изобретение флэш-памяти NOR в 1984 году, [33] , а затем флэш-памяти NAND в 1987 году. [34] Toshiba коммерциализировала флэш-память NAND в 1987 году . [35] [36] [37]

Развитие технологий и эффект масштаба сделали возможным так называемоекомпьютеры с очень большой памятью (VLM).[37]

Энергозависимая память

Различные модули памяти, содержащие разные типы DRAM (сверху вниз): DDR SDRAM, SDRAM, EDO DRAM и FPM DRAM.

Энергозависимая память — это память компьютера, которой требуется питание для хранения хранимой информации. Большая часть современной полупроводниковой энергозависимой памяти представляет собой статическое ОЗУ (SRAM) или динамическое ОЗУ (DRAM). [a] DRAM доминирует среди системной памяти настольных компьютеров. SRAM используется для кэша процессора . SRAM также встречается в небольших встроенных системах , требующих мало памяти.

SRAM сохраняет свое содержимое до тех пор, пока подключено питание, и может использовать более простой интерфейс, но обычно использует шесть транзисторов на бит . Динамическое ОЗУ более сложно для взаимодействия и управления, оно требует регулярных циклов обновления, чтобы предотвратить потерю его содержимого, но использует только один транзистор и один конденсатор на бит, что позволяет достичь гораздо более высокой плотности и гораздо более низких затрат на бит. [2] [23] [37]

Энергонезависимая память

Энергонезависимая память может сохранять хранимую информацию даже при отсутствии питания. Примеры энергонезависимой памяти включают постоянное запоминающее устройство , флэш-память , большинство типов магнитных компьютерных запоминающих устройств (например, жесткие диски , дискеты и магнитная лента ), оптические диски и ранние компьютерные методы хранения данных, такие как бумажная лента и перфокарты. . [37]

Технологии энергонезависимой памяти, находящиеся в стадии разработки, включают сегнетоэлектрическое ОЗУ , программируемую ячейку металлизации , магнитное ОЗУ с передачей спинового момента , SONOS , резистивную память с произвольным доступом , память гоночной трассы , Nano-RAM , 3D XPoint и многоножку .

Полузависимая память

Третья категория памяти — полузависимая . Этот термин используется для описания памяти, которая имеет ограниченный срок энергонезависимости после отключения питания, но затем данные в конечном итоге теряются. Типичная цель при использовании полузависимой памяти — обеспечить высокую производительность и долговечность, присущие энергозависимой памяти, одновременно обеспечивая некоторые преимущества энергонезависимой памяти.

Например, некоторые типы энергонезависимой памяти изнашиваются при записи. Изношенный элемент имеет повышенную нестабильность, но в остальном продолжает работать. Таким образом, места данных, которые записываются часто, можно использовать для использования изношенных цепей. Пока местоположение обновляется в течение известного времени хранения, данные остаются действительными. По истечении определенного периода времени без обновления значение копируется в менее изношенную схему с более длительным сроком хранения. Запись в первую очередь в изношенную область обеспечивает высокую скорость записи, избегая при этом износа не изношенных цепей. [38]

В качестве второго примера: STT-RAM можно сделать энергонезависимым за счет создания больших ячеек, но это увеличивает стоимость бита и требования к мощности, а также снижает скорость записи. Использование небольших ячеек повышает стоимость, мощность и скорость, но приводит к полузависимому поведению. В некоторых приложениях повышенной энергозависимостью можно управлять, чтобы обеспечить множество преимуществ энергонезависимой памяти, например, отключив питание, но принудительно пробудившись до того, как данные будут потеряны; или путем кэширования данных, доступных только для чтения, и удаления кэшированных данных, если время отключения питания превышает порог энергонезависимости. [39]

Термин «полузависимый» также используется для описания полузависимого поведения, созданного на основе других типов памяти, таких как nvSRAM , который объединяет SRAM и энергонезависимую память на одном кристалле , где внешний сигнал копирует данные из энергозависимой памяти в энергозависимую. энергонезависимая память, но если отключить питание до того, как произойдет копирование, данные будут потеряны. Другим примером является ОЗУ с батарейным питанием , которое использует внешнюю батарею для питания устройства памяти в случае потери внешнего питания. Если питание отключено в течение длительного периода времени, аккумулятор может разрядиться, что приведет к потере данных. [37]

Управление

Правильное управление памятью жизненно важно для правильной работы компьютерной системы. Современные операционные системы имеют сложные системы для правильного управления памятью. Несоблюдение этого требования может привести к ошибкам или снижению производительности.

Ошибки

Неправильное управление памятью является распространенной причиной ошибок и уязвимостей безопасности, включая следующие типы:

Виртуальная память

Виртуальная память — это система, в которой физическая память управляется операционной системой, как правило, с помощью блока управления памятью , который является частью многих современных процессоров . Это позволяет использовать несколько типов памяти. Например, некоторые данные могут храниться в оперативной памяти, в то время как другие данные хранятся на жестком диске (например, в файле подкачки ), действуя как расширение иерархии кэша . Это дает несколько преимуществ. Программистам больше не нужно беспокоиться о том, где физически хранятся их данные или будет ли на компьютере пользователя достаточно памяти. Операционная система будет размещать активно используемые данные в оперативной памяти, что происходит гораздо быстрее, чем на жестких дисках. Когда объема оперативной памяти недостаточно для запуска всех текущих программ, это может привести к ситуации, когда компьютер тратит больше времени на перемещение данных из оперативной памяти на диск и обратно, чем на выполнение задач; это известно как треш .

Защищенная память

Защищенная память — это система, в которой каждой программе выделяется область памяти для использования, и выход за пределы этого диапазона не допускается. Если операционная система обнаруживает, что программа попыталась изменить память, которая ей не принадлежит, программа завершается (или иным образом ограничивается или перенаправляется). Таким образом, происходит сбой только программы-нарушителя, а другие программы не страдают от неправильного поведения (случайного или преднамеренного). Использование защищенной памяти значительно повышает надежность и безопасность компьютерной системы.

Без защищенной памяти возможно, что ошибка в одной программе приведет к изменению памяти, используемой другой программой. Это приведет к тому, что другая программа будет использовать поврежденную память с непредсказуемыми результатами. Если память операционной системы повреждена, вся компьютерная система может выйти из строя, и ее придется перезагрузить . Иногда программы намеренно изменяют память, используемую другими программами. Это делается с помощью вирусов и вредоносных программ, захватывающих компьютеры. Его также можно безобидно использовать желательными программами, которые предназначены для модификации других программ, отладчиков , например, для вставки точек останова или перехватчиков.

Смотрите также

Викискладе есть медиафайлы по теме компьютерной памяти .

Примечания

  1. ^ Другие технологии энергозависимой памяти, которые пытались конкурировать или заменить SRAM и DRAM, включают Z-RAM и A-RAM .

Рекомендации

  1. ↑ Прочтите, Дженнифер (5 ноября 2020 г.). «Эра DDR5 официально начнется в 2021 году, поскольку рынок DRAM в настоящее время находится в процессе перехода от одного поколения к другому, сообщает TrendForce». ЭМС Сейчас . Проверено 2 ноября 2022 г.
  2. ↑ Аб Хеммендингер, Дэвид (15 февраля 2016 г.). «Память компьютера». Британская энциклопедия . Проверено 16 октября 2019 г.
  3. ^ А. М. Тьюринг и Р. А. Брукер (1952). Справочник программиста для Манчестерского электронного компьютера Mark II. Архивировано 2 января 2014 г. в Wayback Machine . Университет Манчестера.
  4. ^ «Документация для /proc/sys/vm/».
  5. ^ «Рынок MOS-памяти» (PDF) . Корпорация по разработке интегральных схем . Смитсоновский институт . 1997. Архивировано (PDF) из оригинала 25 июля 2003 г. Проверено 16 октября 2019 г.
  6. ^ «Тенденции рынка MOS-памяти» (PDF) . Корпорация по разработке интегральных схем . Смитсоновский институт . 1998. Архивировано (PDF) из оригинала 16 октября 2019 г. Проверено 16 октября 2019 г.
  7. ^ "1960 - Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора" . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  8. ^ «1953: Компьютер Whirlwind дебютирует с основной памятью» . Музей истории компьютеров . Проверено 2 августа 2019 г.
  9. ^ abcdef «1966: Полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростных хранилищах». Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
  10. ^ «1953: Транзисторы создают быструю память | Механизм хранения | Музей истории компьютеров» . www.computerhistory.org . Проверено 14 ноября 2019 г.
  11. ^ Ортон, Джон В. (2009). Полупроводники и информационная революция: волшебные кристаллы, которые сделали это возможным. Академическая пресса . п. 104. ИСБН 978-0-08-096390-7.
  12. ^ Твердотельное проектирование - Том. 6. Дом Горизонт. 1965.
  13. ^ abc «1970: Динамическая оперативная память MOS конкурирует с памятью с магнитным сердечником по цене». Музей истории компьютеров . Проверено 29 июля 2019 г.
  14. ^ Вуд, Дж.; Болл, Р. (февраль 1965 г.). «Использование полевых транзисторов с изолированным затвором в цифровых системах хранения данных». 1965 Международная конференция IEEE по твердотельным схемам. Сборник технических статей . 1965 Международная конференция IEEE по твердотельным схемам. Сборник технических статей. Том. VIII. стр. 82–83. дои : 10.1109/ISSCC.1965.1157606.
  15. ^ «1968: Разработана технология кремниевых затворов для микросхем» . Музей истории компьютеров . Проверено 10 августа 2019 г.
  16. ^ Кричлоу, DL (2007). «Воспоминания о масштабировании MOSFET». Информационный бюллетень Общества твердотельных схем IEEE . 12 (1): 19–22. дои : 10.1109/N-SSC.2007.4785536.
  17. ^ ab "ДРАМ". IBM100 . ИБМ . 9 августа 2017 года . Проверено 20 сентября 2019 г.
  18. ^ "Спецификация Toshiba "TOSCAL" BC-1411" . Веб-музей старого калькулятора . Архивировано из оригинала 3 июля 2017 года . Проверено 8 мая 2018 г.
  19. ^ "Настольный калькулятор Toshiba Toscal BC-1411" . Архивировано из оригинала 20 мая 2007 г.
  20. ^ «1966: Полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростных хранилищах» . Музей истории компьютеров .
  21. ^ "Роберт Деннард". Британская энциклопедия . Проверено 8 июля 2019 г.
  22. ^ «Intel: 35 лет инноваций (1968–2003)» (PDF) . Интел. 2003. Архивировано из оригинала (PDF) 4 ноября 2021 года . Проверено 26 июня 2019 г.
  23. ^ ab DRAM-память Роберта Деннарда History-Computer.com
  24. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media . стр. 362–363. ISBN 9783540342588. i1103 был изготовлен по 6-масковой технологии P-MOS с кремниевым затвором и минимальной толщиной 8 мкм. Полученный продукт имел размер 2400 мкм, 2 ячейки памяти, размер кристалла чуть менее 10 мм² и продавался примерно за 21 доллар.
  25. ^ "Техническое описание KM48SL2000-7" . Samsung . Август 1992 года . Проверено 19 июня 2019 г.
  26. ^ «Электронный дизайн». Электронный дизайн . Издательская компания Хайден. 41 (15–21). 1993. Первая коммерческая синхронная память DRAM, 16-Мбит KM48SL2000 от Samsung, использует однобанковую архитектуру, которая позволяет разработчикам систем легко переходить от асинхронных к синхронным системам.
  27. ^ Хан-Вэй Хуан (5 декабря 2008 г.). Проектирование встроенной системы с C805. Cengage Обучение. п. 22. ISBN 978-1-111-81079-5. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
  28. ^ Мари-Од Офор; Эстебан Зиманьи (17 января 2013 г.). Бизнес-аналитика: Вторая европейская летняя школа, eBISS 2012, Брюссель, Бельгия, 15–21 июля 2012 г., учебные лекции. Спрингер. п. 136. ИСБН 978-3-642-36318-4. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
  29. ^ «1971: Представлено многоразовое полупроводниковое ПЗУ» . Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
  30. ^ Таруи, Ю.; Хаяши, Ю.; Нагай, К. (1972). «Электрически перепрограммируемая энергонезависимая полупроводниковая память». Журнал IEEE твердотельных схем . 7 (5): 369–375. Бибкод : 1972IJSSC...7..369T. дои : 10.1109/JSSC.1972.1052895. ISSN  0018-9200.
  31. ↑ Фулфорд, Бенджамин (24 июня 2002 г.). "Невоспетый герой". Форбс . Архивировано из оригинала 3 марта 2008 года . Проверено 18 марта 2008 г.
  32. ^ США 4531203  Фудзио Масуока
  33. ^ «Toshiba: изобретатель флэш-памяти» . Тошиба . Проверено 20 июня 2019 г.
  34. ^ Масуока, Ф.; Момодоми, М.; Ивата, Ю.; Широта, Р. (1987). «Международная встреча по электронным устройствам 1987 года». Встреча электронных устройств, Международная конференция 1987 г. IEDM 1987. IEEE . стр. 552–555. doi :10.1109/IEDM.1987.191485.
  35. ^ «1987: Toshiba выпускает флэш-память NAND» . электронная неделя . 11 апреля 2012 года . Проверено 20 июня 2019 г.
  36. ^ «1971: Представлено многоразовое полупроводниковое ПЗУ» . Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
  37. ^ abcde Станек, Уильям Р. (2009). Windows Server 2008 наизнанку. О'Рейли Медиа, Инк. с. 1520. ИСБН 978-0-7356-3806-8. Архивировано из оригинала 27 января 2013 г. Проверено 20 августа 2012 г. [...] Windows Server Enterprise поддерживает кластеризацию с числом кластеров до восьми узлов и конфигурации очень большого объема памяти (VLM) до 32 ГБ в 32-битных системах и 2 ТБ в 64-битных системах.
  38. ^ Монтьерт, Бриггс, Кейтли. «Полузависимая флэш-память NAND» . Проверено 20 мая 2018 г.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  39. ^ Кеппель, Наими, Насрулла. «Способ и устройство для управления спин-переносной моментной памятью». Гугл Патенты . Проверено 20 мая 2018 г.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)

дальнейшее чтение