stringtranslate.com

Память компьютера

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

Компьютерная память хранит информацию, такую ​​как данные и программы, для немедленного использования в компьютере. [2] Термин память часто является синонимом терминов RAM, основная память или первичное хранилище . Архаичные синонимы для основной памяти включают ядро ​​( для памяти на магнитных сердечниках) и хранилище . [3]

Основная память работает на высокой скорости по сравнению с запоминающим устройством , которое медленнее, но менее затратно в расчете на бит и имеет большую емкость. Помимо хранения открытых программ и активно обрабатываемых данных, компьютерная память служит в качестве кэша запоминающего устройства и буфера записи для повышения производительности чтения и записи. Операционные системы заимствуют емкость ОЗУ для кэширования, пока она не нужна работающему программному обеспечению. [4] При необходимости содержимое памяти компьютера можно перенести в хранилище; распространенный способ сделать это — с помощью метода управления памятью, называемого виртуальной памятью .

Современная компьютерная память реализована как полупроводниковая память , [5] [6] где данные хранятся в ячейках памяти, построенных из МОП-транзисторов и других компонентов на интегральной схеме . [7] Существует два основных вида 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 для первичного хранения, и статическая память с произвольным доступом (SRAM), используемая в основном для кэша процессора .

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 бит на ячейку. Ячейки памяти сгруппированы в слова фиксированной длины слова , например, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 или 128 бит. К каждому слову можно получить доступ по двоичному адресу из N бит, что позволяет хранить в памяти 2 N слов.

История

Самая низкая в истории розничная цена на компьютерную память и устройства хранения данных
Электромеханическая память, используемая в IBM 602 , раннем калькуляторе с функцией умножения ударов
Деталь задней части секции ENIAC , показывающая электронные лампы.
Трубка Вильямса использовалась в качестве памяти в компьютере IAS , ок.  1951 г.
Карта памяти microSDHC объемом 8 ГБ с 8 байтами памяти на магнитном сердечнике (1 сердечник — это 1 бит ).     

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

Следующим значительным достижением в области компьютерной памяти стала акустическая память с линией задержки , разработанная Дж. Преспером Экертом в начале 1940-х годов. Благодаря конструкции стеклянной трубки, заполненной ртутью и заткнутой с каждого конца кварцевым кристаллом, линии задержки могли хранить биты информации в форме звуковых волн, распространяющихся через ртуть, при этом кварцевые кристаллы действовали как преобразователи для чтения и записи битов. Память с линией задержки была ограничена емкостью до нескольких тысяч бит.

Две альтернативы линии задержки, трубка Уильямса и трубка Selectron , появились в 1946 году, обе использовали электронные пучки в стеклянных трубках в качестве средства хранения. Используя электронно-лучевые трубки , Фред Уильямс изобрел трубку Уильямса, которая была первой компьютерной памятью с произвольным доступом . Трубка Уильямса могла хранить больше информации, чем трубка Selectron (Selectoron был ограничен 256 битами, в то время как трубка Williams могла хранить тысячи) и была менее дорогой. Тем не менее трубка Williams была ужасно чувствительна к возмущениям окружающей среды.

Попытки найти энергонезависимую память начались в конце 1940-х годов . Магнитная память позволяла извлекать память после потери питания. Она была разработана Фредериком В. Вие и Аном Вангом в конце 1940-х годов и улучшена Джеем Форрестером и Яном А. Райхманом в начале 1950-х годов, прежде чем была коммерциализирована с компьютером Whirlwind I в 1953 году. [8] Магнитная память была доминирующей формой памяти до разработки полупроводниковой памяти МОП 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 поставлена ​​компанией Texas Instruments в ВВС США в 1961 году. В том же году концепция твердотельной памяти на интегральной схеме (ИС) была предложена инженером по приложениям Бобом Норманом из Fairchild Semiconductor . [10] Первой биполярной полупроводниковой микросхемой памяти была SP95, представленная IBM в 1965 году. [9] Хотя полупроводниковая память предлагала улучшенную производительность по сравнению с памятью на магнитном сердечнике, она оставалась больше и дороже и не вытесняла память на магнитном сердечнике до конца 1960-х годов. [9] [11]

МОП-память

Изобретение полевого транзистора металл-оксид-полупроводник ( MOSFET ) позволило практическое использование транзисторов металл-оксид-полупроводник (МОП) в качестве элементов памяти ячеек памяти . МОП-память была разработана Джоном Шмидтом в 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 Royal Radar Establishment предложили цифровые системы хранения, которые используют ячейки памяти КМОП (комплементарные МОП), в дополнение к силовым устройствам МОП-транзисторов для источника питания , коммутируемой перекрестной связи, переключателям и запоминающему устройству с линией задержки . [14] Разработка технологии интегральных схем МОП с кремниевым затвором (МОП ИС) Федерико Фаггином в Fairchild в 1968 году позволила производить микросхемы памяти МОП . [15] NMOS- память была коммерциализирована IBM в начале 1970-х годов. [16] В начале 1970-х годов память на основе МОП-технологий обогнала память на магнитных сердечниках и стала доминирующей технологией памяти. [13]

Два основных типа энергозависимой памяти с произвольным доступом (RAM) — это статическая память с произвольным доступом (SRAM) и динамическая память с произвольным доступом (DRAM). Биполярная SRAM была изобретена Робертом Норманом в Fairchild Semiconductor в 1963 году, [9] за ней последовала разработка MOS SRAM Джоном Шмидтом в Fairchild в 1964 году. [13] SRAM стала альтернативой памяти на магнитных сердечниках, но требует шести транзисторов для каждого бита 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 то, что биполярная DRAM предлагала улучшенную производительность, она не могла конкурировать с более низкой ценой доминирующей в то время памяти на магнитных сердечниках. [20] Технология MOS является основой для современной DRAM. В 1966 году Роберт Х. Деннард в исследовательском центре IBM Thomas J. Watson работал над памятью MOS. Изучая характеристики технологии MOS, он обнаружил, что можно создавать конденсаторы , и что сохранение заряда или его отсутствие на конденсаторе MOS может представлять 1 и 0 бита, в то время как транзистор MOS может управлять записью заряда на конденсатор. Это привело к разработке им ячейки памяти DRAM с одним транзистором. [17] В 1967 году Деннард подал патент на ячейку памяти DRAM с одним транзистором, основанную на технологии MOS. [21] Это привело к появлению первой коммерческой микросхемы DRAM, Intel 1103 , в октябре 1970 года. [22] [23] [24] Синхронная динамическая память с произвольным доступом (SDRAM) позже дебютировала с микросхемой Samsung KM48SL2000 в 1992 году. [25] [26]

Термин память также часто используется для обозначения энергонезависимой памяти, включая постоянную память (ПЗУ) через современную флэш-память . Программируемая постоянная память (ППЗУ) была изобретена Вэнь Цин Чжоу в 1956 году, когда он работал в Arma Division американской корпорации Bosch Arma. [27] [28] В 1967 году Давон Канг и Саймон Сзе из Bell Labs предложили использовать плавающий затвор полупроводникового устройства МОП для ячейки перепрограммируемого ПЗУ, что привело к тому, что Дов Фроман из Intel изобрел EPROM (стираемое ПЗУ) в 1971 году. [29] EEPROM (электрически стираемое ПЗУ) 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 вывела флэш-память NAND на рынок в 1987 году. [35] [36] [37]

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

Категории волатильности

Энергозависимая память

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

Энергозависимая память — это компьютерная память, которой требуется питание для сохранения хранимой информации. Большая часть современной полупроводниковой энергозависимой памяти — это либо статическая оперативная память (SRAM), либо динамическая оперативная память (DRAM). [a] DRAM доминирует в системной памяти настольных компьютеров. SRAM используется для кэша процессора . SRAM также встречается в небольших встраиваемых системах, требующих небольшого объема памяти.

SRAM сохраняет свое содержимое до тех пор, пока подключено питание, и может использовать более простой интерфейс, но обычно использует шесть транзисторов на бит . Динамическая RAM сложнее для сопряжения и управления, нуждается в регулярных циклах обновления, чтобы предотвратить потерю своего содержимого, но использует только один транзистор и один конденсатор на бит, что позволяет достичь гораздо более высокой плотности и гораздо более низкой стоимости за бит. [2] [23] [37]

Энергонезависимая память

Энергонезависимая память может сохранять информацию даже при отсутствии питания. Примерами энергонезависимой памяти являются 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, такие как магнитный барабан , бумажная лента и перфокарты . [37]

Разрабатываемые технологии энергонезависимой памяти включают в себя сегнетоэлектрическую оперативную память , программируемую ячейку металлизации , магнитную оперативную память с передачей спинового момента , SONOS , резистивную память с произвольным доступом , память типа «гоночная дорожка» , Nano-RAM , 3D XPoint и память типа «многоножка» .

Полуэнергозависимая память

Третья категория памяти — полуэнергозависимая . Этот термин используется для описания памяти, которая имеет ограниченную энергонезависимую продолжительность после отключения питания, но затем данные в конечном итоге теряются. Типичная цель при использовании полуэнергозависимой памяти — обеспечить высокую производительность и долговечность, связанные с энергозависимой памятью, при этом предоставляя некоторые преимущества энергонезависимой памяти.

Например, некоторые типы энергонезависимой памяти изнашиваются при записи. Изношенная ячейка имеет повышенную изменчивость, но в остальном продолжает работать. Таким образом, часто записываемые ячейки данных могут быть направлены на использование изношенных схем. Пока ячейка обновляется в течение некоторого известного времени хранения, данные остаются действительными. После определенного периода времени без обновления значение копируется в менее изношенную схему с более длительным хранением. Запись сначала в изношенную область обеспечивает высокую скорость записи, избегая при этом износа неизношенных схем. [38]

В качестве второго примера, STT-RAM можно сделать энергонезависимой, построив большие ячейки, но это повышает стоимость за бит и требования к питанию и снижает скорость записи. Использование маленьких ячеек улучшает стоимость, питание и скорость, но приводит к полуэнергонезависимому поведению. В некоторых приложениях повышенную энергонезависимость можно контролировать, чтобы обеспечить множество преимуществ энергонезависимой памяти, например, отключая питание, но принудительно пробуждая до потери данных; или кэшируя данные только для чтения и отбрасывая кэшированные данные, если время отключения питания превышает энергонезависимый порог. [39]

Термин полу-энергозависимый также используется для описания полуэнергозависимого поведения, созданного из других типов памяти, таких как nvSRAM , которая объединяет SRAM и энергонезависимую память на одном чипе , где внешний сигнал копирует данные из энергозависимой памяти в энергонезависимую память, но если питание отключается до того, как происходит копирование, данные теряются. Другим примером является RAM с резервным питанием от батареи , которая использует внешнюю батарею для питания устройства памяти в случае отключения внешнего питания. Если питание отключено в течение длительного периода времени, батарея 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. Невыполнение этого требования может привести к ошибкам или снижению производительности.

Ошибки

Неправильное управление памятью является частой 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 ЦП . Она позволяет использовать несколько типов памяти. Например, некоторые данные могут храниться в ОЗУ, а другие — на жестком диске (например, в файле подкачки ), функционируя как расширение иерархии кэша . Это дает несколько преимуществ. Программистам больше не нужно беспокоиться о том, где физически хранятся их данные или будет ли у компьютера пользователя достаточно памяти. Операционная система будет размещать активно используемые данные в ОЗУ, что намного быстрее, чем на жестких дисках. Когда объема ОЗУ недостаточно для запуска всех текущих программ, это может привести к ситуации, когда компьютер тратит больше времени на перемещение данных из ОЗУ на диск и обратно, чем на выполнение задач; это известно как пробуксовка .

Защищенная память

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

Без защищенной памяти возможно, что ошибка в одной программе изменит память, используемую другой программой. Это приведет к тому, что другая программа будет работать с поврежденной памятью 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 делают вирусы и вредоносные программы, чтобы захватить компьютер. Это также может быть использовано в безвредных целях желательными программами, которые предназначены для изменения других программ, отладчиками , например, для вставки точек останова или хуков.

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы по теме « Память компьютера» .

Примечания

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

Ссылки

  1. ^ Читайте, Дженнифер (5 ноября 2020 г.). «Эра DDR5 официально начнется в 2021 г., поскольку рынок DRAM в настоящее время переходит между поколениями, заявляет TrendForce». EMSNow . Получено 2 ноября 2022 г.
  2. ^ ab Hemmendinger, David (15 февраля 2016 г.). "Память компьютера". Encyclopedia Britannica . Получено 16 октября 2019 г. .
  3. ^ AM Turing и RA Brooker (1952). Справочник программиста для Manchester Electronic Computer Mark II. Архивировано 2 января 2014 г. в Wayback Machine . Манчестерский университет.
  4. ^ «Документация для /proc/sys/vm/».
  5. ^ "The MOS Memory Market" (PDF) . Integrated Circuit Engineering Corporation . Smithsonian Institution . 1997. Архивировано (PDF) из оригинала 2003-07-25 . Получено 16 октября 2019 .
  6. ^ "MOS Memory Market Trends" (PDF) . Integrated Circuit Engineering Corporation . Smithsonian Institution . 1998. Архивировано (PDF) из оригинала 2019-10-16 . Получено 16 октября 2019 .
  7. ^ "1960 - Демонстрация транзистора металл-оксид-полупроводник (МОП)". Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  8. ^ "1953: Whirlwind computer дебютирует с сердечниками памяти". Computer History Museum . Получено 2 августа 2019 .
  9. ^ abcdef "1966: Полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростном хранении". Computer History Museum . Получено 19 июня 2019 г. .
  10. ^ "1953: Транзисторы создают быструю память | Машина хранения | Музей истории компьютеров". www.computerhistory.org . Получено 14.11.2019 .
  11. ^ Ортон, Джон В. (2009). Полупроводники и информационная революция: Волшебные кристаллы, которые сделали ИТ возможным. Academic Press . стр. 104. ISBN 978-0-08-096390-7.
  12. ^ Проектирование твердотельных устройств - Том 6. Horizon House. 1965.
  13. ^ abc "1970: MOS Dynamic RAM конкурирует с памятью на магнитных сердечниках по цене". Computer History Museum . Получено 29 июля 2019 г. .
  14. ^ Wood, J.; Ball, R. (февраль 1965 г.). «Использование полевых транзисторов с изолированным затвором в цифровых системах хранения данных». Международная конференция IEEE по твердотельным схемам 1965 г. Сборник технических статей . Международная конференция IEEE по твердотельным схемам 1965 г. Сборник технических статей. Том VIII. стр. 82–83. doi :10.1109/ISSCC.1965.1157606.
  15. ^ "1968: Разработана технология кремниевых затворов для микросхем". Computer History Museum . Получено 10 августа 2019 .
  16. ^ Critchlow, DL (2007). «Воспоминания о масштабировании MOSFET». Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits Society . 12 (1): 19–22. doi :10.1109/N-SSC.2007.4785536.
  17. ^ ab "DRAM". IBM100 . IBM . 9 августа 2017 . Получено 20 сентября 2019 .
  18. ^ "Spec Sheet for Toshiba "TOSCAL" BC-1411". Old Calculator Web Museum . Архивировано из оригинала 3 июля 2017 года . Получено 8 мая 2018 года .
  19. ^ "Toshiba "Toscal" BC-1411 Desktop Calculator". Архивировано из оригинала 20-05-2007.
  20. ^ «1966: Полупроводниковые ОЗУ удовлетворяют потребности в высокоскоростном хранении». Музей истории компьютеров .
  21. ^ "Роберт Деннард". Encyclopedia Britannica . Получено 8 июля 2019 г.
  22. ^ "Intel: 35 лет инноваций (1968–2003)" (PDF) . Intel. 2003. Архивировано из оригинала (PDF) 4 ноября 2021 г. . Получено 26 июня 2019 г. .
  23. ^ ab Память DRAM Роберта Деннарда history-computer.com
  24. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии. Springer Science & Business Media . С. 362–363. ISBN 9783540342588. i1103 был изготовлен по технологии P-MOS с 6 масками на кремниевом затворе и минимальными характеристиками 8 мкм. Полученный продукт имел размер 2400 мкм, 2 ячейки памяти, размер кристалла чуть меньше 10 мм² и продавался по цене около 21 доллара.
  25. ^ "KM48SL2000-7 Datasheet". Samsung . Август 1992. Получено 19 июня 2019 .
  26. ^ "Electronic Design". Electronic Design . 41 (15–21). Hayden Publishing Company. 1993. Первая коммерческая синхронная DRAM, Samsung 16-Mbit KM48SL2000, использует однобанковую архитектуру, которая позволяет разработчикам систем легко переходить от асинхронных к синхронным системам.
  27. ^ Хан-Вэй Хуан (5 декабря 2008 г.). Проектирование встроенных систем с использованием C805. Cengage Learning. стр. 22. ISBN 978-1-111-81079-5. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
  28. ^ Мари-Од Офор; Эстебан Зимани (17 января 2013 г.). Бизнес-аналитика: Вторая европейская летняя школа, eBISS 2012, Брюссель, Бельгия, 15–21 июля 2012 г., Учебные лекции. Springer. стр. 136. ISBN 978-3-642-36318-4. Архивировано из оригинала 27 апреля 2018 года.
  29. ^ "1971: Представлено повторно используемое полупроводниковое ПЗУ". Computer History Museum . Получено 19 июня 2019 .
  30. ^ Tarui, Y.; Hayashi, Y.; Nagai, K. (1972). «Электрически перепрограммируемая энергонезависимая полупроводниковая память». IEEE Journal of Solid-State Circuits . 7 (5): 369–375. Bibcode : 1972IJSSC...7..369T. doi : 10.1109/JSSC.1972.1052895. ISSN  0018-9200.
  31. ↑ Фулфорд, Бенджамин (24 июня 2002 г.). «Невоспетый герой». Forbes . Архивировано из оригинала 3 марта 2008 г. Получено 18 марта 2008 г.
  32. ^ US 4531203  Фудзио Масуока
  33. ^ "Toshiba: Изобретатель флэш-памяти". Toshiba . Получено 20 июня 2019 .
  34. ^ Масуока, Ф.; Момодоми, М.; Ивата, Й.; Сирота, Р. (1987). "Международная встреча по электронным приборам 1987 года". Встреча по электронным приборам, 1987 г. Международная . IEDM 1987. IEEE . стр. 552–555. doi :10.1109/IEDM.1987.191485.
  35. ^ "1987: Toshiba запускает NAND Flash". eWeek . 11 апреля 2012 г. Получено 20 июня 2019 г.
  36. ^ "1971: Представлено повторно используемое полупроводниковое ПЗУ". Computer History Museum . Получено 19 июня 2019 .
  37. ^ abcde Станек, Уильям Р. (2009). Windows Server 2008 Inside Out. O'Reilly Media, Inc. стр. 1520. ISBN 978-0-7356-3806-8. Архивировано из оригинала 2013-01-27 . Получено 2012-08-20 . [...] Windows Server Enterprise поддерживает кластеризацию с кластерами до восьми узлов и конфигурации очень большой памяти (VLM) до 32 ГБ в 32-разрядных системах и 2 ТБ в 64-разрядных системах.
  38. ^ Монтьерт, Бриггс, Кейтли. "Полулетучая флэш-память NAND" . Получено 20 мая 2018 г. .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  39. ^ Кеппель, Наими, Насрулла. «Метод и устройство для управления памятью крутящего момента с передачей спина». Google Patents . Получено 20 мая 2018 г.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)

Дальнейшее чтение