История появления и развития внешней памяти
Обновлено: 06.07.2024
В 1945 г. Джон фон Нейман (1903-1957), американский ученый, выдвинул идею использования внешних запоминающих устройств для хранения программ и данных. Нейман разработал структурную принципиальную схему компьютера. Схеме Неймана соответствуют и все современные компьютеры. Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и данных.
Устройства внешней памяти (накопители) являются энергонезависимыми, выключение питания не приводит к потере данных. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней. По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа. При прямом (произвольном) доступе время доступа к информации не зависит от ее места расположения на носителе. При последовательном доступе время доступа зависит от местоположения информации.
Скорость обмена информацией зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что определяется, в свою очередь, скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве. Внешняя (долговременная) память - это место хранения данных, не используемых в данный момент в памяти компьютера. Устройства внешней памяти - это, прежде всего, магнитные устройства для хранения информации. По способу записи и чтения накопители делятся, в зависимости от вида носителя, на магнитные, оптические и магнитооптические. Раньше в вычислительной технике к внешним устройствам (ВЗУ) относили устройства хранения дискретной информации, главным образом, на магнитных лентах, барабанах, дисках.
Первым подобием машинных хранилищ информации стало изобретение в конце XVIII века перфокарт. С их помощью управляли ткацкими станками. В то время появлялись механические счетные машины, и ни о какой электронике речи идти не могло. Позднее Герман Холлерит стал применять перфокарты такими, какими мы их привыкли видеть - картонными карточками со срезанным углом. Очень долгое время именно перфокарты являлись главными хранилищами информации. Требования росли, на подмогу перфокартам приходили перфоленты - бобины с проколотыми дырочками-битами. Но их тоже вскоре стало не хватать. В 1956 году, 13 сентября, произошло знаменательное событие, определяющее и по сей день курс развития систем хранения информации. В этот день был представлен первый накопитель на жестких магнитных дисках. Разработала его компания IBM, всегда стоявшая на гребне волны технологий и задававшая ритм остальным. Представленное устройство было настоящим монстром - весом в тонну, размером с два холодильника и блинами по 24 дюйма. При этом объем был совсем смешным по современным меркам - 5 Мб. Очевидно, что с такими размерами его уделом были только огромные вычислительные центры.
Знаковым событием стал выпуск в 1973 году жесткого диска IBM 3340. Его размеры были меньше, чем у предшественников, а появление аэродинамических (парящих в воздухе) головок стало воистину прорывом, ибо используется и до сих пор. Объем диска формировался несъемной частью в 30 Мб и съемной - также в 30 Мб. Именно такое соотношение объемов дало повод для появления названия накопителя на сленге - известная винтовка 30-30 Winchester имела весьма схожую маркировку..
Мейнфреймы же стали искать решения менее дорогие для хранения редко используемой информации. Таким выходом стали стримеры - накопители на магнитной ленте. Большим их минусом стал последовательный доступ и, как следствие, низкая скорость получения данных. Но сама технология была уже более простой и заметно более дешевой. Основной плюс - большой объем - сделал стримеры отличным выбором в качестве системы резервного копирования данных.
Чуть позже стримеров появляются и первые накопители на магнитных дисках, проще говоря - дискеты. Первая дискета появилась в 1971 году, и ее диаметр был 8 дюймов (20 см), а объем - 80 Кб. Это была пластиковая пластинка с нанесенным на нее ферромагнитным покрытием. Сама эта пластинка была упакована в пластмассовый корпус, либо гибкий (как на 5.25), либо жесткий (как на 3.5). Сделано это было для защиты информации от пыли, царапин и других физических повреждений. Для пущей сохранности от пыли эти дискеты зачастую хранили в бумажных конвертах.
В 1984 году была выпущена дискета двойной плотности формата 3.5 дюйма и объемом в 720 Кб. Через пару лет была выпущена последняя массовая версия дискет - 3.5 дюйма, высокой плотности, 1.44 Мб. Появившаяся впоследствии ED (расширенной плотности) версия на 2.88 Мб не получила широкого распространения. Дискеты позволили очень сильно повысить связанность машин - в эпоху применения сетей только в очень небольшом числе заведений возможность переносить рабочие документы с одной машины на другую при помощи небольших квадратных кусочков пластика была очень полезной и привлекательной. Даже появился термин «флоппинет» - абстрактная сеть, в которой машины связывались посредством дискет, на которых переносились данные между ними. Так, десяток дискет мог заметно освободить место на компьютере и позволить установить немаленькую игру.
Основным недостатком дискет была их недолговечность: среднее время жизни составляло около полугода при средней интенсивности использования и порядка квартала - при высокой частоте циклов перезаписи. Еще одной напастью являлись электромагнитные поля. Длительное воздействие поля приводило к утрате или повреждению данных. С течением времени объем также перестал быть достаточным, и в массовом сегменте начали появляться альтернативы.
Самой простой альтернативой была дальнейшая эволюция дискет. Главных конкурентов было двое. Одним из решений стал дисковод LS-120. Он был представлен группой 3M, позднее известной как компания Imation, в 1997 году и, как видно из названия, имел объем в 120 Мб. Главным достоинством в борьбе за место под солнцем была совместимость устройства с обычными дискетами 1.44 Мб. Стоит, однако, заметить, что с нестандартно форматированными дискетами (на большее число дорожек и объем) привод мог не работать. В разработке и лицензировании дизайна и стандарта принимали участие Matsushita, Mitsubishi, OR Technology и Compaq. Первоначально эта технология носила название SuperDisk, являясь продолжением раннего проекта Iomega начала 90-х.
По сути, на этом тему гибких магнитных носителей единогласно признали исчерпанной и переключились на более перспективные направления.
Одним из таких направлений были накопители на сменных жестких дисках. Первой фирмой, выпускавшей такие решения, стала SyQuestTechnology, Inc, основанная в 1982 году. Это был 3.9-дюймовый сменный жесткий диск, где пластины (на сленге называемые «блинами» за геометрическое сходство) располагались вместе с читающими головками в герметичном картридже, подобно обычным жестким дискам. Это позволило добиться скоростей и объемов, близких к стационарным жестким дискам, но сделало производство достаточно дорогим.
Долгие годы это был единственный способ для переноса средних объемов информации для таких целей, как издательские документы, управление содержанием интернет-сайтов, мультимедиа, цифровая фотография, быстрое резервное копирование, обмен данными, архивирование, сохранность конфиденциальных файлов. Первый картридж имел объем всего в 5 Мб, затем было достаточно много 5.25-дюймовых решений. И к концу эволюции выпустили 3.5-дюймовое устройство EZ135 объемом в 135 Мб. Именно оно и стало главным конкурентом Zip. Выпуск 230 Мб версии перевел решение в другой сегмент, ибо конкурентов в таком объеме практически не было. К тому же он был совместим со старым EZ135. Далее были выпущены две модели - SyJet/SQ1500 - полуторагигабайтная модель и гигабайтный SparQ, предложивший меньшую цену за мегабайт. К 1995 году на рынок вышла Iomega со своим продуктом Zip, сделавшим перенос данных быстрее и дешевле. Именно из-за популярности последнего и снизившихся продаж сменных дисков компания SyQuest в 1998 была объявлена банкротом. Венец эволюции - 4.7-Гб модель - находилась в продаже в 1998 году очень небольшое время и не обрела популярности.
Подавляющее большинство устройств выпускалось под разные интерфейсы - EIDE, SCSI, LPT и USB. LPT и USB имели низкую скорость передачи. Лучше всего работали родные для подсистемы хранения данных интерфейсы - IDE и SCSI.
Следующим этапом были магнитооптические диски - комбинация оптических и магнитных эффектов для записи и чтения информации. Оптической составляющей являлся лазерный луч, который падал на поверхность диска. Магнитной же компонентой был магнит с другой стороны диска. Вдвоем они работали при записи информации; для чтения же использовался только лазерный луч. При записи диск нагревался лазером до точки Кюри - температуры, при которой материал теряет свои магнитные свойства, в результате чего записанная информация стирается безвозвратно. Затем магнит и лазер записывали данные, меняя магнитное поле для формирования битов. В процессе чтения лазер, работая на низкой мощности, посылал пучок света на поверхность диска.
Принцип чтения основывается на принципе Керра. Участки, обозначающие «1» отражают поляризованный луч под другим углом, нежели участки, обозначающие «0». Разницу в отраженных углах и регистрирует детектор, делая вывод о том, «1» или же «0» передан лучом.
Магнитооптические диски существовали в двух форматах - 130 мм и 90 мм. В отличие от совсем старых версий, более новые диски имели не отдельный магнит в накопителе, а магнитный слой, играющий роль магнита. Это позволило дальше наращивать объем диска и улучшить позиционирование, а также снизить цену накопителя и очень серьезно повысить скорость записи. Данная технология называлась LIMDOW и позволяла в реальном времени вести запись фильма формата MPEG-2. По умолчанию во время записи накопитель проверял целостность записанных данных, потому скорость записи была весьма низка, но, по сравнению с компакт-дисками, это давало большую надежность хранения информации. 130-мм версии дисков обладали емкостью от 650 Мб до 9.2 Гб и предназначались для корпоративных клиентов и средств архивирования данных. Однако эта цифра получалась с учетом двухсторонней записи диска. Интерфейсом для накопителей такого рода был SCSI. Версия 90 мм имела объем заметно скромнее - от 128 Мб до 2.3 Гб, что по большей части объяснялось наличием у них лишь одной стороны для записи. Среди массового потребителя большого успеха эти накопители не имели. Как и все вышеперечисленные сменные носители, этот пал в схватке со следующим видом хранения данных.
Компакт-диск (CompactDisc, CD) - это оптический диск для размещения цифровых данных, изначально разработанный для хранения цифрового звука. CD, доступные с конца 1982, остаются стандартом де-факто для коммерческой звукозаписи и по сей день. Первым диском, выпущенным в тираж, стал альбом группы ABBA - TheVisitors (1981). Разработчиком CD стала компания Philips. Но то были еще не компьютерные диски, а обычные музыкальные. Первый диск CD-ROM (Readonlymemory, память только для чтения) был представлен в 1985 году, а записываемый CD-R - в 1990 году. Диск представляет собой поликарбонатный пластик толщиной в 1.2 мм и весом примерно 16 грамм.
Лазерный луч имеет длину волны 780 нм, что близко к инфракрасному спектру. Первое время между двумя разработчиками - Philips и Sony - возник спор касательно размеров диска: первая выпускала диски диаметром 115 мм, а вторая - 100. Вице-президент Sony, НориоОхга (NorioOhga), предложил увеличить объем диска до 74 минут звучания, чтобы уместить девятую симфонию Бетховена. В результате эта инициатива увенчалась успехом, и был принят стандарт в 74 минуты звука или 650 Мб данных. Впоследствии появился новый форм-фактор компакт-диска диаметром в 8 мм и объемом в 230 Мб. Он был полностью совместим с обычными дисками и отличался лишь в размере. Сами 120-мм версии выпускались с разными объемами. Основные - это 650, 700, 800 и 900 Мб. Появление CD-RW, да и обычных CD-R перевернуло весь рынок средств хранения и переноса данных. В частности, Zip-дискеты умерли практически мгновенно, как и LS-120.
Затем совместными усилиями участников DVD Forum, куда входили Sony, Philips, Toshiba, Matsushita, Mitsubishi, Pioneer и другие, был создан диск объемом 4.7 млрд. байт, что в переводе на привычные единицы измерения составляет 4.38 Гб. Используемый луч имел меньшую длину волны - 650 нм. Расшифровывается само название DVD как DataVersatileDisc - цифровой многоцелевой диск. Стандартом описано множество форматов, но прижилось из них не очень много.
По форм-фактору и объему это DVD-5 - обычный 120-мм односторонний однослойный диск объемом 4.38 Гб; DVD-9 - 120-мм односторонний двухслойный диск объемом 7.95 Гб; DVD-10 - 120-мм двусторонний двухслойный (всего) объемом 8.74 Гб; DVD-1 - 80-мм (по аналогии с mini CD) односторонний однослойный объемом 1.36 Гб. Варианты вроде DVD-4 - 80-мм двустороннего четырехслойного диска объемом 4.95 Гб и DVD-18 - такого же 120-мм, обладающего объемом 15.9 Гб, - мы вживую не увидели, да и, скорее всего, не увидим ввиду дороговизны изготовления. DVD-диски стали эволюционным развитием CD, сохранив концепцию их использования и предложив лишь больший объем и скорость записи. По аналогии существовали DVD-R, DVD-RW, также DVD-RAM (являлся вариацией на тему перезаписываемых дисков).
Только недавно произошел очередной и, возможно, последний виток борьбы двух форматов ближайшего будущего - HD DVD и Blue-ray. Компания Warner, активно продвигавшая оба формата, в том числе и детище Toshiba - HD DVD, заявила о переходе исключительно на конкурирующий формат - BD (Blue-rayDisc). И потеря такого крупного потребителя не прошла даром - на рынке остался только один.
Blue-ray готов предложить 50 Гб на одном двухслойном диске, что примерно вшестеро больше объема двухслойного DVD-диска. Своим названием он обязан использованию луча с длиной волны в 405 нм, что соответствует голубой части спектра. Именно данное нововведение позволило отодвинуть влияние дифракции и увеличить плотность размещения дорожек. MiniBlue-rayDisc, так же, как и предыдущие, диаметром в 80 мм, способен предоставить объем в 7.5 Гб. Помимо этого введено новшество в виде BD меньшей плотности, это BD9 и BD5, которые являются полным аналогом диска DVD-9 и DVD-5.
А что же жесткие диски? С ними все относительно благополучно. Пережив несколько несовместимостей больших дисков со старыми материнскими платами, жесткие диски уверенно наращивали свой объем. Взяв в 2002 году барьер в 137 Гб, для чего опять пришлось преодолеть ограничение адресного пространства, HDD резко прибавляли в «весе».
В следующем, 2003 году появился интерфейс SATA, ознаменовавший переход на быструю последовательную шину. В 2005 году был преодолен рубеж в полтерабайта! Тут производителей ждала новая напасть - магнитные ячейки, обладая формой сигары и будучи положенными на бок, уперлись в потолок по плотности размещения без риска утери данных.
И последним, но, пожалуй, самым значимым событием за последние годы стали флэш-карты, в простонародье - флэшки. Сначала эта технология прижилась в цифровых фотоаппаратах и подобной аппаратуре, но затем появилась и в USB-исполнении. Начав с объемов в 32 Мб, сейчас они доросли до 32 Гб, вытеснив все другие решения для переноса данных с рынка и заметно снизив роль перезаписываемых дисков. Большое число циклов перезаписи, высокие скорости чтения/записи, малая цена - все это стало залогом просто бешеной популярности флэшек, заставив молодежь даже забыть про то, что существовало еще что-то до них. До компакт-дисков по соотношению цена за мегабайт им еще далеко, потому функции архивирования останутся за привычными решениями. Так становится видно, что два очень удачных решения - CD и флэш - буквально похоронили все многообразие средств переноса и хранения данных середины-конца 90-х годов. К ним стоит добавить развивающуюся технологию eSATA, позволяющую быстро подключать внешний жесткий диск для копирования больших объемов без потери скорости, как если бы это был обычный внутренний диск.
На данный момент аппетиты потребителей в объеме кажутся удовлетворенными - спроса на революционные решения нет, достаточно эволюционных темпов роста. Но что будет через пару лет? Время покажет и впишет их в скрижали эволюции.
Электромагнитные реле стояли в самых первых компьютерах, а их жизнь на рынке автоматизированных вычислений была недолгой. Однако видоизмененные катушки используют в технике и по сей день.
В стародревние времена — дело было почти 80 лет назад, на заре становления вычислительной техники — память вычислительных устройств было принято делить на три типа. На первичную, вторичную и внешнюю. Сейчас этой терминологией уже никто не пользуется, хотя сама классификация существует и по сей день. Только первичную память теперь называют оперативной, вторичную — внутренними жесткими дисками, ну а внешняя маскируется под всевозможные оптические диски и флэш-накопители.
Прежде чем начать путешествие в прошлое, давайте разберемся в обозначенной выше классификации и поймем, для чего нужен каждый из типов памяти. Компьютер представляет информацию в виде последовательности бит — двоичных цифр со значениями 1 или 0. Общепринятой универсальной единицей информации считают байт, как правило, состоящий из 8 бит. Все используемые компьютером данные занимают некоторое количество байт. К примеру, типичный музыкальный файл занимает 40 миллионов бит — 5 миллионов байт (или 4,8 мегабайта). Центральный процессор не сможет функционировать без элементарного запоминающего устройства, ведь вся его работа сводится к получению, обработке и записи обратно в память. Именно поэтому легендарный Джон фон Нейман (мы не раз упоминали его имя в цикле статей про мейнфреймы) придумал размещать внутри компьютера независимую структуру, где хранились бы все необходимые данные.
Классификация внутренней памяти разделяет носители еще и по скоростному (и энергетическому) принципу. Быстрая первичная (оперативная) память в наше время используется для хранения критичной информации, к которой ЦП обращается наиболее часто. Это ядро операционной системы, исполняемые файлы запущенных программ, промежуточные результаты вычислений. Время доступа — минимально, всего несколько наносекунд.
Первичная память общается с контроллером, размещенным либо внутри процессора (у последних моделей ЦП), либо в виде отдельной микросхемы на материнской плате (северный мост). Цена на оперативку относительно высока, к тому же она энергозависима: выключили компьютер или случайно выдернули шнур из розетки — и вся информация потерялась. Поэтому все файлы хранятся во вторичной памяти — на пластинах жестких дисков. Информация здесь не стирается после отключения питания, а цена за мегабайт очень низкая. Единственный недостаток винчестеров — низкая скорость реакции, она измеряется уже в миллисекундах.
Кстати, интересный факт. На заре развития компьютеров первичную память не отделяли от вторичной. Главный вычислительный блок был очень медленным, и память не давала эффекта бутылочного горлышка. Оперативные и постоянные данные хранились в одних и тех же компонентах. Позже, когда скорость компьютеров подросла, появились новые типы носителей информации.
Компьютер Bendix G15 с барабанной памятью. Оператор в костюме прилагается.
Одним из основных компонентов первых компьютеров были электромагнитные переключатели, разработанные известным американским ученым Джозефом Хенри еще в 1835 году, когда ни о каких компьютерах никто даже не помышлял. Простой механизм состоял из обмотанного проводом металлического сердечника, подвижной железной арматуры и нескольких контактов. Разработка Хенри легла в основу электрического телеграфа Сэмюеля Морзе и Чарльза Витстоуна.
Первый компьютер, построенный на переключателях, появился в Германии в 1939 году. Инженер Конрад Зюс использовал их при создании системной логики устройства Z2. К сожалению, прожила машина недолго, а ее планы и фотографии были утеряны во время бомбардировок Второй мировой войны. Следующее вычислительное устройство Зюса (под именем Z3) увидело свет в 1941 году. Это был первый компьютер, управляемый программой. Основные функции машины реализовывались при помощи 2000 переключателей. Конрад собирался перевести систему на более современные компоненты, но правительство прикрыло финансирование, посчитав, что идеи Зюса не имеют будущего. Как и ее предшественница, Z3 была уничтожена во время бомбардировок союзников.
Электромагнитные переключатели работали очень медленно, но развитие технологий не стояло на месте. Вторым типом памяти для ранних компьютерных систем стали линии задержки. Информацию несли электрические импульсы, которые преобразовывались в механические волны и на низкой скорости перемещались через ртуть, пьезоэлектронный кристалл или магниторезистивную катушку. Есть волна — 1, нет волны — 0. В единицу времени по проводящему материалу могли путешествовать сотни и тысячи импульсов. По завершении своего пути каждая волна трансформировалась обратно в электрический импульс и отсылалась в начало — вот вам и простейшая операция обновления.
Линии задержки разработал американский инженер Джон Преспер Экерт. Компьютер EDVAC, представленный в 1946 году, содержал два блока памяти по 64 линии задержки на основе ртути (5,5 Кб по современным меркам). На тот момент этого было более чем достаточно для работы. Вторичная память также присутствовала в EDVAC — результаты вычислений записывались на магнитную пленку. Другая система, UNIVAC 1, увидевшая свет в 1951 году, использовала 100 блоков на основе линий задержки, а для сохранения данных у нее была сложная конструкция со множеством физических элементов.
Блок памяти на основе линий задержки больше похож на гиперпространственный двигатель космического корабля. Сложно представить, но подобная махина могла сохранить всего несколько бит данных!
За кадром нашего исследования осталось два довольно значимых изобретения в области носителей данных. Оба сделал талантливый сотрудник Bell Labs Эндрю Бобек. Первая разработка — так называемая твисторная память — могла стать прекрасной альтернативой памяти на основе магнитных сердечников. Она во многом повторяла последнюю, но вместо ферритовых колец для хранения данных использовала магнитную пленку. У технологии были два важных преимущества. Во-первых, твисторная память могла одновременно записывать и считывать информацию с целого ряда твисторов. Плюс к этому, было легко наладить ее автоматическое производство. Руководство Bell Labs надеялось, что это позволит существенно снизить цену твисторной памяти и занять перспективный рынок. Разработку финансировали ВВС США, а память должна была стать важной функциональной ячейкой ракет Nike Sentinel. К сожалению, работа над твисторами затянулась, а на первый план вышла память на основе транзисторов. Захват рынка не состоялся.
«Не повезло в первый раз, так повезет во второй»,— подумали в Bell Labs. В начале 70-х годов Эндрю Бобек представил энергонезависимую пузырьковую память. В ее основе лежала тонкая магнитная пленка, которая удерживала небольшие намагниченные области (пузырьки), хранящие двоичные значения. Спустя какое-то время появилась первая компактная ячейка емкостью 4096 бит — устройство размером один квадратный сантиметр обладало емкостью целой планки с магнитными сердечниками.
Изобретением заинтересовались многие компании, и в середине 70-х разработками в области пузырьковой памяти занялись все крупные игроки рынка. Энергонезависимая структура делала пузырьки идеальной заменой как первичной, так и вторичной памяти. Но и тут планам Bell Labs не удалось сбыться — дешевые винчестеры и транзисторная память перекрыли кислород пузырьковой технологии.
Вакуум — наше все
Вакуумные трубки сохранились в технике и по сей день. Особенной любовью они пользуются среди аудиофилов. Считается, что усилительный тракт на основе вакуумных трубок по качеству звука на голову выше современных аналогов.
К концу 40-х годов системная логика компьютеров переехала на вакуумные трубки (они же электронные трубки или термионные шахты). Вместе с ними новый толчок в развитии получили телевидение, устройства для воспроизведения звука, аналоговые и цифровые компьютеры.
Под загадочным словосочетанием «вакуумная трубка» скрывается довольно простой по строению элемент. Он напоминает обычную лампу накаливания. Нить заключена в безвоздушное пространство, при нагреве она испускает электроны, которые попадают на положительно заряженную металлическую пластину. Внутри лампы под напряжением образуется поток электронов. Вакуумная трубка умеет или пропускать, или блокировать (фазы 1 и 0) проходящий через нее ток, выступая в роли электронного компонента компьютеров. Во время работы вакуумные трубки сильно нагреваются, их надо интенсивно охлаждать. Зато они намного быстрее, чем допотопные переключатели.
Первичная память на основе этой технологии появилась в 1946-1947 годы, когда изобретатели Фредди Вильямс и Том Килберн представили трубку Вильямса — Килберна. Метод сохранения данных был весьма остроумным. На трубке при определенных условиях появлялась световая точка, которая слегка заряжала занимаемую поверхность. Зона вокруг точки приобретала отрицательный заряд (ее называли «энергетическим колодцем»). В «колодец» можно было поместить новую точку или оставить его без внимания — тогда первоначальная точка быстро исчезала. Эти превращения истолковывались контроллером памяти как двоичные фазы 1 и 0. Технология была очень популярна. Память на трубках Вильямса — Килберна устанавливали в компьютеры Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 и Standards Western Automatic Computer (SWAC).
Параллельно свою трубку, именуемую селектрон, разрабатывали инженеры из компании Radio Corporation of America под управлением ученого Владимира Зворыкина. По задумке авторов селектрон должен был вмещать до 4096 бит информации, что в четыре раза больше, чем у трубки Вильямса — Килберна. Предполагалось, что к концу 1946 года будет произведено около 200 селектронов, но производство оказалось очень дорогим.
Наравне с вакуумными трубками в некоторых компьютерах того времени использовалась барабанная память, изобретенная Густавом Таусчеком в 1939 году. Простая конструкция включала большой металлический цилиндр, покрытый сплавом из ферромагнетика. Считывающие головки, в отличие от современных винчестеров, не перемещались по поверхности цилиндра. Контроллер памяти ждал, пока информация самостоятельно пройдет под головками. Барабанная память использовалась в компьютере Атанасова — Берри и некоторых других системах. К сожалению, ее производительность была очень низкой.
Селектрону не было суждено завоевать рынок вычислительных машин — опрятные на вид электронные компоненты так и остались пылиться на свалке истории. И это несмотря на выдающиеся технические характеристики.
В данный момент рынком первичной памяти правит стандарт DDR. Точнее, второе его поколение. Переход на DDR3 состоится уже совсем скоро — осталось дождаться появления недорогих чипсетов с поддержкой нового стандарта. Повсеместная стандартизация сделала сегмент памяти слишком скучным для описания. Производители перестали изобретать новые, уникальные продукты. Все труды сводятся к увеличению рабочей частоты и установке навороченной системы охлаждения.
Технологический застой и робкие эволюционные шаги будут продолжаться до тех пор, пока производители не доберутся до предела возможностей кремния (именно из него изготавливают интегрированные микросхемы). Ведь частоту работы нельзя повышать бесконечно.
Правда, здесь кроется один подвох. Производительности существующих чипов DDR2 достаточно для большинства компьютерных приложений (сложные научные программы не в счет). Установка модулей DDR3, работающих на частоте 1066 МГц и выше, не ведет к ощутимому приросту скорости.
Звездный путь в будущее
Странная текстура на фотографии — это память на основе магнитных сердечников. Перед вами наглядная структура одного из массивов с проводами и ферритовыми кольцами. Представляете, сколько времени приходилось потратить, чтобы найти среди них нерабочий модуль?
Главным недостатком памяти, да и всех остальных компонентов на основе вакуумных трубок было тепловыделение. Трубки приходилось охлаждать при помощи радиаторов, воздуха и даже воды. К тому же постоянный нагрев существенно уменьшал время работы — трубки самым натуральным образом деградировали. Под конец срока эксплуатации их приходилось постоянно настраивать и в конечном итоге менять. Можете представить, скольких усилий и средств стоило сервисное обслуживание вычислительных систем?!
Потом наступило время массивов с близко расположенными ферритовыми кольцами — изобретение американских физиков Эн Вэнг и Вэй-Донг Ву, доработанное студентами под управлением Джея Форрестера из Массачусетского технологического университета (MIT). Через центры колец под углом 45 градусов проходили соединительные провода (по четыре на каждое кольцо в ранних системах, по два в более совершенных). Под напряжением провода намагничивали ферритовые кольца, каждое из которых могло сохранить один бит данных (намагничено — 1, размагничено — 0).
Джей Форрестер разработал систему, при которой управляющие сигналы для многочисленных сердечников шли всего по нескольким проводам. В 1951 году вышла память на основе магнитных сердечников (прямой аналог современной оперативной памяти). В дальнейшем она заняла достойное место во многих компьютерах, включая первые поколения мейнфреймов компаний DEC и IBM. По сравнению с предшественниками у нового типа памяти практически отсутствовали недостатки. Ее надежности хватало для функционирования в военных и даже космических аппаратах. После крушения шаттла «Челленджер», которое привело к смерти семи членов его экипажа, данные бортового компьютера, записанные в памяти с магнитными сердечниками, остались в полной целости и сохранности.
Технологию постепенно совершенствовали. Ферритовые кольца уменьшались в размерах, скорость работы росла. Первые образцы функционировали на частоте порядка 1 МГц, время доступа составляло 60 000 нс — к середине 70-х годов оно сократилось до 600 нс.
Дорогая, я уменьшил нашу память
Производители памяти в наше время больше заботятся о внешнем виде своих продуктов — все равно стандарты и характеристики заранее определены в комиссиях вроде JEDEC.
Следующий скачок в развитии компьютерной памяти произошел, когда были придуманы интегральные микросхемы и транзисторы. Индустрия пошла по пути миниатюризации компонентов с одновременным повышением их производительности. В начале 1970-х полупроводниковая промышленность освоила выпуск микросхем высокой степени интеграции — на сравнительно малой площади теперь умещались десятки тысяч транзисторов. Появились микросхемы памяти емкостью 1 Кбит (1024 бит), небольшие чипы для калькуляторов и даже первые микропроцессоры. Случилась самая настоящая революция.
Особый вклад в развитие первичной памяти внес доктор Роберт Деннард, сотрудник компании IBM. Он разработал первый чип на транзисторе и небольшом конденсаторе. В 1970 году рынок подстегнула компания Intel (которая появилась всего двумя годами раньше), представив чип памяти i1103 емкостью 1 Кбит. Спустя два года этот продукт стал самым продаваемым полупроводниковым чипом памяти в мире.
Во времена первых Apple Macintosh блок оперативной памяти занимал огромную планку (на фото сверху), тогда как объем не превышал 64 Кб.
Микросхемы высокой степени интеграции быстро вытеснили старые типы памяти. С переходом на следующий уровень развития громоздкие мейнфреймы уступили место настольным компьютерам. Основная память в то время окончательно отделилась от вторичной, оформилась в виде отдельных микрочипов емкостью 64, 128, 256, 512 Кбит и даже 1 Мбит.
Наконец, микросхемы первичной памяти переехали с материнских плат на отдельные планки, это сильно облегчило установку и замену неисправных компонентов. Частоты начали расти, время доступа уменьшаться. Первые синхронные динамические чипы SDRAM появились в 1993 году, их представила компания Samsung. Новые микросхемы работали на частоте 100 МГц, время доступа равнялось 10 нс.
С этого момента началось победоносное шествие SDRAM, а к 2000 году этот тип памяти вытеснил всех конкурентов. Определением стандартов на рынке оперативки занялась комиссия JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). Ее участники сформировали спецификации, единые для всех производителей, утвердили частотные и электрические характеристики.
Дальнейшая эволюция не так интересна. Единственное значимое событие произошло в 2000 году, когда на рынке появилась оперативная память стандарта DDR SDRAM. Она обеспечила удвоенную (по сравнению с обычной SDRAM) пропускную способность и создала задел для будущего роста. Вслед за DDR в 2004 году появился стандарт DDR2, который до сих пор пользуется наибольшей популярностью.
В современном IT-мире фразой Patent Troll (патентный тролль) называют фирмы, которые зарабатывают деньги на судебных исках. Они мотивируют это тем, что другие компании нарушили их авторские права. Целиком и полностью под это определение попадает разработчик памяти Rambus.
С момента основания в 1990 году Rambus занималась лицензированием своих технологий сторонним компаниям. К примеру, ее контроллеры и микросхемы памяти можно найти в приставках Nintendo 64 и PlayStation 2. Звездный час Rambus настал в 1996 году, когда Intel заключила с ней соглашение на использование в своих продуктах памяти RDRAM и разъемов RIMM.
Сначала все шло по плану. Intel получила в свое распоряжение продвинутую технологию, а Rambus довольствовалась партнерством с одним из крупнейших игроков IT-индустрии. К сожалению, высокая цена модулей RDRAM и чипсетов Intel поставили крест на популярности платформы. Ведущие производители материнских плат использовали чипсеты VIA и платы с разъемами под обычную SDRAM.
Rambus поняла, что на этом этапе она проиграла рынок памяти, и начала свои затяжные игры с патентами. Первым делом ей под руку попалась свежая разработка JEDEC — память стандарта DDR SDRAM. Rambus накинулась на нее, обвинив создателей в нарушении авторских прав. В течение некоторого времени компания получала денежные отчисления, однако уже следующее судебное разбирательство с участием Infineon, Micron и Hynix расставило все по своим местам. Суд признал, что технологические наработки в области DDR SDRAM и SDRAM не принадлежат Rambus.
С тех пор общее количество исков со стороны Rambus к ведущим производителям оперативки превысило все мыслимые пределы. И, похоже, такой образ жизни компанию вполне устраивает.
жесткие диски широко использовались в ПЭВМ первых поколений.
Накопители на сменных гибких дисках (флоппи-дисках или
дискетах) первоначально использовались на мини-ЭВМ. Они имели
диаметр 8" и были заключены в пластиковом конверте, внутри
которого могли свободно вращаться. В 1976 г. появились
односторонние дискеты диаметром 5.25" (133 мм) емкостью 160
Кбайт. Позднее магнитный слой стали наносить с двух сторон,
емкость была доведена до 360 Кбайт, а с переходом на высокую
плотность записи - до 1.2 Мбайт.
В 1980 г. фирма Sony разработала 3.5" дисковод и
соответствующую дискету емкостью 720 Кбайт. Этот стандарт был
принят американскими (ANSI), а затем и международными (ISO)
организациями. С 1987 г. эти накопители стали устанавливаться в
ПЭВМ фирмой IBM. Почти сразу емкость этих дискет была доведена до
В 1992 г был разработан метод сверхвысокой плотности записи
(VHD), позволяющий записывать на специальные гибкие дискеты по 20
Мбайт, а с середины 1995 г. три крупные фирмы начали совместную
разработку накопителей на магнитных дискетах емкостью 120 Мбайт.
Идея создания стриммера была предложена фирмой IBM в 1978 г.
В ее основе заложен принцип инерционного режима работы
лентопротяжного механизма. В отличие от старт-стопного режима,
используемого на бабинных (катушечных) магнитофонах, где участки
магнитной ленты между записями (19 мм) должны обеспечивать
останов и разгон магнитофона для чтения (записи) очередного
блока, в стриммерах эти участки существенно уменьшены, а при
остановках осуществляется прогон ленты назад, чтобы попасть на
начало очередного блока. Это позволило значительно повысить
емкость ленты и скорость передачи информации (правда при условии,
что данные передаются большими порциями).
В 1983 г. появляются стриммеры с накопителями на 8 и 4-х мм
магнитной ленте в специальных кассетах - картриджах. Их емкость
сначала составляла 40 Мбайт, но уже в 1993 г. фирами Sony и 3M
начинают выпускаться стриммеры емкостью соответственно 4 и 1.3
Гбайт для 8 и 4 мм ленты, а с 1997 г. фирма 3М выпускает
картриджы емкостью 15 Гбайт.
Использование эффекта Бернулли, уменьшающего давление в
быстрых потоках, позволило разработать накопители с очень
маленькими расстояниями между головкой чтения/записи и магнитным
покрытием дискеты. Зазоры в 0.003 мкм позволили достигнуть уже в
1986 г. емкости носителей в 20 Мбайт, еще через 6 лет - 150
Мбайт, а в настоящее время - 230 Мбайт (при диаметре 5.25") и 100
Мбайт для 3.5" носителей.
Наряду с развитием накопителей со сменными гибкими дисками,
начиная с 1982 г. идет активная разработка устройств со сменными
жесткими дисками. Здесь принято 3 стандартных типоразмера: 5.25",
3.5" и 1.8" (последние - в спецификации PCIMCIA для notebook).
Емкость таких сменных дисков составляет от 44 Мбайт до 650 и даже
2) накопители на гибких магнитных данных (дискеттах)
Накопители на гибких магнитных дисках, или иначе приводы
дискет появились уже на самых первых ПЭВМ и устанавливаются до
сих пор. В нем имеется два двигателя: один для вращения дискеты
со скоростью 300-360 об/мин, другой для шагового перемещения
головок чтения/записи с дорожки на дорожку в радиальном
направлении. Головки касаются поверхности дискеты, в отличие от
головок винчестера. По диаметру дискеты накопители делятся на
5.25" и 3.5". По количеству дорожек - на 40 и 80-ти дорожечные. В
настоящее время они всегда двухсторонние, причем 5.25" уже не
Для продления срока службы дисководов, рекомендуется
регулярно (раз в месяц, при интенсивной работе - раз в неделю)
проводить профилактическую чистку головок с помощью специальной
"чистящей" дискеты, смачиваемой изопропиловым спиртом. Такая
очистка с одной стороны уменьшает вероятность сбоев при записи и
чтении информации с дискеты, с другой - снижает абразивное
воздействие головок на ферромагнитное покрытие дискет, увеличивая
срок их использования.
Дискеты для накопителей, упомянутых выше, представляют собой
тонкий гибкий пластиковый диск покрытый с обоих сторон магнитным
слоем. Этот диск помещен в гибкий (для 5.25") или жесткий (3.5")
В самом широком смысле информационная система представляет собой программный комплекс, функции которого состоят в поддержке надежного хранения информации в памяти компьютера, выполнении специфических для данного приложения преобразований информации и/или вычислений, предоставлении пользователям удобного и легко осваиваемого интерфейса. Обычно объемы данных, с которыми приходится иметь дело таким системам, достаточно велики, а сами данные обладают достаточно сложной структурой. Классическими примерами информационных систем являются банковские системы, системы резервирования авиационных или железнодорожных билетов, мест в гостиницах и т. д.
О надежном и долговременном хранении информации можно говорить только при наличии запоминающих устройств, сохраняющих информацию после выключения электропитания. Оперативная (основная) память этим свойством обычно не обладает. В первые десятилетия развития вычислительной техники использовались два вида устройств внешней памяти : магнитные ленты и магнитные барабаны. При этом емкость магнитных лент была достаточно велика, но по своей природе они обеспечивали последовательный доступ к данным. Емкость магнитной ленты пропорциональна ее длине. Чтобы получить доступ к требуемой порции данных, нужно в среднем перемотать половину ее длины. Но чисто механическую операцию перемотки нельзя выполнить очень быстро. Поэтому быстрый произвольный доступ к данным на магнитной ленте, очевидно, невозможен.
Магнитный барабан представлял собой массивный металлический цилиндр с намагниченной внешней поверхностью и неподвижным пакетом магнитных головок. Такие устройства обеспечивали возможность достаточно быстрого произвольного доступа к данным, но позволяли сохранять сравнительно небольшой объем данных. Быстрый произвольный доступ осуществлялся благодаря высокой скорости вращения барабана и наличию отдельной головки на каждую дорожку магнитной поверхности; ограниченность объема была обусловлена наличием всего одной магнитной поверхности.
Указанные ограничения не очень существенны для систем численных расчетов. Обсудим более подробно, какие реальные потребности возникают у разработчиков систем численных расчетов. Прежде всего, для получения требуемых результатов серьезные вычислительные программы должны проработать достаточно долгое время (недели, месяцы и даже, может быть, годы). Наличие гарантий надежности со стороны производителей аппаратных компьютерных средств не избавляет программистов от необходимости использования программного сохранения частичных результатов вычислений, чтобы при возникновении непредвиденных сбоев аппаратуры можно было продолжить выполнение расчетов с некоторой контрольной точки. Для сохранения промежуточных результатов идеально подходят магнитные ленты: при выполнении процедуры установки контрольной точки данные последовательно сбрасываются на ленту, а при необходимости перезапуска от сохраненной контрольной точки данные также последовательно с ленты считываются.
Вторая традиционная потребность численных программистов – максимально большой объем оперативной памяти. Большая оперативная память требуется, во-первых, для того, чтобы обеспечить программе быстрый доступ к большому количеству обрабатываемых данных. Во-вторых, сложные вычислительные программы сами могут иметь большой объем. Поскольку объем реально доступной в ЭВМ оперативной памяти всегда являлся недостаточным для удовлетворения текущих потребностей вычислений, требовалась быстрая внешняя память для организации оверлеев и/или виртуальной памяти. Мы не будем здесь вдаваться в детали организации этих механизмов программного расширения оперативной памяти, но заметим, что для этого идеально подходили магнитные барабаны. Они обеспечивают быстрый доступ к внешней памяти , а для расширения оперативной памяти одной программы (сложные вычислительные программы, как правило, выполняются на компьютере в одиночку) большой объем внешней памяти не требуется.
Далее заметим, что, даже если программа должна обработать (или произвести) большой объем информации, при программировании можно продумать расположение этой информации во внешней памяти , чтобы программа работала как можно быстрее. Развитая поддержка работы с внешней памятью со стороны общесистемных программных средств не обязательна, а иногда и вредна, поскольку приводит к дополнительным накладным расходам аппаратных ресурсов.
Однако для информационных систем , в которых объем постоянно хранимых данных определяется спецификой бизнес-приложения, а потребность в текущих данных определяется пользователем приложения, одних только магнитных барабанов и лент недостаточно. Емкость магнитного барабана просто не позволяет долговременно хранить данные большого объема. Что же касается лент, то представьте себе состояние человека, который, стоя у билетной кассы, должен дождаться полной перемотки магнитной ленты. Естественным требованием к таким системам является обеспечение высокой средней скорости выполнения операций при наличии больших объемов данных.
Именно требования к устройствам внешней памяти со стороны бизнес-приложений вызвали появление устройств внешней памяти со съемными пакетами магнитных дисков и подвижными головками чтения/записи, что явилось революцией в истории вычислительной техники. Эти устройства памяти обладали существенно большей емкостью, чем магнитные барабаны (за счет наличия нескольких магнитных поверхностей), обеспечивали удовлетворительную скорость доступа к данным в режиме произвольной выборки, а возможность смены дискового пакета на устройстве позволяла иметь архив данных практически неограниченного объема.
Магнитные диски представляют собой пакеты магнитных пластин (поверхностей), между которыми на одном рычаге двигается пакет магнитных головок (рис. 1.1). Шаг движения пакета головок является дискретным, и каждому положению пакета головок логически соответствует цилиндр пакета магнитных дисков . На каждой поверхности цилиндр "высекает" дорожку, так что каждая поверхность содержит число дорожек, равное числу цилиндров. При разметке магнитного диска (специальном действии, предшествующем использованию диска) каждая дорожка размечается на одно и то же количество блоков; таким образом, предельная емкость каждого блока составляет одно и то же число байтов. Для произведения обмена с магнитным диском на уровне аппаратуры нужно указать номер цилиндра, номер поверхности, номер блока на соответствующей дорожке и число байтов, которое нужно записать или прочитать от начала этого блока.
Рис. 1.1. Грубая схема дискового устройства памяти с подвижными головками
При выполнении обмена с диском аппаратура выполняет три основных действия: подвод головок к нужному цилиндру (обозначим время выполнения этого действия как tпг ), поиск на дорожке нужного блока ( время выполнения – tпб ) и собственно обмен с этим блоком ( время выполнения – tоб ). Тогда, как правило, tпг>>tпб>>tоб, потому что подвод головок – это механическое действие, причем в среднем нужно переместить головки на расстояние , равное половине радиуса поверхности, а скорость передвижения головок не может быть слишком большой по физическим соображениям. Поиск блока на дорожке требует прокручивания пакета магнитных дисков в среднем на половину длины внешней окружности; скорость вращения диска может быть существенно больше скорости движения головок, но она тоже ограничена законами физики. Для выполнения же обмена нужно прокрутить пакет дисков всего лишь на угловое расстояние , соответствующее размеру блока. Таким образом, из всех этих действий в среднем наибольшее время занимает первое, и поэтому существенный выигрыш в суммарном времени обмена при считывании или записи только части блока получить практически невозможно.
С появлением магнитных дисков началась история систем управления данными во внешней памяти . До этого каждая прикладная программа , которой требовалось хранить данные во внешней памяти , сама определяла расположение каждой порции данных на магнитной ленте или барабане и выполняла обмены между оперативной и внешней памятью с помощью программно-аппаратных средств низкого уровня (машинных команд или вызовов соответствующих программ операционной системы). Такой режим работы не позволял или очень затруднял поддержание на одном внешнем носителе нескольких архивов долговременно хранимой информации. Кроме того, каждой прикладной программе приходилось решать проблемы именования частей данных и структуризации данных во внешней памяти .
Читайте также: