Современный компьютер построен на чипе каком
Обновлено: 01.07.2024
От чипсета напрямую зависит скорость работы вашего устройства, поэтому при его выборе следует быть внимательнее, особенно если речь идет о рабочих или игровых компьютерах. Рассказываем, какие бывают чипсеты и чем они отличаются.
Читайте «Хайтек» в
Как выглядят чипсеты современных компьютеров?
Чипсет — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора заданных функций.
Так, в компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате, выполняет функцию связующего компонента (моста), обеспечивающего взаимодействие центрального процессора (ЦП) c различными типами памяти, устройствами ввода-вывода, контроллерами и адаптерами ПУ, как непосредственно через себя (и имея некоторые из них в своем составе), так и через другие контроллеры и адаптеры, с помощью многоуровневой системы шин.
Так как ЦП, как правило, не может взаимодействовать с ними напрямую. Чипсет определяет функциональность системной платы. Он включает в себя интерфейс шины процессора и определяет в конечном счете тип и быстродействие используемого процессора.
Определяет во многом тип, объем, быстродействие и вид поддерживаемой памяти, рабочие частоты различных шин, их разрядность и тип, поддержку плат расширения, их количество и тип, и т. д.
Таким образом, этот набор микросхем относится к числу наиболее важных компонентов системы, во многом определяя ее быстродействие, расширяемость, стабильность работы при различных настройках и условиях, модернизируемость, сферу применения и т. д.
Являясь по сути основой платформы/системной платы, чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в сотовых телефонах и сетевых медиаплеерах.
Чипсет материнских плат современных компьютеров состоит из двух основных микросхем (иногда объединяемых в один чип, т.н. системный контроллер-концентратор:
- Контроллер-концентратор памяти — обеспечивает взаимодействие ЦП с памятью. Соединяется с ЦП высокоскоростной шиной (FSB, HyperTransport или QPI). В современных ЦП (например, Opteron, Itanium, Nehalem, UltraSPARC T1) контроллер памяти может быть интегрирован непосредственно в ЦП. В MCH некоторых чипсетов может интегрироваться графический процессор.
- Контроллер-концентратор ввода-вывода — обеспечивает взаимодействие между ЦП и жестким диском, картами PCI, низкоскоростными интерфейсами PCI Express, интерфейсами IDE, SATA, USB и пр.
Иногда в состав чипсета включают микросхему Super I/O, которая подключается к южному мосту по шине Low Pin Count и отвечает за низкоскоростные порты: RS232, LPT, PS/2.
Существуют и чипсеты, заметно отличающиеся от традиционной схемы. Например, у процессоров для разъема LGA 1156 функциональность северного моста (соединение с видеокартой и памятью) полностью встроена в сам процессор, и, следовательно, чипсет для LGA 1156 состоит из одного южного моста, соединенного с процессором через шину DMI.
Создание полноценной вычислительной системы для персонального и домашнего компьютера на базе, состоящей из столь малого количества микросхем (чипсет и микропроцессор) является следствием развития техпроцессов микроэлектроники развивающихся по закону Мура.
Чипсеты для современных x86-процессоров
В создании чипсетов, обеспечивающих поддержку новых процессоров, в первую очередь заинтересованы фирмы-производители процессоров. Поэтому ведущими производителями процессоров (Intel и AMD) выпускаются пробные наборы специально для производителей материнских плат.
После обкатки на таких чипсетах выпускаются новые серии материнских плат, и по мере продвижения на рынок лицензии выдаются разным фирмам-производителям и, иногда, субподрядчикам производителей материнских плат.
Список основных производителей чипсетов для архитектуры x86:
- Intel.
- NVIDIA.
- ATI/AMD. После покупки в 2006 году компании ATi корпорацией AMD, вошла в ее состав как графическое подразделение AMD Graphics Products Group.
- VIA.
- SiS.
Чипсеты ARM
Для систем, использующих процессоры ARM, также создавались и создаются чипсеты. И если первые образцы были в целом похожи на современные им чипсеты IBM PC, то современные (такие как Qualcomm Snapdragon и Texas Instruments DaVinci), из-за ориентированности на мобильные устройства, заметно отличаются как по структуре, так и по техническим особенностям.
Производители чипсетов
Маркировка чипсета буквой перед цифрой означает мощность чипсета внутри одной линейки.
Х — чипсет для HEDT-процессоров Intel Core X, отвечающий требованиям для производительных рабочих и игровых станций.
Z — чипсет для энтузиастов, поддерживающий разгон процессоров Intel Core и обеспечивающий лучшую производительность
B, H — для обычного домашнего игрового или офисного компьютера
W, Q — для бизнеса. Особенность в том, что чипсеты поддерживают продвинутые технологии безопасности данных и обширные возможности построения корпоративных сетей
Самые слабые по производительности те модели, в названии которых только цифры:
Буквы G или V в названии модели указывает на наличие в чипсете встроенной видеокарты.
Х или GX — поддержка двух отдельных (дискретных) видеокарт, но не на полную мощность (по 8 линий на каждую).
FX — самые мощные чипсеты, которые полностью поддерживают работу с несколькими видеокартами.
Шина, которая связывает процессор и чипсет у AMD называется Hyper Transport (HT).
Как выбирать чипсет?
Существует заблуждение, что чем больше ядер, тем лучше, но это не так.
Напомним, что речь идет об одной из частей системы на кристалле, а именно о центральном процессоре (CPU). CPU занимается общим управлением чипсета и приложениями от трех сторон.
Стоит вспомнить правило, что ограничение роста производительности происходит из-за увеличения количества вычислителей. Джин Амдал сформулировал закон в 1967 году. Поэтому больше ядер — больше энергопотребление.
Иногда из-за большого количества ядер невозможно разместить что-то другое т. к. физический размер чипсета имеет ограничения.
Также важна тактовая частота центрального процессора. Сейчас максимальная частота флагманов достигает 2,45 ГГц и нужна для непродолжительных высоких нагрузок (например, при обработке 4К30 видео, при передаче данных по сети LTE со скоростями до 1 Гбит/с) или для задач бенчмаркинга.
- На каких производителей обратить внимание?
- Qualcom
- Intel
- Samsung
- HiSilicon
- Mediatek
- Spreadtrum
Подборка самых производительных чипов
AMD начала продажи Radeon RX 6900 XT 8 декабря 2020 по цене $999. Это десктопная видеокарта на архитектуре Navi/RDNA2 и техпроцессе 7 нм, в первую очередь рассчитанная на геймеров. На ней установлено 16 Гб памяти GDDR6 на частоте 16 ГГц, и вместе с 256-битным интерфейсом это создает пропускную способность 512,0 Гб/с.
NVIDIA начала продажи GeForce RTX 3090 24 сентября 2020 по цене $1,499. Это десктопная видеокарта на архитектуре Ampere и техпроцессе 8 нм, в первую очередь рассчитанная на геймеров. На ней установлено 24 Гб памяти GDDR6X на частоте 19,5 ГГц, и вместе с 384-битным интерфейсом это создает пропускную способность 936,2 Гб/с.
NVIDIA начала продажи GeForce RTX 3080 16 сентября 2020 по цене $699. Это десктопная видеокарта на архитектуре Ampere и техпроцессе 8 нм, в первую очередь рассчитанная на геймеров. На ней установлено 10 Гб памяти GDDR6X на частоте 19 ГГц, и вместе с 320-битным интерфейсом это создает пропускную способность 760,3 Гб/с.
AMD начала продажи Radeon RX 6800 XT 18 ноября 2020 по цене $649. Это десктопная видеокарта на архитектуре Navi/RDNA2 и техпроцессе 7 нм, в первую очередь рассчитанная на геймеров. На ней установлено 16 Гб памяти GDDR6 на частоте 16 ГГц, и вместе с 256-битным интерфейсом это создает пропускную способность 512,0 Гб/с.
NVIDIA начала продажи RTX A6000 5 октября 2020 по цене $4,649. Это десктопная видеокарта на архитектуре Ampere и техпроцессе 8 нм, в первую очередь рассчитанная на геймеров. На ней установлено 48 Гб памяти GDDR6 на частоте 16 Гб/с, и вместе с 384-битным интерфейсом это создает пропускную способность 768,0 Гб/с.
13. Под термином «поколение ЭВМ» понимают:
а) Все счётные машины
б) Все типы и модели ЭВМ, построенные на одних и тех же научных и технических принципах
в) Все типы и модели ЭВМ, созданные в одной и той же стране+
14. Машины первого поколения ЭВМ были созданы на основе:
а) транзисторов
б) электронных ламп+
в) зубчатых колес
15. Какая из ЭВМ была лучшей в мире ЭВМ второго поколения?
а) БЭСМ
б) БЭСМ-6+
в) МЭСМ
16. Кем были предположены классические принципы построения ЭВМ?
а) Беркс, Г. Голдстайн, Дж.Нейман+
б) К. Поляков, Е.Еремин
в) Н.Брусенцов, Т.Тиунова, С.Пупкова
17. Что относится к наиболее важным идеям классических принципов построения ЭВМ?
а) Высокая точность вычислений
б) Принцип иерархической организации памяти+
в) Соединение триады в одно «длинное» двоичное число
18. ЭВМ состоит из нескольких блоков, какой к ним относится?
а) Арифметико-логическое устройство+
б) Адресное устройство
в) Принтерное устройство
19. Как называется устройство для хранения программ и данных?
а) Устройство управления
б) Устройство вывода
в) Память+
20. Как называются устройства, преобразующие входные данные в форму, доступную компьютеру?
а) Устройства ввода+
б) Устройство вывода
в) Устройство управления
21. Когда была реализована троичная ЭВМ «Сетунь»?
а) 1999 год
б) 1959 год+
в) 2001 год
22. Кто был руководителем проекта «Сетунь»?
а) Е. Денюкова
б) Я. Соловцова
в) Н.Брусенцов+
25. Как принято называть организованную в произвольном порядке память?
а) Память с произвольным доступом+
б) Оперативная память
в) Тактильная память
26. Что используют, чтобы преодолеть противоречие между объемом памяти и ее быстродействием?
а) Выполнение команд по алгоритму
б) Переход к «коротким» ячейкам
в) Несколько различных видов памяти, связанных друг с другом+
27. Как называются устройства, способные решать разнообразные задачи одновременно и в произвольном порядке?
а) Регистры команд
б) Универсальные устройства+
в) Логические устройства
28. Какой специальный регистр является важным элементом устройства управления в машине фоннеймановской архитектуры?
а) Счетчик адреса команд+
б) Регистр команд
в) Загрузчик системы
29. Как расшифровывается ОЗУ?
а) Оперативное запоминающее устройство+
б) Оперативная загрузка устройства
в) Оперативное звуковое устройство
30. Как называют общие принципы построения конкретного семейства компьютеров?
а) Искусством
б) Конвейером
в) Архитектурой+
В мобильных устройствах (планшеты, смартфоны) и классических компьютерах (ноутбуки, настольные ПК, серверы) используются разные процессоры. Они по-разному взаимодействуют с операционными системами и программами — взаимной совместимости нет. Именно поэтому вы не сможете запустить привычные Word или Photoshop на своем iPhone или Android-смартфоне. Вам придется скачивать из AppStore или Google Play специальную версию софта для мобильных устройств. И она будет сильно отличаться от версии для настольного ПК: как визуально, так и по функциональности, не говоря уже о программном коде, который пользователь обычно не видит.
Процессоры для классических компьютеров строятся на архитектуре x86. Своим названием она обязана ранним чипам компании Intel c модельными индексами 8086, 80186 и так далее. Первым таким решением с полноценной реализацией x86 стал Intel 80386, выпущенный в 1985 году. Сегодня подавляющее большинство процессоров в мире с архитектурой x86 делают Intel и AMD. При этом у AMD, в отличие от Intel, нет собственного производства: с 2018 года им по заказу компании занимается тайваньская корпорация TSMC.
Когда Acer, Asus, Dell, HP, Lenovo и любые другие производители классических компьютеров используют процессоры Intel или AMD, то им приходится работать с тем, что есть. Они вынуждены закупать готовые решения без возможности гибко доработать чипы под свой конкретный продукт. А свои собственные процессоры на архитектуре x86 никто из производителей ПК делать не может. Дело не только в том, что это крайне сложно и дорого, но и в том, что лицензия на архитектуру принадлежит Intel, и компания не планирует ее ни с кем делить. AMD же воевала в американских судах за право создавать чипы на архитектуре x86 со своим главным конкурентом более десяти лет в 1980-х и 1990-х годах.
Процессоры для мобильных устройств строятся на базе архитектуры ARM. И это не какая-то быстро и внезапно взлетевшая вверх молодая компания. Корни истории современной британской ARM Limited уходят далеко в 1980-е. Только в отличие от своих доминирующих на рынке «больших» ПК-конкурентов ARM Limited процессоры не делает. Бизнес компании построен на том, что она продает лицензии на производство чипов по своей технологии всем желающим. Причем возможности для доработки у лицензиатов максимально широкие — отсюда популярность и многообразие решений. Именно на основе архитектуры ARM Huawei делает свои мобильные чипы Kirin, у Samsung это Exynos, у Apple — серия Ax. В этот же список входят Qualcomm, MediaTek, NVIDIA и другие компании. А еще свои процессоры на ARM делает Fujitsu. Японцы назвали их A64X, и именно они в количестве 158 976 штук используются в самом мощном на момент выхода этой статьи суперкомпьютере в мире — Fujitsu Fugaku.
Из открытого подхода ARM вытекает и главный недостаток: архитектура очень фрагментирована. Для x86 достаточно написать программу один раз, и она будет одинаково стабильно работать на всех устройствах. Для ARM приходится адаптировать софт под процессоры каждого производителя, что замедляет и удорожает разработку. Ну, а главный недостаток x86 вытекает из отсутствия конкуренции. В последние годы Intel, например, много упрекали за медленный или порой вовсе едва ощутимый прирост производительности от поколения к поколению. Также есть проблемы с высокими уровнями нагрева и энергопотребления.
Архитектура процессоров: CISC, RISC, и в чем разница
Ключевое отличие между x86 и ARM кроется в разной архитектуре набора инструкций. По-английски — ISA, Instruction Set Architecture. В основе x86 изначально лежала технология CISC. Это расшифровывается как Complex Instruction Set Command — вычислительная машина со сложным набором инструкций. «Сложность» здесь в том, что в одну инструкцию для процессора может быть заложено сразу несколько действий.
Полвека назад, когда первые процессоры только появились, программисты писали код вручную (сейчас для этого есть компиляторы). Одну сложную команду на старом низкоуровневом языке программирования Assembler написать было гораздо проще, чем множество простых, досконально разъясняющих весь процесс. А еще сложная команда занимала меньше места, потому что код для нее был короче, чем несколько отдельных простых команд. Это было важно, потому что объем памяти в те времена был крайне ограничен, стоила она дорого и работала медленно. Заказчики от этого тоже выигрывали — под любой их запрос можно было придумать специальную команду.
Но вот архитектура самого процессора страдала. По мере развития микроэлектроники в чипах с CISC копились команды, которые использовались редко, но все еще были нужны для совместимости со старыми программами. При этом под них резервировалось пространство на кристалле (место, где расположены физические блоки процессора). Это привело к появлению альтернативной технологии RISC, что расшифровывается как Reduced Instruction Set Command — вычислительная машина с сокращенным набором инструкций. Именно она легла в основу процессоров ARM и дала им название: Advanced RISC Machines.
Здесь ставку сделали на простые и наиболее востребованные команды. Да, код поначалу писать было сложнее, поскольку он занимал больше места, но с появлением компиляторов это перестало быть значимым недостатком. Результат — экономия места на кристалле и, как следствие, сокращение нагрева и потребления энергии. Плюс множество других преимуществ.
Почему о превосходстве ARM заговорили только недавно и при чем здесь Apple?
Если архитектура ARM так хороша, то почему же Intel и AMD не бросили все и не стали строить свои чипы на ней? На самом деле, они не оставили технологию без внимания, и к сегодняшнему дню CISC в чистом виде фактически уже не существует. Еще в середине 1990-х годов процессоры обеих компаний (начиная с Pentium Pro у Intel и K5 у AMD) обзавелись блоком преобразования инструкций. Сложные команды разбиваются на простые и затем выполняются именно там. Так что современные процессоры на архитектуре x86 в плане набора инструкций гораздо ближе к RISC, чем к CISC.
Кроме того, важно понимать, что противостояние x86 и ARM — это прежде всего противостояние Intel (потому что AMD гораздо меньше во всех отношениях: от капитализации до доли на рынках) и множества разрозненных производителей чипов для мобильных устройств. Долгое время два направления развивались как бы отдельно друг от друга. У Intel не получалось сделать достаточно мощное и энергоэффективное решение на x86 для мобильных устройств, а производители ARM-процессоров не стремились на рынок «больших» ПК. В нише мобильных устройств хватало места всем, и конкурировать там было проще, чем на фактически монополизированном Intel рынке процессоров для традиционных компьютеров.
Однако в последние годы доминирующее положение Intel пошатнулось. Прежде всего из-за того, что бизнес компании перестал соответствовать ее же собственной производственной стратегии. Согласно прогнозу одного из основателей Intel Гордона Мура, количество транзисторов в процессорах должно удваиваться каждые два года за счет перехода на более компактный технологический процесс производства (измеряется в нанометрах — нм). Как раз за счет этого повышается производительность. Впоследствии впервые озвученный в середине 1960-х годов «Закон Мура» корректировался, но сегодня стало ясно, что бесконечным этот рост быть не может. Технологии Intel дошли до «потолка возможностей» и пока уперлись в него. Переход на 14 нм, а потом и на 10 нм сильно затянулся, в то время как AMD в партнерстве с TSMC уже работает по техпроцессу 7 нм, а первым 5-нанометровым процессором в мире стал Apple M1 на архитектуре ARM.
Решая множество технологических проблем с процессорами для «больших» компьютеров, Intel полностью упустила из вида рынок мобильных чипов, и теперь здесь господствуют решения ARM. Проблемы, кстати, при этом никуда не делись — чипы Intel для настольных ПК последних лет активно и справедливо критикуют. Мощные процессоры компании страдают от высокого нагрева и сильного энергопотребления, а энергоэффективные, наоборот, сильно ограничены в плане производительности.
Большинство производителей ноутбуков и компьютеров продолжают с этим мириться, и не уходят на ARM — не позволяет огромный багаж популярного софта и массовость их техники. Как вы помните, одна и та же программа не сможет работать и на x86 и, на ARM — ее нужно обязательно программировать заново. Но в 2020 году после почти 15 лет выпуска компьютеров с процессорами Intel компания Apple объявила о переходе на процессоры ARM собственной разработки. Они, кстати, тоже производятся внешним подрядчиком: на заводах уже упомянутой TSMC.
И это крайне важное заявление, потому что на рынке только у Apple есть все возможности для того, чтобы сделать этот переход успешным. Во-первых, компания сама разрабатывает процессоры на базе ARM много лет. Настольные M1 «выросли»
из мобильных чипов серии Ax. У производителей ПК на других ОС такого опыта нет или он сильно ограничен. Во-вторых, у Apple огромный опыт разработки собственных операционных систем: как мобильной, так и настольной. Конкуренты в основном используют Windows или «надстройки» для Android.
Остается совместить две системы (OS X для компьютеров, iOS для смартфонов), «заточенные» под разную архитектуру вместе, унифицировав софт, и это самый сложный пункт программы. Но и тут у Apple есть целая россыпь козырей. Это и лояльная аудитория, не готовая смотреть на продукцию конкурентов, но готовая подождать пока программы адаптируют под ARM. И собственный язык программирования Swift, который давно унифицировал процесс разработки ПО для iOS и OS X. И пусть небольшая в количестве устройств, но зато очень заметная доля на рынке ПК в деньгах, чтобы процесс адаптации «настольного» софта для x86 под работу с «мобильным» ARM стал интересен крупным разработчикам ПО. За примерами далеко ходить не надо: в Adobe на зов откликнулись одними из первых.
Немаловажно и то, что переход с Intel на ARM для Apple — далеко не первый опыт смены процессоров в своих устройствах. На Intel корпорация из Купертино переходила с PowerPC в 2005 году. А чипы PowerPC пришли на замену Motorola 68K в начале 1990-х.
Стив Джобс о переходе на процессоры Intel в 2005 годуПроцессор Apple M1: чем он так хорош?
Apple M1 интересен не столько тем, что построен на базе технологий ARM, сколько своей архитектурой. Здесь на одной подложке собраны сам процессор, в котором по 4 производительных и энергоэффективных ядра, восьмиядерная графическая подсистема, нейромодуль для машинного обучения, огромные (по меркам процессоров) объемы кэш-памяти плюс тут же распаяна оперативная память. Такое решение занимает совсем мало места в корпусе компьютера, потребляет мало энергии (аккумулятор ноутбука дольше не разрядится) и может работать без активного охлаждения (ноутбук будет тихим или вовсе бесшумным) при хорошем уровне производительности.
И совсем не просто так первым компьютером Apple с процессором M1 стал MacBook Air. С одной стороны, это лэптоп, главными преимуществами которого как раз и должно быть все, что дает новый процессор: компактность, автономность, тишина. С другой стороны, это компьютер для наименее требовательных пользователей, которым практически не нужен никакой специфический софт — достаточно того, что сама Apple предлагает «из коробки»: браузера, проигрывателя, офисного пакета. А для софта, который под ARM адаптировать пока не успели, Apple использует встроенный эмулятор Rosetta 2.
Уже готовые компактные устройства Apple с чипами M1 выглядят действительно интересно, правда выигрыш в производительности в них явно ощущается в основном только в уже адаптированных под ARM программах, но зато он очень заметный. Так что если Intel и AMD не смогут дать достойный ответ конкуренту в нише энергоэффективных ПК, то рост популярности решений Apple не заставит себя ждать даже несмотря на то, что еще какое-то время софта будет не хватать. Массовому пользователю ведь много не нужно.
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.
Читайте также: