Оперативная память(ОП, RAM-Random Access Memory).

Память Corsair Dominator XMS2 с радиатором.

Оперативная память - неотъемлемая часть любого компьютера. Без неё компьютеры могли бы считать только очень ограниченный круг задач, используя исключительно регистры. Поэтому оперативная память присутствовала и в принципах Фон Неймана, и даже в сугубо теоретической машине Тьюринга.

ОП - один из трёх видов памяти компьютера: оперативная, постоянная и внешняя. Однако, когда говорят память, чаще всего имеют ввиду память со случайным доступом(Random Acces Memory), поскольку она в большей степени влияет на производительность компьютера, чем остальные две вместе взятые. Ведь именно сюда загружаются программи и данные, необходимые для их работы, именно отсюда процессор получает команды. Об истории развития "оперативки" здесь и будет рассказано.

Как все начиналось.

Морис Уилкс и блок оперативной памяти компьютера EDSAC.

Первое поколение памяти - ламповая.

рис.2. Ламповая оперативная память. Объём-256 бит.

Первая память, вполне естественно, была сделана с использованием ламп. Как и положено лампам, они сильно грелись и потребляли много энергии, однако других технологий тогда ещё небыло. Применялась такая память только в компьютерах первого поколения и затем, с появлением интегральных микросхем, сохранилась и то недолго, лишь в некоторых устройствах.

Второе поколение - память на ферромагнетиках.

рис.3. Память на ферромагнетиках. Размер колечек меньше миллиметра.

Во компьютерах второго и многих компьютеров третьего поколений использовалась память на магнитном сердечнике - маленький ферромагнетик размером с бусинку. Из таких бусинок, сплетая их с помощью очень тонких проводков, вручную делался материал, похожий на ткань. На месте пересечения проводников , по которым течёт ток, ферромагнетик намагничивался. Эта память была изобретена в 1948 Э.Уонгом и широко использовалось в 1950–1960-х годах. Интересно то, что эта память не теряла информация при отключении питания. Она до сих пор применяется в некоторых военных, космических и других специализированных отраслях.

Третье поколение - динамическая память.

рис.4. Современная память: DDR2, SIMM 72 pin, SIMM 30 pin.

Динамическая память основана на том, что конденсатор способен некоторое время хранить заряд. Конечно, в памяти этого типа используются не конденсаторы(из-за их большого размера), а паразитная ёмкость на базе транзистора. Из-за маленьких размеров этих "конденсаторов", их ёмкость тоже очень мала. А это приводит к тому, что из-за токов утечки, она разряжается. Происходит это примерно через пару микросекунд. Для того, чтобы память не "забывала" хранимую в ней информацию, проводят циклы регенерации. Во время них, проходят все ячейки. Если заряд в ячейке есть, то его считывают и записывают заново.

Триггерная(статическая) память.

рис.4. Статическая память.

рис.5. Схема триггера. рис.6. Схематичное изображение ячейки памяти в кристалле.

История создания статической памяти уходит своими корнями очень далеко. Память первых релейных компьютеров по своей природе была статической и долгое время не претерпевала практически никаких изменений (во всяком случае - концептуальных), - менялась лишь элементарная база: на смену реле пришли электронные лампы, впоследствии вытесненные сначала транзисторами, а затем TTL- и CMOS-микросхемами, но идея, лежащая в основе статической памяти, была и остается прежней... Динамическая память, изобретенная значительно позднее, в силу фундаментальных физических ограничений, так и не смогла сравняться со статической памятью в скорости.

Однако, эта память используется только в высокопроизводительных системах и серверах, где требуется высокая скорость, т.к. её цена очень высока, аплотность упаковки - низкая.

Принцип работы памяти.

рис.7. Кристалл памяти на 25-центовой монете.

Любая память, независимо от её типа, производит выборку данных по одному принципу, различаются лишь детали и способы реализации.

Рис.8. Принцип выборки данных из памяти.

На каждой планке памяти может находиться несколько чипов памяти. Каждый чип представляет собой(разумеется, логически) матрицу, с n строками и m столбцами. Сначала контроллер памяти выбирает нужный чип на нужном разъёме. Затем посылает номер строки (вместе с сигралом RAS), затем-номер столбца(CAS).

кроме матрицы, в памяти находится дешифратор(специальное устройство, которое переводит двоичный код в позиционный) и мультиплексор(имеет много входов, один выход и вход управления, который определяет, с какого входа сигнал поступает на выход).

Дешифратор выбирает строку. Данные попадают в регистры Rg-0...Rg-m. Затем приходит сигнал CAS и соответствующий адрес. Мультиплексор по этому адресу выбирает один из регистров и выдаёт нужные данные.

В заключение.

рис.9. Память RIMM фирмы Samsung 256 мегабайт.

В последнее время никаких принципиально других технологий памяти на рынке не появлялось. Была попытка фирмы Intel вывести на рынок быструю память RIMM, но из-за её дороговизны и появления гораздо более дешёвой и не сильно уступающей по скорости памяти DDR и DDR-2 эта память сейчас практически не используется. Кроме того, эта память требовала очень высокочастотной шины большой "ширины"(количество дорожек на плате), что так же чрезвычайно усложняло конструкцию материнских плат.

Рис.10.Память с тепловыми трубками для отвода тепла.

Сейчас активно усовершенствуется технология DDR(Double Data Rate), появилась недавно DDR 3. Восновном, производители идут на повышение частоты работы памяти, что вызывает повышенное тепловыделение. Отсюда(и, конечно же, в борьбе за покупателя) появляются специальные "оверклокерские" модели памяти с гигантскими системами охлаждения, иногда даже с водоблоками. Такие молули, как правило, продаются парами или четвёрками и стоят в разы дороже обычной памяти.

рис.11. Память с водоблоком и принцип действия системы охлаждения.

Кроме того, наращиваются и объёмы памяти. Однажды, в 1981 году, Билл Гейтс, в связи с выходом нового компьютера, который поддерживал 256 килобайт памяти, заявил, что больше, чем 256 Кб памяти человечеству никогда не понадобится. Глядя на планки памяти объёмом в 8 гигабайт, и материнские платы для домашних компьютеров, которые это поддерживают(не говоря уже о детище фирмы, основанной этим человеком, которая просит для установки не менее 3 гигабайт), становится очевидно, как он заблуждался.

рис.12. Планка регистровой пямяти объёмом 8 Gb.

Периодически появляются сообщения о разработке памяти, работающей по иным физическим принципам. Например, память, запоминающая с помощью фазовых переходов вещества(твёрдое-аморфное). Так же ведутся работы над памятью, использующей энергетические уровни атомов. Уже появилась такая память ПЗУ, но из-за её очень высоких характеристик(в основном, помехоустойчивость, в этом ей нет равных) и онополии компании на рынке, цена на неё очень высока.

рис.13. PRAM-Phase RAM-на основе фазовых переходов.