Состояние и ближайшие перспективы развития рынка системной памяти

Мы не будем  обсуждать технические причины, по которым эти три разрядности  могут различаться между собой, ибо причины эти сейчас представляют в основном исторический интерес. Отметим  только, что разрядность регистров  и разрядность шины данных влияют на длину обрабатываемых данных, а  вот разрядность шины адреса R определяет максимальный объем памяти, который  способен поддерживать процессор. Эту  характеристику часто называют величиной  адресного пространства, и она  может быть вычислена по простой  формуле 2R. Действительно, R двоичных разрядов позволяют получить именно такое  количество неповторяющихся чисел, т.е. в данном случае адресов памяти.

Перейдем теперь к описанию основных характеристик  памяти компьютера.

Хотя память компьютера состоит из отдельных  битов, непосредственно "общаться" с каждым из них невозможно: биты группируются в более крупные  блоки информации и именно они  получают адреса, по которым происходит обращение к памяти. По сложившейся  исторической традиции минимальная  порция информации, которую современный  компьютер способен записать в память составляет 8 бит или 1 байт. Отсюда становится очевидным, что общий объем памяти должен измеряться в байтах, или  в производных от него единицах. Размер памяти персональных компьютеров  стремительно возрастает. Первые модели имели 16-разрядное адресное пространство и, следовательно, объем памяти 216 = 64 Кбайта. Затем, когда памяти под разрабатываемые программные системы перестало хватать, инженеры введением некоторых весьма специфических способов формирования адреса увеличили ее размер на порядок – в MS DOS стандартная память была принята равной 640 Кбайт. Сейчас вы вряд ли сможете приобрести новый компьютер с ОЗУ менее 32-64 Мбайт, т.е. еще на два порядка больше (надеюсь, читатели не забыли, что 1 Мб = 1024 Кбайта).

Еще одной важной характеристикой памяти является время  доступа или быстродействие памяти. Этот параметр определяется временем выполнения операций записи или считывания данных; он зависит от принципа действия и технологии изготовления запоминающих элементов.

Оставляя в  стороне целый ряд других технологических  характеристик современных запоминающих устройств, нельзя, тем не менее, пройти мимо статического и динамического  устройства микросхем памяти. Статическая  ячейка памяти – это специальная  полупроводниковая схема (инженеры называют ее триггер), обладающая двумя  устойчивыми состояниями. Одно из них  принимается за логический ноль, а  другое – за единицу. Состояния эти  действительно настолько устойчивы, что при отсутствии внешних воздействий (и, конечно, подключенном напряжения питания!) могут сохраняться сколь угодно долго. Динамические ячейки памяти, напротив, не обладают этим свойством. Такие ячейки фактически представляют собой конденсатор, образованный элементами полупроводниковых  микросхем. С некоторым упрощением можно сказать, что логической единице соответствует заряженный конденсатор, а нулю – незаряженный. Существенным свойством динамической ячейки памяти является наличие постепенного самопроизвольного разряда конденсатора через внешние схемы, что ведет к потере информации. Чтобы этого не происходило, конденсаторы динамической памяти необходимо периодически подзаряжать (такой процесс принято называть регенерацией ОЗУ). Оба вида запоминающих микросхем успешно конкурируют между собой, поскольку ни одна из них не является идеальной. С одной стороны, статическая память значительно проще в эксплуатации, т.к. не требует регенерации, и приближается по быстродействию к процессорным микросхемам. С другой стороны, она имеет меньший информационный объем и большую стоимость (в самом деле, изготовление конденсатора значительно проще, чем триггерной схемы и требует на кремниевой пластине гораздо меньше места), сильнее нагревается при работе. На практике в данный момент выбор микросхем для построения ОЗУ всегда решается в пользу динамической памяти. И все же быстродействующая статическая память в современном компьютере тоже обязательно есть: она называется кэш-памятью.

Этот вид памяти заслуживает отдельного рассмотрения. Он появился относительно недавно, но, начиная с 486 процессора, без кэш-памяти не обходится ни одна модель. Название кэш происходит от английского слова "cache", которое обозначает тайник или замаскированный склад (в частности, этим словом называют провиант, оставленный экспедицией для обратного пути или запас продуктов, например, зерна или меда, который животные создают на зиму). "Секретность" кэш заключается в том, что он невидим для пользователя и данные, хранящиеся там, недоступны для прикладного программного обеспечения. Процессор использует кэш исключительно самостоятельно, помещая туда извлеченные им из ОЗУ данные и команды программы и запоминая при этом в специальном каталоге адреса, откуда информация была извлечена. Если эти данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ – их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее. Поскольку объем кэш существенно меньше объема оперативной памяти, его контроллер (управляющая схема) тщательно следит за тем, какие данные следует сохранять в кэш, а какие заменять: удаляется та информация, которая используется реже или совсем не используется. Следует заметить, что кэш-память является очень эффективным средством повышения производительности компьютера, в чем легко убедиться на практике, если в вашем компьютере предусмотрена возможность отключения кэш.

В современных  компьютерах кэш обычно строится по двухуровневой схеме. При этом первичный кэш встроен непосредственно  внутрь процессора, а вторичный обычно устанавливается на системной плате. Как и для ОЗУ, увеличение объема кэш повышает эффективность работы компьютерной системы.

Список  литературы

Информатика в  понятиях и терминах: Кн. для учащихся ст. классов сред. шк./ Г.А. Бордовский, В.А. Извозчиков, Ю.В. Исаев, В.В. Морозов; Под ред. В.А. Извозчикова. - М.: Просвещение, 1991. - 208 с.

Радченко Н.П., Козлов О.А. Школьная информатика: экзаменационные  вопросы и ответы. - М.: Финансы  и статистика, 1998. - 160 с.

Семакин И., Залогова Л., Русаков С., Шестакова Л. Информатика. Учебник по базовому курсу (7-9 классы). М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1998. - 464 с.

Кушниренко А.Г. и др. Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. для сред. учеб. заведений/ А.Г.Кушниренко, Г.В.Лебедев, Р.А.Сворень. - М.: Просвещение, 1990. - 224 с.

Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. СПб.: Издательство "Питер", 2000. - 816 c.

Сделано в IBM Labs: Научное открытие приближает создание "трековой" памяти к реальности

28.12.2010

Компания IBM

Новый класс запоминающих устройств сочетает в себе лучшие стороны  флэш-памяти и магнитных  жестких дисков.

Ученые из IBM Research, исследовательского подразделения корпорации IBM сообщили о неизвестном ранее физическом аспекте нового технологического метода записи информации, известного как "Racetrack Memory" ("трековая" память) и способного улучшить возможности памяти в мобильных телефонах, ноутбуках и серверах бизнес-класса. Этот новый тип памяти позволяет многократно - не менее чем в 100 раз - увеличить объем сохраняемой в запоминающем устройстве информации и использовать при этом гораздо меньше электроэнергии по сравнению с существующими накопителями.

 

Проект Racetrack Memory - который был запущен в IBM Research всего шесть лет назад - коренным образом пересматривает доминирующую сегодня парадигму компьютерной памяти. Вместо того чтобы заставлять компьютеры разыскивать данные, которые им нужны - как это происходит в традиционных вычислительных системах - память Racetrack Memory от IBM автоматически направляет данные туда, где они могут быть использованы, перемещая магнитные биты "взад и вперед" вдоль треков ("racetracks"). Эта технология позволит производителям электронных изделий разработать портативное устройство, способное "с запасом" хранить в виде цифровых данных все фильмы, выпущенные в мире за целый год. 

 

Цифровые данные обычно сохраняются на магнитных  жестких дисках, которые отличаются невысокой стоимостью и низким быстродействием  из-за своих механических движущихся частей, либо в твердотельных накопителях, таких как флэш-память, которые  работают быстрее, но и стоят дороже. Ученые и инженеры стремятся сочетать в "трековой" памяти только лучшие стороны этих двух традиционных типов  запоминающих устройств путем сохранения данных в виде магнитных областей - т.н. доменов - в треках (своеобразных беговых дорожках) шириной в несколько  десятков нанометров. 

 

Открытый учеными IBM неизвестный ранее физический аспект "трековой памяти", подробности  о котором опубликованы в научном  журнале Science, позволяет с высокой точностью контролировать размещение этих доменов на треках. Команда IBM доказала, что магнитные домены могут выступать в роли наноразмерных "хранителей" данных, способных сохранять, по меньшей мере, в 100 раз больше информации по сравнению с сегодняшними технологиями. Более того, доступ к хранимым в виде магнитных доменов данным может осуществляться гораздо быстрее. Контролируя параметры электрических импульсов в запоминающем устройстве, ученые могут перемещать эти доменные стенки по трекам со скоростями в сотни миль в час и, затем, останавливать их и размещать точно на требуемых позициях, что позволяет обеспечить доступ к большим массивам хранимой информации менее чем за одну миллиардную долю секунды.

 

О научных деятелях открытия можно прочитать в соответствующей  научной статье. Если вкратце, то группе ученых из IBM впервые удалось измерить время и расстояние ускорения  и замедления доменной стенки при  ее перемещении под воздействием импульсов электрического тока - иными  словами, определить характеристики физического  эффекта, лежащего в основе перемещения  и обработки цифровой информации в "трековой" памяти. Это революционное  достижение не только дает ученым беспрецедентный  контроль над перемещениями магнитных  структур внутри запоминающего устройства на основе "трековой" памяти, но также  позволяет усовершенствовать память Racetrack Memory, приближая ее появление в виде рыночного продукта. 

 

"Мы обнаружили, что доменные стенки не достигали  максимального ускорения сразу  после включения электрического  тока, и что им требуется в  точности столько же времени  и скорости для достижения  пикового ускорения, сколько и  для замедления до полной остановки, - сообщил доктор Стюарт Паркин (Stuart Parkin) из исследовательского центра IBM Research-Almaden, обладатель почетного звания IBM Fellow. - Раньше об этом не было известно, отчасти потому, что было неясно, обладают ли доменные стенки массой, и эффекты ускорения и замедления полностью компенсируют друг друга. Теперь мы знаем, что доменные стенки можно с высокой точностью позиционировать вдоль треков, варьируя длительностью импульсов тока - даже при том, что доменные стенки обладают массой".

 

Для достижения максимально высокой плотности  записи и быстродействия памяти, доменные стенки внутри запоминающего устройства нужно перемещать по трекам со скоростями в сотни миль в час и размещать  на требуемых позициях с точностью  атомарного уровня. Эти временные  циклы (десятки наносекунд) и расстояния (микроны) - на удивление протяженны, тем более что предыдущие эксперименты показали отсутствие каких-либо доказательств  ускорения или замедления доменных стенок, перемещавшихся по "гладким" трекам под действием электрического тока.

 

Немного подробнее о "трековой" памяти

 

На протяжении почти пятидесяти лет ученые изучали  возможность хранения информации в  магнитных доменных стенках, которые "разграничивают" магнитные области (или домены) в магнитных материалах. До настоящего времени манипулирование  доменными стенками было дорогостоящим  и сложным делом, и требовало  значительных затрат электроэнергии для  формирования магнитных полей. Исследователи IBM первыми продемонстрировали потенциал  памяти Racetrack Memory, показав, как использование спинового момента позволяет значительно упростить запоминающее устройство. Детали этого научного прорыва описаны в статье журнала Science за 2008 год.

 

Подробности анонсированного  сегодня научного открытия и результаты исследований будут опубликованы в  номере журнала Science от 24 декабря 2010 года; статья "Dynamics of magnetic domain walls under their own inertia" ("Динамика магнитных доменных стенок под действие их собственной инерции"); авторы Люк Томас (Luc Thomas), Рай Мориа (Rai Moriya), Чарльз Реттнер (Charles Rettner) и Стюарт Паркин (Stuart Parkin) из исследовательского центра IBM Research - Almaden.