En la antigüedad, fue hace casi 80 años, en los albores de la tecnología informática, la memoria de los dispositivos informáticos generalmente se dividía en tres tipos. Primaria, secundaria y externa. Ahora nadie usa esta terminología, aunque la clasificación en sí existe hasta el día de hoy. Solo la memoria primaria ahora se denomina operativa, secundaria: discos duros internos, y la externa se disfraza de todo tipo de discos ópticos y unidades flash.
Antes de comenzar un viaje al pasado, comprendamos la clasificación anterior y comprendamos para qué sirve cada tipo de memoria. Una computadora representa información en forma de una secuencia de bits: dígitos binarios con valores de 1 o 0. La unidad universal de información generalmente aceptada es un byte, que generalmente consta de 8 bits. Todos los datos utilizados por la computadora ocupan una cierta cantidad de bytes. Por ejemplo, un archivo de música típico tiene 40 millones de bits, 5 millones de bytes (o 4,8 megabytes). El procesador central no puede funcionar sin un dispositivo de memoria elemental, porque todo su trabajo se reduce a recibir, procesar y volver a escribir en la memoria. Es por eso que al legendario John von Neumann (hemos mencionado su nombre más de una vez en una serie de artículos sobre mainframes) se le ocurrió una estructura independiente dentro de la computadora,donde se almacenarían todos los datos necesarios.
La clasificación de la memoria interna también divide los medios según el principio de velocidad (y energía). La memoria primaria rápida (acceso aleatorio) se utiliza hoy en día para almacenar información crítica a la que la CPU accede con mayor frecuencia. Este es el núcleo del sistema operativo, archivos ejecutables de programas en ejecución, resultados intermedios de cálculos. El tiempo de acceso es mínimo, solo unos pocos nanosegundos.
La memoria primaria se comunica con un controlador ubicado dentro del procesador (en los últimos modelos de CPU) o como un chip separado en la placa base (puente norte). El precio de la RAM es relativamente alto, además, es volátil: apagaron la computadora o sacaron accidentalmente el cable de alimentación del enchufe, y se perdió toda la información. Por lo tanto, todos los archivos se almacenan en la memoria secundaria, en discos duros. La información aquí no se borra después de un corte de energía y el precio por megabyte es muy bajo. El único inconveniente de los discos duros es la baja velocidad de reacción, ya se mide en milisegundos.
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Por cierto, un dato interesante. En los albores del desarrollo de las computadoras, la memoria primaria no se separó de la memoria secundaria. La unidad de procesamiento principal era muy lenta y la memoria no producía un efecto de cuello de botella. Los datos en línea y persistentes se almacenaron en los mismos componentes. Más tarde, cuando aumentó la velocidad de las computadoras, aparecieron nuevos tipos de medios de almacenamiento.
De vuelta al pasado
Uno de los componentes principales de las primeras computadoras fueron los interruptores electromagnéticos, desarrollados por el famoso científico estadounidense Joseph Henry allá por 1835, cuando nadie ni siquiera soñaba con computadoras. El mecanismo simple consistía en un núcleo de metal envuelto en alambre, accesorios de hierro móviles y algunos contactos. El desarrollo de Henry formó la base para el telégrafo eléctrico de Samuel Morse y Charles Whitstone.
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La primera computadora basada en interruptores apareció en Alemania en 1939. El ingeniero Konrad Süs los utilizó para crear la lógica del sistema del dispositivo Z2. Desafortunadamente, el automóvil no vivió mucho y sus planos y fotografías se perdieron durante el bombardeo de la Segunda Guerra Mundial. El siguiente dispositivo informático Sius (con el nombre de Z3) fue lanzado en 1941. Esta fue la primera computadora controlada por el programa. Las principales funciones de la máquina se realizaron con 2000 interruptores. Konrad iba a transferir el sistema a componentes más modernos, pero el gobierno cerró la financiación, creyendo que las ideas de Sius no tenían futuro. Como su predecesor, el Z3 fue destruido durante los bombardeos aliados.
Los interruptores electromagnéticos funcionaron muy lentamente, pero el desarrollo de la tecnología no se detuvo. El segundo tipo de memoria para los primeros sistemas informáticos eran las líneas de retardo. La información era transportada por impulsos eléctricos, que se convertían en ondas mecánicas y se movían a baja velocidad a través de mercurio, un cristal piezoeléctrico o una bobina magnetorresistiva. Hay una onda - 1, no hay onda - 0. Cientos y miles de impulsos podrían viajar a través del material conductor por unidad de tiempo. Al final de su camino, cada onda se transformó nuevamente en un impulso eléctrico y se envió al principio; aquí está la operación de actualización más simple.
La línea de retardo fue desarrollada por el ingeniero estadounidense John Presper Eckert. La computadora EDVAC, introducida en 1946, contenía dos bloques de memoria con 64 líneas de retardo basadas en mercurio (5,5 KB según los estándares modernos). En ese momento, esto era más que suficiente para trabajar. La memoria secundaria también estaba presente en EDVAC: los resultados de los cálculos se registraron en cinta magnética. Otro sistema, UNIVAC 1, que se lanzó en 1951, utilizaba 100 bloques basados en líneas de retardo y tenía un diseño complejo con muchos elementos físicos para almacenar datos.
La memoria de la línea de retardo se parece más al motor hiperespacial de una nave espacial. Es difícil de imaginar, ¡pero un coloso así solo podría almacenar unos pocos bits de datos!
Los hijos de Bobek
Dos inventos bastante importantes en el campo de los soportes de datos quedaron detrás de escena de nuestra investigación. Ambos fueron realizados por el talentoso empleado de Bell Labs, Andrew Bobek. El primer desarrollo, la llamada memoria de twistor, podría ser una excelente alternativa a la memoria de núcleo magnético. Repitió en gran medida lo último, pero en lugar de anillos de ferrita para el almacenamiento de datos, utilizó cinta magnética. La tecnología tenía dos ventajas importantes. En primer lugar, la memoria del twistor podría escribir y leer simultáneamente información de varios twistores. Además, fue fácil configurar la producción automática. Bell Labs esperaba que esto redujera significativamente el precio de la memoria twistor y ocupara un mercado prometedor.
El desarrollo fue financiado por la Fuerza Aérea de los EE. UU. Y la memoria se convertiría en una importante célula funcional de los misiles Nike Sentinel. Desafortunadamente, el trabajo en los twistores tomó mucho tiempo y la memoria basada en transistores pasó a primer plano. La captura de mercado no tuvo lugar.
"Mala suerte la primera vez, tanta suerte la segunda", pensó Bell Labs. A principios de los 70, Andrew Bobek introdujo la memoria de burbujas no volátil. Se basaba en una fina película magnética que contenía pequeñas regiones magnetizadas (burbujas) que almacenaban valores binarios. Después de un tiempo, apareció la primera celda compacta con una capacidad de 4096 bits: un dispositivo de un centímetro cuadrado tenía la capacidad de una tira completa con núcleos magnéticos.
Muchas empresas se interesaron por el invento y, a mediados de los años 70, todos los principales actores del mercado adoptaron el desarrollo en el campo de la memoria de burbujas. La estructura no volátil hizo de las burbujas un reemplazo ideal tanto para la memoria primaria como secundaria. Pero incluso aquí los planes de Bell Labs no se hicieron realidad: los discos duros baratos y la memoria de transistores bloquearon el oxígeno de la tecnología de burbujas.
El vacío es nuestro todo
A finales de los 40, la lógica del sistema de las computadoras se trasladó a los tubos de vacío (también son tubos electrónicos o ejes termoiónicos). Junto a ellos, la televisión, los dispositivos de reproducción de sonido, las computadoras analógicas y digitales recibieron un nuevo impulso en el desarrollo.
Los tubos de vacío han sobrevivido en tecnología hasta el día de hoy. Son especialmente amados entre los audiófilos. Se cree que el circuito amplificador basado en tubos de vacío está por encima de los análogos modernos en calidad de sonido.
Bajo la misteriosa frase "tubo de vacío" hay un elemento de estructura bastante simple. Se parece a una lámpara incandescente corriente. El filamento está encerrado en un espacio sin aire y, cuando se calienta, emite electrones, que caen sobre una placa de metal con carga positiva. Se genera una corriente de electrones dentro de la lámpara bajo voltaje. El tubo de vacío puede pasar o bloquear (fases 1 y 0) la corriente que lo atraviesa, actuando como un componente electrónico de las computadoras. Durante el funcionamiento, los tubos de vacío se calientan mucho, deben enfriarse intensamente. Pero son mucho más rápidos que los interruptores antediluvianos.
La memoria primaria basada en esta tecnología apareció en 1946-1947, cuando los inventores Freddie Williams y Tom Kilburn introdujeron la tubería Williams-Kilburn. El método de almacenamiento de datos fue muy ingenioso. Bajo ciertas condiciones, apareció un punto de luz en el tubo, que cargó levemente la superficie ocupada. El área alrededor del punto adquirió una carga negativa (se la llamó "pozo de energía"). Se podría colocar un nuevo punto en el "pozo" o dejarlo desatendido, entonces el punto original desaparecería rápidamente. Estas transformaciones fueron interpretadas por el controlador de memoria como fases binarias 1 y 0. La tecnología fue muy popular. La memoria de tubo Williams-Kilburn se instaló en las computadoras Ferranti Mark 1, IAS, UNIVAC 1103, IBM 701, IBM 702 y Standards Western Automatic Computer (SWAC).
Paralelamente, ingenieros de la Radio Corporation of America bajo la dirección del científico Vladimir Zvorykin estaban desarrollando su propio tubo, llamado selectron. Según la idea de los autores, se suponía que el selektron contenía hasta 4096 bits de información, que es cuatro veces más que el tubo Williams-Kilburn. Se estimó que a finales de 1946 se producirían unos 200 selectrones, pero la producción resultó ser muy cara.
Hasta la primavera de 1948, Radio Corporation of America no lanzó ni un solo selectron, pero el trabajo en el concepto continuó. Los ingenieros rediseñaron el tubo y ahora está disponible una versión más pequeña de 256 bits. Los miniselectrones eran más rápidos y fiables que los tubos Williams-Kilburn, pero costaban 500 dólares cada uno. ¡Y esto está en producción en masa! Sin embargo, los selectrones lograron ingresar a la máquina de computación: en 1953, la compañía RAND lanzó una computadora con el nombre divertido de JOHNNIAC (en honor a John von Neumann). Se instalaron selectrones reducidos de 256 bits en el sistema y la memoria total fue de 32 bytes.
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Junto con los tubos de vacío, algunas computadoras de la época usaban memoria de tambor, inventada por Gustav Tauscek en 1939. El diseño simple involucró un gran cilindro de metal recubierto con una aleación ferromagnética. Los cabezales de lectura, a diferencia de los discos duros modernos, no se movían sobre la superficie del cilindro. El controlador de memoria esperó a que la información pasara por debajo de las cabezas por sí sola. La memoria de batería se utilizó en la computadora Atanasov-Berry y en algunos otros sistemas. Desafortunadamente, su rendimiento fue muy bajo.
El Selektron no estaba destinado a conquistar el mercado de las computadoras - Los componentes electrónicos de aspecto impecable han permanecido acumulando polvo en el cubo de basura de la historia. Y esto a pesar de las destacadas características técnicas.
Tendencias modernas
Por el momento, el mercado de memoria primaria está regido por el estándar DDR. Más precisamente, su segunda generación. La transición a DDR3 se llevará a cabo muy pronto; queda esperar la aparición de chipsets económicos que admitan el nuevo estándar. La estandarización generalizada hizo que el segmento de la memoria fuera demasiado aburrido para describirlo. Los fabricantes han dejado de inventar productos nuevos y únicos. Todo el trabajo se reduce a aumentar la frecuencia de funcionamiento e instalar un sofisticado sistema de refrigeración.
El estancamiento tecnológico y los tímidos pasos evolutivos continuarán hasta que los fabricantes alcancen el límite de las capacidades del silicio (es a partir de donde se hacen los circuitos integrados). Después de todo, la frecuencia del trabajo no se puede aumentar indefinidamente.
Sin embargo, hay una trampa aquí. El rendimiento de los chips DDR2 existentes es suficiente para la mayoría de las aplicaciones informáticas (los programas científicos complejos no cuentan). La instalación de módulos DDR3 que operan a 1066 MHz y más no conduce a un aumento tangible de la velocidad.
Star Trek al futuro
El principal inconveniente de la memoria, y de todos los demás componentes basados en tubos de vacío, era la generación de calor. Las tuberías debían enfriarse con radiadores, aire e incluso agua. Además, el calentamiento constante redujo significativamente el tiempo de funcionamiento: los tubos se degradaron de la manera más natural. Al final de su vida útil, debían ajustarse constantemente y, finalmente, cambiarse. ¿Puede imaginarse cuánto esfuerzo y dinero cuesta reparar los sistemas informáticos?
Textura extraña en la foto - es una memoria de núcleo magnético. A continuación, se muestra una estructura visual de una de las matrices con cables y anillos de ferrita. ¿Se imagina cuánto tiempo tuvo que dedicar a encontrar un módulo que no funciona entre ellos?
Luego llegó el momento de las matrices con anillos de ferrita poco espaciados, una invención de los físicos estadounidenses An Wang y Wei-Dong Wu, modificada por estudiantes bajo la dirección de Jay Forrester del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Los cables de conexión pasaban por los centros de los anillos en un ángulo de 45 grados (cuatro por cada anillo en los primeros sistemas, dos en los sistemas más avanzados). Bajo voltaje, los cables magnetizaron anillos de ferrita, cada uno de los cuales podría almacenar un bit de datos (magnetizado - 1, desmagnetizado - 0).
Jay Forrester desarrolló un sistema en el que las señales de control para múltiples núcleos se enviaban a través de unos pocos cables. En 1951, se lanzó una memoria basada en núcleos magnéticos (un análogo directo de la memoria moderna de acceso aleatorio). Más tarde, ocupó el lugar que le correspondía en muchas computadoras, incluidas las primeras generaciones de mainframes de DEC e IBM. En comparación con sus predecesores, el nuevo tipo de memoria prácticamente no tenía inconvenientes. Su fiabilidad era suficiente para funcionar en naves militares e incluso espaciales. Tras el accidente del transbordador Challenger, que provocó la muerte de siete de sus tripulantes, los datos de la computadora de a bordo, grabados en la memoria con núcleos magnéticos, permanecieron intactos e intactos.
La tecnología se mejoró gradualmente. Las perlas de ferrita disminuyeron de tamaño, la velocidad de trabajo aumentó. Las primeras muestras funcionaron a una frecuencia de aproximadamente 1 MHz, el tiempo de acceso fue de 60.000 ns; a mediados de los 70 se había reducido a 600 ns.
Cariño, he reducido nuestra memoria
El siguiente paso adelante en el desarrollo de la memoria informática se produjo cuando se inventaron los circuitos integrados y los transistores. La industria ha tomado el camino de la miniaturización de componentes mientras aumenta su rendimiento. A principios de la década de 1970, la industria de los semiconductores dominaba la producción de microcircuitos altamente integrados: decenas de miles de transistores ahora caben en un área relativamente pequeña. Aparecen chips de memoria con una capacidad de 1 Kbit (1024 bits), pequeños chips para calculadoras e incluso los primeros microprocesadores. Ha ocurrido una verdadera revolución.
Los fabricantes de memorias en estos días están más preocupados por la apariencia de sus productos - todos los mismos estándares y características están predeterminados en comisiones como JEDEC.
El Dr. Robert Dennard de IBM ha hecho una contribución especial al desarrollo de la memoria primaria. Desarrolló el primer chip basado en un transistor y un pequeño condensador. En 1970, el mercado fue impulsado por Intel (que había aparecido solo dos años antes) con la introducción del chip de memoria i1103 de 1Kb. Dos años más tarde, este producto se convirtió en el chip de memoria semiconductor más vendido del mundo.
En los días del primer Apple Macintosh, el bloque de RAM ocupaba una barra enorme (en la foto de arriba), mientras que el volumen no superaba los 64 KB.
Los microcircuitos altamente integrados reemplazaron rápidamente los tipos de memoria más antiguos. Con la transición al siguiente nivel de desarrollo, los mainframes voluminosos han dado paso a las computadoras de escritorio. La memoria principal en ese momento finalmente se separó de la secundaria, tomó la forma de microchips separados con una capacidad de 64, 128, 256, 512 Kbit e incluso 1 Mbit.
Finalmente, los chips de memoria primaria se movieron de las placas base a tiras separadas, lo que facilitó enormemente la instalación y el reemplazo de componentes defectuosos. Las frecuencias comenzaron a subir, los tiempos de acceso disminuyeron. Los primeros chips SDRAM dinámicos síncronos aparecieron en 1993, presentados por Samsung. Los nuevos microcircuitos funcionaron a 100 MHz, el tiempo de acceso fue de 10 ns.
A partir de ese momento comenzó la marcha victoriosa de la SDRAM, y para el año 2000 este tipo de memoria había desbancado a todos los competidores. La comisión JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) se hizo cargo de la definición de estándares en el mercado de RAM. Sus participantes han formado especificaciones que son uniformes para todos los fabricantes, frecuencia aprobada y características eléctricas.
La evolución ulterior no es tan interesante. El único evento significativo tuvo lugar en 2000, cuando apareció en el mercado la memoria RAM estándar DDR SDRAM. Proporcionó el doble de ancho de banda que la SDRAM convencional y sentó las bases para el crecimiento futuro. DDR fue seguido en 2004 por el estándar DDR2, que sigue siendo el más popular.
Troll de patentes
En el mundo moderno de la tecnología de la información, la frase Patent Troll se refiere a las empresas que ganan dinero con las demandas. Motivan esto por el hecho de que otras empresas han violado sus derechos de autor. El desarrollador de memoria Rambus entra completamente en esta definición.
Desde su fundación en 1990, Rambus ha estado otorgando licencias de su tecnología a terceros. Por ejemplo, sus controladores y chips de memoria se pueden encontrar en Nintendo 64 y PlayStation 2. El mejor momento de Rambus llegó en 1996, cuando Intel firmó un acuerdo con Intel para usar ranuras RDRAM y RIMM en sus productos.
Al principio todo salió según lo planeado. Intel puso a su disposición tecnología avanzada, y Rambus estaba contento con una asociación con uno de los actores más importantes de la industria de TI. Desafortunadamente, el alto precio de los módulos RDRAM y los chipsets Intel acabó con la popularidad de la plataforma. Los principales fabricantes de placas base utilizaron placas y chipsets VIA con conectores para SDRAM normal.
Rambus se dio cuenta de que en esta etapa había perdido el mercado de la memoria y comenzó su largo juego con las patentes. Lo primero que encontró fue un nuevo desarrollo de JEDEC: memoria DDR SDRAM. Rambus la atacó, acusando a los creadores de infringir los derechos de autor. Durante algún tiempo, la compañía recibió regalías en efectivo, pero el siguiente caso judicial que involucró a Infineon, Micron y Hynix puso todo en su lugar. El tribunal reconoció que los desarrollos tecnológicos en el campo de DDR SDRAM y SDRAM no pertenecen a Rambus.
Desde entonces, el número total de reclamaciones de Rambus contra los principales fabricantes de RAM ha superado todos los límites imaginables. Y parece que esta forma de vida se adapta bastante bien a la empresa.
