Paměti Cílem kapitoly je seznámit studenta s pamětmi. Jejich minulostí, současností, budoucností a hlavními parametry. Klíčové pojmy: paměť, RAM, rozdělení pamětí, ROM, vnitřní paměť, vnější paměť.
Úvod Operační paměť je jednou ze základních dílů, ze kterých se skládá každý počítač. Stačí se podívat na John von Neumannovu nebo Harvardskou architekturu. V paměti se mohou nacházet programy, uživatelská data, nebo obojí současně (záleží na architektuře). Paměti můžeme rozdělit z řady hledisek. Od přístupu k buňkám paměti, podle možnosti změny dat (možnosti zápisu), podle technologie realizace paměťové buňky nebo technologie výroby, podle organizace paměti a řady dalších kritérií. Operační paměť má obvykle rychlejší přístup, než vnější paměť (např. pevný disk). Za paměť tedy můžeme označit to nejmenší „registr“, až po například pevné disky.
Paměť Paměť je součástka, zařízení nebo materiál, který umožnuje uložit obsah informace (zápis do paměti), uchovat ji po požadovanou dobu a znovu ji získat pro další použití (čtení paměti). Informace je obvykle vyjádřena jako číselná hodnota. Základní jednotkou ukládané informace je jeden bit (binary digit), jedna dvojková číslice. Tato číslice může nabývat dvou hodnot, které nazýváme „logická nula“ a „logická jednička“. Logická hodnota bitu může být reprezentována různými fyzikálními veličinami: • přítomnost nebo velikost elektrického náboje • stav elektrického obvodu (otevřený tranzistor) • směr nebo přítomnost magnetického toku (pro kódování informace do mag. toku se častěji používají složitější modulace) • různá propustnost nebo odrazivost světla (CD-ROM, DVD-ROM, ale i děrný štítek) • případně různé kombinace (magneto-optický)
17.6.2012
Paměti
Stránka 1 z 8
Rozdělení pamětí: 1) Podle materiálu a fyzikálních principů • magnetické – založené na magnetických vlastnostech materiálu, informaci uchovává směr magnetizace. • optické – využívá optických vlastností materiálu, např. odraz světla. • polovodičové – využívá vlastností polovodičových tranzistorů, buď se realizují klopnými obvody (statická paměť, např. 4T, 6T T-tranzistor), nebo obnovováním elektrického náboje (dynamické, buňka je tvořena tranzistorem a kondenzátorem) • magnetooptické – pomocí tepla (teplo je vytvářeno laserem – zahřeje místo dopadu světla) se mění magnetické vlastnosti materiálu • feritové – jako nosič jednoho bitu je používáno feritové jádro o průměru cca 0,8 mm, magnetická orientace se překlápí proudovým impulsem (zastaralé) • paměť se zpožďovací linkou – využívá pomalejšího průchodu vlny speciálním prostředím 2) Režim činnosti polovodičových pamětí • dynamické – informace se musí periodicky obnovovat cyklem čtení, náročnější na řídící logiku • statické – informace zůstává uchována i bez obnovování, mají vyšší cenu za bit 3) Podle závislosti na napájení • napěťově závislé (volatilní) – pro uchování a přístup k informacím potřebuje paměť napájecí napětí, při odpojení napájení se informace ztrácí • napěťově nezávislé (nonvolatilní) – potřebuje napájení pro činnost (čtení, zápis), ale při odpojení napájení si informace uchová 4) Podle přístupu • RAM (Random Access Memory) – paměť s libovolným náhodným přístupem, doba přístupu k obsahu není závislá na umístění (adrese). Počítačové disky jsou považovány za paměti typu RAM, i když to není přesné (můžeme se dostat na libovolnou adresu, ale doba přístupu k této adrese je závislá na pozici hlavičky poslední operace). • sekvenční – doba přístupu k obsahu je závislá na umístění, například páska (adresy se projdou sekvenčně, než dojde k hledané adrese), LIFO (paměť s jedním ukazatelem), FIFO (paměť se dvěma ukazateli) • asociativní – vybíraná podle obsahu klíčové hodnoty
17.6.2012
Paměti
Stránka 2 z 8
5) Podle schopnosti zápisu • RWM (Read Write Memory) – Paměť pro zápis i čtení (Termín RAM obvykle označuje tento typ paměti - název RWM se neuchytil). • ROM (Read Only Memory) – Paměť pouze pro čtení. Informace je do paměti uložena jednorázově při výrobním procesu. • PROM (Programmable Read Only Memory) – Paměť se vyrobí bez informace a pomocí speciálního zařízení (programátor) si ji naprogramuje uživatel (jedenkrát). • EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory) – Paměť je možné vymazat speciálním způsobem (např. ultrafialovým zářením -> paměť je vymazána celá) a znovu přeprogramovat. • WMM (Write Mostly Memory), někdy uváděna jako WOM (Write Only Memory) – Při provozu je používána jen pro zápis, informace je čtena jednorázově na konci provozního cyklu. Mívá speciální využití (černá skříňka). • EEPROM (E2PROM) (Electric Erasable PROM) – Obdoba EPROM, mazání však probíhá pomocí elektrického „impulsu,“ maže se buňka po buňce. Počet zápisů je omezen – cca 100 000 přepisů. • Flash EPROM (Paměť EPROM s rychlým mazáním) – Obdoba EEPROM, mazání však probíhá po blocích buněk. Lze ji smazat pouze celou (1ms) nebo po částech – ne po jednotlivých buňkách. Má výrazně omezený počet zápisů - cca 1000. Počet zápisů se může výrazně lišit na použité technologii výroby. Činnost paměti se řídí instrukcemi. Poznámka: Všechny paměti xROM jsou statické a Non-Volatile – jednou zapsaná informace zůstává trvale uložena. Nonvolatilita je schopnost paměťové buňky udržet si informaci i bez napájení.
6) Podle určení • Vnitřní paměť (primární – z hlediska CPU) o Akumulátor registr v procesoru o velikosti délky slova CPU (8, 16, 32, 64 bitů) může být rychlejší než ostatní registry (kratší kód instrukcí) s akumulátorem pracuje většina instrukcí (aritmetické a logické operace) o Registry procesoru několik (až desítky) registrů součást procesoru ukládání operandů a výsledků aritmetických a logických operací nejrychlejší paměť připojená k procesoru (stejně rychlá, jako procesor) 17.6.2012
Paměti
Stránka 3 z 8
o Cache
•
pro urychlení komunikace s operační nebo vnější pamětí rychlá statická paměť u novějších procesorů velikost stovky kB az MB (L2 nebo L3) více úrovní, přičemž číslo určuje vzdálenost od procesoru L1 – typicky přímo na procesoru L2 – například na destičce s procesorem (tzv. boxované procesory) L3 – dříve na základní desce, dnes součásti CPU write through – data se zapisují ihned (čeká se na dokončení zápisu) write back – data se zapisují později (na dokončení zápisu se nečeká) o Operační paměť RAM pomalejší než výše uvedené paměti, ale rychlejší, než ostatní ne-vnitřní paměti výhodnější poměr cena/kapacita. velikost desítky, stovky MB až GB (v současné době i desítky GB) u Von Neumannova schéma počítače použita pro program i pro data typicky dynamická paměť Vnější paměť o Sekundární paměti pevný disk (dnes i kombinace HDD/SSD) je na nich systém souborů (struktura adresářů), případně zvláštní oddíl (SWAP) obsahuje obvykle statickou nebo dynamickou cache pro urychlení čtení/zápisu o Terciární paměti zařízení k zálohování dat CD a DVD, optické disky, magnetické pásky, … ještě výhodnější poměr cena/kapacita, není důležitá doba vybavení informace, ale cena, trvanlivost, …
7) Podle provedení • pásková paměť • disková paměť o disketa o pevný disk • CD-ROM, DVD-ROM, blue-ray • polovodičová paměť o SIMM, DIMM (DDR3), SO-DIMM (notebooky), RIMM, …
17.6.2012
Paměti
Stránka 4 z 8
8) Podle rychlosti a ceny za bit • Paměti s nejrychlejším přístupem jsou polovodičové paměti, které jsou součástí procesorů, nebo používané pro cache procesorů. Obvykle mají menší kapacitu než operační paměť. Maji nejvyšší cenu za bit. • Operační paměti jsou kompromisem mezi rychlostí, cenou, kapacitou a objemem. Dnes se používají výhradně polovodičové paměti. V minulosti se používaly i feromagnetické paměti a bubnové magnetické paměti. • Pro vnější paměti se používají pomalé, ale laciné paměti, u kterých je možné dosahovat velké kapacity. Rozdíly mezi paměťovými periferiemi jsou v závislosti na technologii a ceně za bit značné. Používají se media od pomalé diskety s malou kapacitou až po rychlé SCSI pevné disky a disková pole s obrovským paměťovým prostorem. Tato datová média jsou obvykle s magnetickým nebo optickým záznamem informace, v poslední době se začínají prosazovat i polovodičové paměti.[2]
Historie Paměť počítačů prošla dlouhým vývojem, zejména s ohledem na dostupné technologie, které jsou pro výrobu a konstrukci paměti nezbytné. Z historie RAM pamětí můžeme jmenovat například Williams-Kilburnovy trubice a feritové nebo bubnové paměti. Každá ze zmiňovaných pamětí měla svého času jisté výhody (většina tehdejších pamětí byla nevolatilní - informace byla uchována i po výpadku elektrického proudu), ale postupně došlo k jejich ústupu ve prospěch novějších technologií. K rychlému rozvoji paměti RAM došlo až s vynálezem DRAM paměti, tehdy tvořené pomocí technologie PMOS, která později dovolila výrazné snížení ceny a zároveň zvýšení kapacity a rychlosti paměti samotné.
Pohled do historie pamětí – feritová paměť z IBM 405
17.6.2012
Paměti
Stránka 5 z 8
Vynálezcem dynamické paměti RAM je Robert Dennard, ačkoliv paměť samotná by samozřejmě nemohla vzniknout bez objevů jako tranzistor nebo kondenzátor. Informace je v paměti DRAM uložena pomocí elektrického náboje v kondenzátoru a jedná se tedy o přechodnou paměť (volatilní pamět), která musí být v pravidelných intervalech obnovována (tak zvaný „refresh“), jinak by došlo ke ztrátě informace. Pamět na základě kondenzátoru a tranzistoru, jak ji známe dnes, byla objevena v roce 1967 a její objev započal novou etapu vývoje kalkulátorů a osobních počítačů. V počítačích se paměť DRAM používá zhruba od roku 1970, kdy byl na trh uveden DRAM čip Intel 1103. Jednalo se o 1 kbit čip (integrovaný obvod), vyrobený technologií PMOS.
Intel 1103 – 1Kbit DRAM
U moderních pamětí dochází k neustálému růstu kapacity, ale zvyšování rychlosti pamětí je problémovou záležitostí. Nové technologie jsou sice efektivnější a rychlejší než kdy předtím, ale rychlost pamětí roste stále podstatně pomaleji než výkon samotných procesorů. Výrobci a návrháři dnešních architektur procesorů musí tyto problémy řešit nejčastěji na úrovni jádra, například přidáním větší cache (a lepší predikcí), umístěním více modulů paměti do páru a přístup do paměti zprostředkovat po dvou kanálech (tak zvaný „Dual-channel“, který efektivně zdvojnásobí šířku pásma přístupu do paměti), nebo například integrací řadiče paměti do jádra procesoru. Rychlé paměti a paměťové čipy jsou nezbytné pro výkonné systémy, stále rychlejší procesory, grafické karty a řadu dalších zařízení.[1]
17.6.2012
Paměti
Stránka 6 z 8
Budoucnost pamětí Je jasné, že v budoucnosti bude kapacita všech pamětí vzrůstat. A to jak v důsledku například vyšší integrace nebo nové technologie. Ve vývoji jsou další nové technologie jako FeRAM (feromagnetický princip), MRAM (memristor), Milipede (pity vypálené na polymerní vrstvě), HMC (Hybrid Memory Cube – vrstvená paměť) Memristor – čtvrtá pasivní elektronická součástka Vedle známých součástek (rezistor, kapacitor, induktor) existuje od roku 2008 (Hewlett Packard) další pasivní součástka, memristor (neexistuje náhradní zapojení jednoduchými součástkami). Teorie součástky existuje od roku 1971 (Leon Chua). Při průtoku proudu dochází ke změně odporu (oběma směry). Po odpojení proudu si součástka zachovává odpor. Součástka je nonvolatilní. [3] Součástka vykazuje velký rozsah vodivosti (odporu), Mohm až miliohmy. Při použití diskrétní logiky lze zapsat vícenásobně více informací do jednoho prvku. Součástka si pamatuje hodnotu odporu po celé měsíce. Má neomezený počet zápisů. Oproti současným součástkám potřebuje pro zápis méně energie.
Dvouvodičové obvodové prvky
17.6.2012
Paměti
schématická značka memristoru
Stránka 7 z 8
V současné době se často volí jako pevný disk pro operační systémy SSD (Solid State Disc). Případně lze jako pevný disk volit pole RAM modulů se záložním zdrojem jako ochrana proti ztrátě dat. Dále se u pevných disků objevují kombinace HDD/SSD kdy malé SSD plní funkci vyrovnávací Cache. Dále se u pevných disků zvyšuje hustota zápisu na plotně. Další zlomové body v technologii jsou MR hlavy, které také umožnili zvýšit hustotu zápisu. Podobně GMR, HAMR (tepelně asistovaný magnetický zápis). Paměťová média budoucnosti: • stále větší kapacita • vyšší rychlost čtení/zápis • menší rozměry • levnější • univerzální použití (domácí spotřebiče, PC, automobil, …) • vyšší trvanlivost zapsaných dat (dnes nonvolatilní média desítky let) • méně chyb při čtení/zápisu (korekce chyb, MTBF) Shrnutí: Jak je vidět, tak problematika pamětí je rozsáhlá a existuje mnoho pohledů. Je to neustálý souboj mezi cenou, kapacitou a výkonem. A i tento výčet není konečný. Vývoj kapacity čipů, respektive pamětí, je závislý na dostupné výrobní technologii, která dovolí produkovat čipy jen s omezenou kapacitou. Problémy s výkonem (a zejména propustností) pamětí jsou dlouho známy - architektury osobních počítačů se s nimi potýkají více či méně již od svého vzniku, ale lepší řešení si zatím nemůžeme dovolit. Literatura: [1] www.svethardware.cz; http://www.svethardware.cz/art_doc53D8F3993772ECFBC1257205005DA285.html; 6.11.2010 [2] cs.wikipedia.org; http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektronick%C3%A1_pam%C4%9B%C5%A5; 6.11.2010 [3] www.aldebaran.cz; http://www.aldebaran.cz/bulletin/2009_02_mem.php; 20.6.2012
17.6.2012
Paměti
Stránka 8 z 8
