КОМПЬЮТЕРНАЯ ПАМЯТЬ

 

 

 

2010 г. поток информации достиг 988 Эбайт. (1 экзабайт=1018 байт= 1 млн. Тбайт=1 млрд. Гбайт)

2006 г. создано и передано 161 Эбайт информации . Это в 3 млн. раз больше объема информации, содержащейся в книгах, написанных за весь период существования человечества.

В 2000 году 1 гигабайт памяти стоил более $1000, в 2016 году – $5

 

 

 

Computer storage

 

Компьютерная память (computer storage) - устройство для хранения данных.

Компьютерная память дискретна (представляет собой упорядоченную последовательность двоичных разрядов (бит), которые сгруппированы в байты и ячейки) и адресуема (любая информация заносится в память и извлекается из нее по адресам).

Компьютерная память должна быть:

  • надежной (устойчивой к сбоям, времени, случайным изменениям и т.д.);

  • быстрой (способной к быстрому поиску, записи и чтению данных);

  • большой (хранить данные больших информационных объемов);

  • недорогой (экономически оправданной).

Одновременное выполнение этих условий сейчас невозможно.

Компьютер имеет сложную организацию памяти сочетая варианты "небольшой, очень быстрой, недорогой" и "большой, медленной и дешевой".

Память компьютеров делят на внутреннюю (постоянную  и оперативную) и внешнюю.

 

 

 

 

 

 

Read Only Memory

 

Постоянная память (ROM (Read Only Memory) - быстрая энергонезависимая память, содержимое которой однократно записывается в микросхемы (обычно в фабричных условиях) и может только читаться.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) - аппаратно встроенное в компьютер программное обеспечение,  доступное без обращения к диску и необходимое для управления компонентами компьютера (клавиатурой, видеокартой, дисками, портами). BIOS размещается в расположенной на материнской плате компьютера микросхеме ROM. Cовременные компьютеры комплектуются FLASH BIOS, код в которых может перезаписываться при помощи специальной программы для поддержки новых версий компонентов.

 

 

 

 

 

 

Random Access Memory

 

Оперативная память (RAM, Random Access Memory)  - быстрая, энергозависимая память для временного хранения исполняемых программ и обрабатываемых данных. RAM представляет собой печатную плату с микросхемами.

Содержимое RAM можно изменять любое число раз и обращаться к данным в любой последовательности.

 

SDRAM (Synchronous Dynamic Random-Access Memory) синхронная динамическая RAM все операции записи/чтения которой синхронизированы с основным тактовым сигналом. Поставляются в виде 168- или 144-контактных модулей с двухрядным расположением микросхем и одним краевым разъёмом для вставления в гнездо системной панели компьютера.

 DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) тип микросхем, в котором передача данных производится по обоим фронтам тактового сигнала, что позволяет удвоить скорость обмена данными.

DDR4 SDRAM (double-data-rate four synchronous dynamic random access memory) — тип оперативной памяти с повышенными характеристиками и пониженным напряжением. Пропускная способность - 34,1ГБ/c. В массовом производстве с 2014 года.

LPDDR (Low Power DDR, mDDR) - тип оперативной памяти для смартфонов и планшетов.

01.01.2014 Samsung Electronics разработала 8-гигабитный модуль LPDDR4 на базе тех. процесса 20-нм. Скорость передачи данных 3200 Мбит/сек на контакт (в 2 раза быстрее показателей LPDDR3). Производительность на 50% превосходит любые LPDDR3 или DDR3. Энергопотребление ниже на 40%.

 

 

 

 

Ошибки RAM

 

12.10.2009 Специалисты Google (www.google.com/) и Университета Торонто (www.toronto.edu/), с января 2006 по июнь 2008 год провели исследование, на десятках тысяч серверов Google с модулями памяти типа DDR SDRAM, DDR2 SDRAM и FB-DIMM емкостью 1, 2 и 4 Гб.

За год на 32% из всего парка машин была зарегистрирована минимум одна исправимая ошибка (при общем числе последних более 22 000). В 8,2% микросхем памяти DIMM случаются исправимые ошибки. Неустранимые ошибки, после выявления которых микросхему меняют, встречаются в 0,22% всех модулей. На один модуль памяти приходится в среднем 3,7 тыс. ошибок в год.

Повышение температуры компьютерной системы не приводит к росту количества ошибок. Частота ошибок увеличивается уже после 10–18 месяцев использования микросхемы.

Ошибка оперативной памяти приводит, например, к тому, что ячейка, в которую однажды была записана единица, в следующий раз будет читаться как ноль. Причиной ошибок служат электрические или магнитные помехи либо неисправность на физическом уровне.

Исправимые, или временные, ошибки памяти, которые впоследствии самоустраняются, случайным образом затрагивают отдельные ячейки, физически их не повреждая. Источником их появления служат ионизирующее излучение или испускание альфа-частиц, естественные для органических материалов (таких как эпоксидный корпус самих микросхем).

Неустранимые, или постоянные, ошибки памяти разрушают ячейки на физическом уровне, что приводит к систематическим проблемам. Основная причина их возникновения — загрязненное производство на заводах по выпуску микросхем. При тестировании подобный сорт брака не обнаруживается, проявляясь лишь при довольно долгом нагревании модуля памяти в процессе эксплуатации компьютера.

Отчет исследования: http://www.cs.toronto.edu/~bianca/papers/sigmetrics09.pdf

 

 

 

 

Cache memory

 

Кэш-память (cache memory) - сверхоперативная быстродействующая буферная память.

Сочетание малого объема очень быстрой (но очень дорогой) кэш-памяти, с большим объемом медленной (и дешевой) памяти создает приемлемое по цене и скорости решение.

  Кэширование (caching) - работа с использованием кэш-памяти.

Важнейшую роль сегодня играет кэш-память между центральным процессором и RAM, тактовая частота которой много меньше тактовой частоты ЦП.  Кеш-память разделена на уровни:

  • L1-cache (кэш-память первого уровня), самая быстрая, является  частью процессора и работает на его частоте. Объём L1-cache — 64 Кб.

  • L2-cache расположена вне ядра процессора, медленнее L1-cache, объем до 8 Мб.

  • L3-cache наименее быстродействующий, расположен вне процессора, имеет большой объем, медленнее L2-cache и  значительно быстрее RAM.

Кэш-память имеет особую логическую сегментацию определяющую ее уровень ассоциативности и позволяющую предсказывать запросы на чтение данных!

Большой эффект дает кэширование внешних накопителей, результатов работы, Web-страниц.

Упреждающее чтение: после запроса на чтение данных, расположенных в медленной (кэшируемой) памяти, заранее выполняется чтение следующих блоков данных в кэш-память, откуда они почти мгновенно выдаются при следующем запросе.

 

 

 

 

Видеопамять

 

Видеопамять — часть оперативной памяти, храненящая данные (цифровой код) для формирования изображения на экране дисплея.

Видеопамять используется в видекартах (графических картах).

Стандартом является  GDDR3 (Graphics Double Data Rate 3) — специальная технология для графических карт с более высокой эффективной частотой чем DDR2.

В 2008 года начат выпуск самой быстрой в мире видеопамяти GDDR5, с пропускной способностью которой 6 гигабит в секунду.

 

 

 

Внешняя память (external memory)  - устройство медленной (в сравнении с RAM) энергонезависимой памяти компьютера.

 

 

Hard Disk Drive

 

Жёсткий диск (Hard Disk Drive = HDD = винчестер) -  устройство прямого доступа для хранения больших объёмов программ и данных. Состоит из магнитных дисков, головок чтения/записи и контроллера диска.

Параметры HDD: Ёмкость, время поиска и доступа к данным, скорость  чтения и записи данных, энергопотребление, шум.
 

В 1956 году выпущен первый  HDD IBM 350 Disk File. Он состоял из 50 дисков диаметром 60 см, вращавшихся со скоростью 1200 об/мин. Время поиска 1 с, емкость – 5 Мбайт.

20.10.2010 Western Digital представила жесткий диск  на 3 Тб, он имеет интерфейс SATA, скорость передачи данных 3 Гбит/с, кеш 64 Мб, среднее время поиска 15 мс и задержки 5.5 мс. В жестком диске четыре пластины по 750 Гб каждая. $239

За 50 лет плотность записи на пластины возросла  в 100 миллионов раз (!).

С 2004 года в индустрии HDD начался переход от технологии LMR (продольного намагничевания)  к  PMR (перпендикулярной записи), когда частицы располагаются под углом 90° к плоскости магнитного диска, что позволило достичь  терабайтной емкости. В конструкции магнитных головок эффект гиганской магниторезистивности (GMR) сменяет туннельная магниторезистивность (TMR).

Магнитные головки CPP-GMR (Current Perpendicular-to-the-Plane Giant Magneto-Resistive, в которых электроны двигаются  перпендикулярно магнитной пластине; технологии HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording, запись с предварительным нагревом с помощью лазера) и  (SOMA, Self-Ordered Magnetic Array, поиск самоорганизующихся магнитных материалов) позволят достичь многотерабайтной емкости HDD.

 

 

 

 

 

Floppy disk, СD, DVD

 

 

Ушли в прошлое дискеты (floppy disk) размером 3,5 дюйма и ёмкостью 1,44 Мбайта.

  • Сынишка, увидев дома 3,5-дюймовую дискету:
    «О, пап! Ты распечатал на 3D-принтере значок сохранения. Круто!» 

Устарели CD (Compact Disk)  DVD (Digital Versatile Disc) сменные диски с оптическим считыванием информации.

Archival Disc - стандарт оптических дисков емкостью от 300 Гб до 1 Тб для хранения информации в течение долгого времени, в тех условиях, когда использование HDD и SSD не желательно.

 

 

 

 

Holographic Versatile Disc

 

Голографический многоцелевой диск (HVD, Holographic Versatile Disc) — запись ведется в объеме информационных слоев. Зелёный лазер читает данные с близкого к поверхности диска голографического слоя , красный лазер читает вспомогательные сигналы с обычного слоя в глубине диска. Емкость HVD — до 3.9 терабайт. Коммерческих решений до сих пор нет.

В апреле 2008 IBM сообщила о технологии Race Track memory (беговой памяти), которая увеличит емкость памяти в сотни раз и HDD и flash memory. Race Track memory хранит данные в границах магнитных доменов нанопроводников. Данные по мере чтения/записи "скачут" вокруг проводника. Состояние границ доменов считываеся магнитными полями, создаваемыми спинами электронов.

 

 

 

 

Flash memory

 

Флэш-память (flash memory) - энергонезависимая перепрограммируемая память, которая может быть записана и прочитана так же, как и RAM, но сохраняет своё содержимое без питания. Ёмкость одной микросхемы - до нескольких гигабайт. Применяется в очень многих видах электронных устройств, например, в цифровых фотокамерах.

Твердотельные диски (SSD, (Solid-State Disk) становятся основным видом накопителей и вытесняют с рынка жесткие диски  с точки зрения массы, энергопотребления и быстродействия.

21.02.2020 Anatomy of a Storage Drive: SSD (Анатомия накопителей: SSD)

USB Flash Drive -  накопитель с USB-разъёмом ёмкостью до десятков гигабайт. Содержит микросхемы флэш-памяти и USB-контроллер, закрывается защитным колпачком. Вытесняет CD- DVD- как удобное средство физического переноса и/или сохранения информации. Подключается к USB порту. Хранение информации 10 лет.

17.11.2009  ViON выпустила SSD HyperStor-6200 емкостью 100 терабайт.

07.01.2013  Kingston выпустила USB-флэшку ёмкостью 1 терабайт. 

 

 

 

USB и Light Peak

 

USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина)  - интерфейс обмена данными между компьютером и периферийными устройствами, не требующий перезагрузки компьютера при подключении устройства.

Скорость пересылки данных в USB 1.0- 12 Мбайт/с.

Скорость пересылки данных в USB 2.0 - 480 Мбайт/с.

17.11.2008 USB Implementers Forum (USB-IF) опубликовал спецификацию USB 3.0 (SuperSpeed USB).

Теоретическая скорость передачи данных по USB 3.0 - 5 Гбит/с.

Выпуск устройств с поддержкой USB 3.0 ожидается к 2010 году.

05.05.2010 Intel продемонстрировала компьютер, с технологией Light Peak, которая позволяет передавать данные на скорости до 10 Гбит/с в обе стороны. Информация передается световыми импульсами, которые затем превращаются в электрические сигналы. Устройства с Light Peak появятся на рынке к концу 2010 года. Предполагается, что Light Peak придет на смену USB, FireWire и HDMI.

 

 

 

 

Data center

 

Подавляющее большинство сетевых ресурсов хранится в дата-центрах (data center, центрах обработки данных) — специализированных площадках размещения и подключения к сети серверного и коммуникационного оборудования.

В 2006 году на создание дата-центров затрачено более 100 млрд $.

Строительство дата-центра "Майкрософт Рус" в Ирландии на 100 тысяч серверов площадью 51 тысяча кв.метров стоит $500 млн.

Массив жестких дисков дата-центра RapidShare в апреле 2008 года составил 4,5 петабайта.

Создание дата-центров требует больших энергетических мощностей.

28.06.2006  «Белтелеком» открыл первый в Беларуси DataCenter.

Первоначальный объем хранимой информации 50 терабайт, что удовлетворяет требованиям практически всех клиентов. Резервное копирование исключает потери информации. Суммарная скорость каналов 2Gb/s.

04.02.2010  "Белтелеком" расширяет емкость канала Центра обработки данных (ЦОД) с 8 до 10 Гбит/с.

30.10.2009 Гленн Гаффни (Glenn Gaffney, заместитель директора национальной разведки): Агентство национальной безопасности США (National Security Agency) планирует построить новый дата-центр для защиты от киберугроз стоимостью в $1,5 млрд. Новый дата-центр будет построен на базе Национальной гвардии США Кэмп-Уильямс в штате Юта, в 26 милях от города Солт-Лейк-Сити. Весь комплекс будет занимать от 120 до 200 гектаров земли.

 

 

AWS Snowmobile

 

AWS Snowmobile -  («внешний диск» на колесах) сервис компании Amazon для быстрого физического переноса данных.

AWS Snowmobile:

  • представляет собой грузовик длиной 13 метров с системой накопителей данных огромной емкости

  • вандалоустойчивый, оснащен GPS-трекингом, видеонаблюдением и системой тревоги

  • способен передавать данные со скоростью в 1 терабит в секунду через кабель.

  • за один раз  способен перевезти до 100 петабайт данных.

  • шифрует данные при помощи 256-битного ключа шифрования, который хранится на AWS Key Management Service (KMS).

  • для полного заполнения грузовика информацией требует 10 дней.

 

 

 

Храните данные в Сети

 

Студенты западных университетов давно хранят свои документы в Web, а большинство резюме приходит в компании  в формате Google Doc, а не Word или PDF.

Бесплатные сервисы по хранению данных в Сети имеются и у многих компаний. C помощью специальной бесплатной утилиты можно создать отдельные локальные папки на своем устройстве, содержимое которых синхронизируется с облачным хранилищем. Когда вы перетаскиваете файлы в такую папку, они автоматически загружаются в хранилище, после чего становятся доступными с любого устройства, подключенного к интернету. Любые изменения в файлах также синхронизируются.

 

Dropbox — облачное хранилище данных:

  • позволяющее пользователям размещать файлы на удалённых серверах при помощи клиента или с использованием веб-интерфейса через браузер

  • хранить свои данные на серверах в облаке и делиться ими с другими пользователями (бесплатно - 2Gb. 50Gb - $10 в месяц). )

  • ведёт историю загрузок, чтобы после удаления файлов с сервера была возможность восстановить данные.

  • ведёт историю изменения файлов (доступна на период последних 30 дней).

 

05.04.2012 Яндекс представил сервис — Яндекс.Диск - 10Gb бесплатного места под хранение файлов, программы-клиенты под Windows и Mac OS X, мобильные приложения для iOS и Android и прочие функции, аналогичные Dropbox

24.04.2012 Google открыла облачное хранилище Goole Drive (Диск Google - https://drive.google.com/).  Каждому пользователю выделено 5 GB бесплатного пространства ( документы из Google Docs учету не подлежат), 25 GB стоят $2,49 , 100 GB - $4,99, а терабайт - $49,99 в месяц. Документами, хранящимся в Google Drive, можно "поделиться" с другими пользователями. Они смогут редактировать файлы и оставлять к ним комментарии. Работать с документом могут несколько пользователей одновременно.

24.04.2012 Microsoft обновила «облачный» сервис SkyDrive (http://windows.microsoft.com/ru-RU/skydrive/home), бесплатно предоставляется 7 Гб. За дополнительные 20, 50 и 100 Гб придётся платить соответственно 10, 25 и 50 $ в год. Реализована возможность удалённого доступа к файлам, хранящимся на личном ПК, через SkyDrive.

 

 

 

Thinfilm Addressable Memory

 

25.10.2011

Thinfilm Addressable Memory - первая в мире печатная энергонезависимая память.

Thinfilm Addressable Memory обладают гибкостью (содержит комплементарные органические цепи) и низкой себестоимостью производства приближая эру «Интернета вещей» (Internet-of-Things), где каждый предмет имеет собственный IP-адрес и подключен к Сети через «умные метки» (Smart Tag).

Для массового производства таких меток была необходима недорогая перезаписываемая энергонезависимая память, которая может быть интегрирована с сенсорами.