Как работает память компьютера

Компьютер — это система, работающая на основе анализа электромагнитных волн. Любая электромагнитная волна имеет такие параметры как частота и период, то есть количество повторений за единицу времени и, время за которое, волна совершает одно полное колебание.

Волна, как правило, создается с помощью жестких дисков (винчестеров). Жесткий диск по своему устройству сильно напоминает граммофон. Тот же принцип, игла движется по канаве, создавая волну с нужным периодом и частотой. Однако в случае с винчестерами, принцип записи и чтения немного иной. В винчестерах диск представляет собой круглую пластину с ферро-магнитным напылением с множеством дорожек. Считывающая игла является электромагнитом, который изменяя форму напыления, создает канавы или же дорожки памяти, по которым и происходит считывание. Существуют 2 состояния поверхности диска «1» и «0», которые в совокупности являются двоичным кодом. Скорость передачи и приема данных зависит от скорости вращения диска.

Помимо жестких дисков в последнее время широко используются твердотельные накопители. Они способны обеспечить более высокую скорость чтения и записи, а также не имеют механических частей. Поэтому, данный тип памяти более выгоден. Основой служащей хранилищем данных является чип на транзисторно-конденсаторной архитектуре. Самая малая ячейка хранения данных – транзистор с плавающим затвором, фактическиудерживающий заряд. Аналогия проста – транзистор клетка, а затвор, управляемый иным током, является дверью. С помощью данного принципа построены такие типы памяти, как NAND и NOR. NOR, двумерный массив проводников фактически является решеткой из упорядоченных транзисторов. NAND теоретически представляет из себя, то же самое но в этом случае массив трехмерный. А названы они так из-за типа операций, которые они выполняют NOR- Not OR «НЕ-ИЛИ», NAND – «not and» «И-НЕ». Существенный недостаток данной памяти – ограниченное количество циклов перезаписи. Это связано с воздействием большого тока на плавающий затвор, что приводит к постепенному изнашиванию его. Ну и, конечно, возможная потеря данных с течением большого промежутка времени. Это происходит из-за природы зарядов. Со временем они заземляются, то есть исчезают.

Далее волна отправляется в центральный процессор – своеобразный анализатор компьютера. Для обеспечения корректного анализа и верной работы компьютера производители микропроцессоров используют различные архитектуры, например: Haswell и Skylake от Intel. Основой данных архитектур являются транзисторы – это устройства для изменения состояния волны. Фактически, транзисторы являются ключом, не требующим физического воздействия. Он управляется другим незначительным током, который распределяется контроллером на материнской плате, который согласно инструкциям будет изменять частоту и период волны. Получив новые данные, процессор путем обмена информации записывает на жесткий диск обновленные, и будет отображать их, если это требуется.

До изобретения транзисторов (триодов), потоки информации в виде электромагнитных волн анализировались в сложной системе электромеханических реле и ламп. Реле, замыкаясь или же размыкаясь, формировали волну. Механическое реле – ключ снабженный электромагнитом, который, притягивая пластину, замыкает цепь, тем самым пропуская волну и формируя «1» на поверхности диска, и размыкаясь соответственно, формирует «0». Подобные компьютеры отличались, высоким выделением тепла, очень низким быстродействием и громоздкостью. И, именно на заре компьютерных технологий, в 40-50 годы переход на компьютерные технологии казался невозможным и чем-то сверхъестественным. В 60-ые изобрели интегральные микросхемы. Главной их особенностью является возможность упаковать все составляющие части микропроцессора на одну общую плату.

Введение интегральной микросхемы способствовало бурному развитию микропроцессоров. Лучше всего оно описывается законом Мура, который гласит: “количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной микросхемы удваивается каждые 24 месяца”. Данная тенденция роста производительности была наиболее актуальна до 2008 года. Процессоры, выпущенные позже, несмотря на заметный прирост быстродействия в сравнении с предыдущим поколением, не имеют удвоенное количество транзисторов на кристалле.

Тенденция увеличения числа транзисторов росла с каждым поколением микропроцессоров. Сегодня наиболее популярный техпроцесс среди пользователей – 22нм. Пользователя обычно не интересует количество транзисторов на кристалле, для него важна производительность «камня». Однако, в сравнении с процессорами предыдущего поколения, более новые показывали высокие результаты в одинаковых задачах. Развитие нанотехнологий пока не позволяет уменьшать размер транзисторов в 2 раза каждые 2 года. Тенденции показывают, что либо надо идти в квантовые компьютеры, либо надо создавать технологии управления «тонким током», который будет возможен в пределах нескольких слоев вещества, так как там уже другие процессы. Поэтому, скорее всего ближайшие 6-8 лет, размер транзистора будет сохраняться на отметке 10нм. Судя по моему личному предположению для увеличения производительности, будут развиваться «многоэтажные» архитектуры процессоров, которые фактически наслоены друг на друга.

Подобные технологии будут полностью оправдывать потребность пользователей в мощном железе. Все же количество тепла, выделяемое процессорами, увеличится, и, на время, компьютеры могут стать довольно громоздкими. Однако, если это произойдет, то это будет не существенно.

В следующие 25-30 лет компьютер предположительно перестанет в полной мере включать в себя, какие либо механические части. Вплоть до активного охлаждения. Все компоненты, ранее нагревавшиеся, теперь станут холодными, из-за кардинально новой архитектуры и материалов изготовления процессоров. Новый проводник, представляющий из себя сплав металлов с абсолютно нулевым, либо с минимальным сопротивлением. Думаю эксперименты будущего сделают это возможным. Развитие технологий никогда не стоит на месте. А в случае с компьютерными технологиями все еще более серьезно. Производители центральных и графических процессоров, любой ценой будут двигать прогресс ради господства на рынке. Поэтому, в любом случае, будущее за неимоверной мощностью, немыслимыми сегодня способами визуализации и количествами вычислений за единицу времени.