【2017年整理】存储器的发展

现代计算机存储器件的发展历史和趋势1. 存储器简介存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。自世界上第一台计算机问世以来，计算机的存储器件也在不断的发展更新，从一开始的汞延迟线，磁带，磁鼓，磁芯，到现在的半导体存储器，磁盘，光盘，纳米存储等，无不体现着科学技术的快速发展。2. 半导体存储器由于对运行速度的要求，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。半导体存储器包括只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类。2.1 只读存储器ROM 是线路最简单的半导体电路，通过掩模工艺，一次性制造，在元件正常工作的情况下，其中的代码与数据将永久保存，并且不能够进行修改。一般地，只读存储器用来存放固定的程序和数据，如微机的监控程序、BIOS (基本输入/输出系统 Basic Input/Output System)、汇编程序、用户程序、数据表格等。根据编程方法不同，ROM 可分为以下五种：1、掩码式只读存储器，这类ROM 在制造过程中，其中的数据已经事先确定了，因而只能读出，而不能再改变。它的优点是可靠性高，价格便宜，适宜批量生产。2、可一次性编程只读存储器（PROM），为了使用户能够根据自己的需要来写 ROM，厂家生产了一种PROM。允许用户对其进行一次编程写入数据或程序。一旦编程之后，信息就永久性地固定下来。用户可以读出和使用，但再也无法改变其内容。3、可擦可编程只读存储器（EPROM），这是一种具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程的 ROM 内存，写入前必须先把里面的内容用紫外线照射它的 IC 卡上的透明视窗的方式来清除掉。4、电可擦可编程只读存储器（EEPROM），功能与 EPROM 一样，不同之处是清除数据的方式，它是以约 20V 的电压来进行清除的。另外它还可以用电信号进行数据写入。5、快闪存储器（Flash Memory），是在 EEPROM 的基础上发展而来，只是它提高了 ROM 的读写速度。然而，相比之下，ROM 的读取速度比 RAM 要慢的多，因此，一般都用 RAM来存放当前正在运行的程序和数据，并且随时可以对存放在里面的数据进行修改和存取。而面对 CPU 的高速发展，内存的速度使得高速运算受到了限制，为了缓解这种矛盾，人们找到了几种方法，其中一种就是采用更高速的技术，使用更先进的 RAM 作为内存。于是，就有了 RAM 的发展历史。2.2 随机存储器RAM 可分为 SRAM（Static RAM，静态随机存取存储器）和DRAM（Dynamic RAM，动态随机存取存储器）。SRAM 曾经是一种主要的内存，它以 6 颗电子管组成一位存储单元，以双稳态电路形式存储数据，因此不断电时即可正常工作，而且它的处理速度比较快而稳定，不过由于它结构复杂，内部需要使用更多的晶体管构成寄存器以保存数据，所以它采用的硅片面积相当大，制造成本也相当高，所以现在常把 SRAM 用在比主内存小的多的高速缓存上。而 DRAM 的结构相比之下要简单的多，其基本结构是一个电子管和一个电容，具有结构简单、集成度高、功耗低、生产成本低等优点，适合制造大容量存储器，所以现在我们用的内存大多是由 DRAM 构成的。但是，由于是DRAM 将每个内存位作为一个电荷保存在位存储单元中，用电容的充放电来做储存动作，因电容本身有漏电问题，因此必须每几微秒就要刷新一次，否则数据会丢失。3. 内存的发展下面主要讲述内存条的发展历程。首先，在一开始的时候，内存是以一块块的 IC（集成电路）焊接到主板上的，然而，这样做对于后期维护产生了很多问题，十分不方便。于是，内存条的概念出现了。3.1 FP DRAM在 80286 主板刚推出的时候，内存条采用了 SIMM（Single In-line Memory Modules，单边接触内存模组）接口。其在 80286 处理器上是 30pin SIMM 内存，随后，到了 386，486 时期，由于 CPU 已经向 16bit 发展，30pin SIMM 内存无法满足需求，其较低的内存带宽已经成为急待解决的瓶颈，因此就出现了 70pin SIMM 内存。72 线的 SIMM 内存引进了一个 FP DRAM（快页内存），因为 DRAM 需要恒电流以保存信息，一旦断电，信息即丢失。它的刷新频率每秒钟可达几百次，但由于 FP DRAM 使用同一电路来存取数据，所以 DRAM 的存取时间有一定的时间间隔，这导致了它的存取速度并不是很快。另外，在DRAM 中，由于存储地址空间是按页排列的，所以当访问某一页面时，切换到另一页面会占用 CPU 额外的时钟周期。3.2 FPM DRAM486 时期普遍应用的内存是 FPM DRAM（Fast Page Mode DRAM，快速页切换模式动态随机存取存储器），这是改良版的 DRAM，传统的 DRAM 在存取一个 BIT 的数据时，必须送出行地址和列地址各一次才能读写数据。而 FRM DRAM 在触发了行地址后，如果 CPU 需要的地址在同一行内，则可以连续输出列地址而不必再输出行地址了。由于一般的程序和数据在内存中排列的地址是连续的，这种情况下输出行地址后连续输出列地址就可以得到所需要的数据，从而大大提高读取速度。3.3 EDO DRAM继 FPM 之后，出现的一种存储器EDO DRAM（Extended Date Out RAM，外扩充数据模式存储器）内存开始盛行。EDO-RAM 不需要像 FPM DRAM 那样在存取每一 BIT 数据时必须输出行地址和列地址并使其稳定一段时间，然后才能读写有效的数据，而下一个 BIT 的地址必须等待这次读写操作完成才能输出，它取消了扩展数据输出内存与传输内存两个存储周期之间的时间间隔，在把数据发送给 CPU 的同时去访问下一个页面，故而速度要比普通DRAM 快 1530%。之后，由美光公司提出的改良型的 EDO DRAM，BEDO DRAM（爆发式延伸数据输出动态随机存取存储器），它在芯片上增加了一个地址计数器来追踪下一个地址。它是突发式的读取方式，也就是当一个数据地址被送出后，剩下的三个数据每一个都只需要一个周期就能读取，因此一次可以存取多组数据。但支持 BEDO DRAM 内存的主板很少，不久就被取代了。3.4 SDRAM自 Intel Celeron 系列以及 AMD K6 处理器以及相关的主板芯片组推出后， EDO DRAM 内存性能再也无法满足需要了，内存技术必须彻底得到个革新才能满足新一代 CPU 架构的需求，此时内存开始进入 SDRAM 时代。SDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存取存储器），是一种与 CPU实现外频 Clock 同步的内存模式。所谓 clock 同步是指内存能够与 CPU 同步存取资料，这样可以取消等待周期，减少数据传输的延迟，因此可提升计算机的性能和效率。它和原理是，SDRAM 在现有的标准动态存储器中加入同步控制逻辑（一个状态机），利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。SDRAM 内存有 PC66 规范，PC100 规范， PC133 规范，甚至为超频需求，又提供了 PC150、PC166 规范的内存。3.5 Rambus DRAMIntel 与 Rambus 公司联合开始在 PC 市场推广 Rambus DRAM 内存。与SDRAM 不同的是，RDRAM 采用了新一代高速简单内存架构，基于一种类RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机）理论，这个理论可以减少数据的复杂性，使得整个系统性能得到提高。但这一结构的改变，涉及到包括芯片组、DRAM 制造、封装、测试甚至 PCB 及模组等的全面改变，可谓牵一发而动全身。尽管 RDRAM 在时钟频率上有了突破性的进展，但毕竟在实际使用上，其规格与现阶段主流的 SDRAM 有很大的差异，不兼容于现有系统芯片组而成了 Intel 一家独揽的局面。3.6 DDR SDRAMDDR SDRAM（Double Data Rate 二倍速率同步动态随机存取存储器），可说是 SDRAM 的升级版本，DDR 在时钟信号上升沿与下降沿各传输一次数据，这使得 DDR 的数据传输速度为传统 SDRAM 的两倍。由于仅多采用了下降沿信号，因此并不会造成能耗增加。至于定址与控制信号则与传统 SDRAM 相同，仅在时钟上升沿传输。DDR 内存有 DDR266 规范，DDR333 规范，DDR400 规范及 DDR533 规范等。3.7 DDR2目前主流的内存，应该是 DDR2（第二代同步双倍速率动态随机存取存储器）了。DDR2 SDRAM 是由 JEDEC（电子设备工程联合委员会）进行开发的新生代内存技术标准，它与上一代 DDR 内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式，但 DDR2 内存却拥有两倍于上一代 DDR 内存预读取能力。换句话说，DDR2 内存每个时钟能够以 4 倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线 4 倍的速度运行。4. 内存的展望 DDR3随着内存价格的一路下跌，2GB 内存容量已经成为市场的主流，而内存厂商也在大力发展单条 1GB 内存。随着 Intel 酷睿处理器 FSB 前端总线的稳步提升，内存在频率上也创新高，不过受限于 DDR2 内存的物理特性，运行在高频下的DDR2 内存也是凤毛麟角。进入主流市场也是遥遥无期。在这种情况下，革新换代是在所难免。DDR3 内存也就在这种背景下诞生的。半导体市场调查机构 iSuppli 预测 DDR3 内存将会在 2008 年替代 DDR2 成为市场上的主流产品，由于 DDR2 内存的各种不足，制约了其进一步的广泛应用，DDR3 内存的出现，正是为了解决 DDR2 内存出现的问题。DDR3 的特点有：更高的外部数据传输率，更先进的地址/命令与控制总线的拓朴架构，在保证性能的同时将能耗进一步降低。为实现这些要求，DDR3 在DDR2 的基础上作了如下改进：8bit 预取设计；采用点对点的拓朴架构，减轻地址/命令与控制总线的负担；采用 100nm 以下的生产工艺，将工作电压从1.8V 降至 1.5V，增加异步重置（ Reset）与 ZQ 校准功能。作为 PC 不可缺少的重要核心部件 内存，它伴随着 DIY 硬件走过了多年历程。从 286 时代的 30pin SIMM 内存、486 时代的 72pin SIMM 内存，到Pentium 时代的 EDODRAM 内存、PII 时代的 SDRAM 内存，到 P4 时代的 DDR内存和目前 9X5 平台的 DDR2 内存。内存从规格、技术、总线带宽等不断更新换代。不过我们有理由相信，内存的更新换代可谓万变不离其宗，其目的在于提高内存的带宽，以满足 CPU 不断攀升的带宽要求、避免成为高速 CPU 运算的瓶颈。在刚刚开始的时候，PC 上所使用的内存是一块块的 IC，要让它能为 PC 服务，必须将其焊接到主板上，但这也给后期维护带来的问题，因为一旦某一块内存 IC 坏了，就必须焊下来才能更换，由于焊接上去的 IC 不容易取下来，同时加上用户也不具备焊接知识（焊接需要掌握焊接技术，同时风险性也大），这似乎修起来太麻烦。因此，PC 设计人员推出了模块化的条装内存，每一条上集成了多块内存IC，同时在主板上也设计相应的内存插槽，这样内存条就方便随意安装与拆卸了，内存的维修、升级都变得非常简单，这就是内存“条”的来源。开山鼻祖SIMM 内存在 80286 主板发布之前，内存并没有被世人所重视，这个时候的内存是直接固化在主板上，而且容量只有 64 256KB，对于当时 PC 所运行的工作程序来说，这种内存的性能以及容量足以满足当时软件程序的