存储器的发展.doc

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处理需要。不过随着软件程序和新一代80286硬件平台的出现，程序和硬件对内存性能提出了更高要求，为了提高速度并扩大容量，内存必须以独立的封装形式出现，因而诞生了前面我们所提到的“内存条”概念。在80286主板刚推出的时候，内存条采用了SIMM（Single In-lineMemory Modules，单边接触内存模组）接口，容量为30pin、256kb，必须是由8 片数据位和1 片校验位组成1 个bank，正因如此，我们见到的30pin SIMM一般是四条一起使用。自1982年PC进入民用市场一直到现在，搭配80286处理器的30pin SIMM 内存是内存领域的开山鼻祖。随后，在1988 1990 年当中，PC 技术迎来另一个发展高峰，也就是386和486时代，此时CPU 已经向16bit 发展，所以30pin SIMM 内存再也无法满足需求，其较低的内存带宽已经成为急待解决的瓶颈，所以此时72pin SIMM 内存出现了，72pin SIMM支持32bit快速页模式内存，内存带宽得以大幅度提升。72pin SIMM内存单条容量一般为512KB 2MB，而且仅要求两条同时使用，由于其与30pin SIMM 内存无法兼容，因此这个时候PC业界毅然将30pin SIMM 内存淘汰出局了。徘徊不前EDO DRAM内存EDO DRAM（Extended Date Out RAM，外扩充数据模式存储器）内存，这是1991 年到1995 年之间盛行的内存条，EDO-RAM同FP DRAM极其相似，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%。工作电压为一般为5V，带宽32bit，速度在40ns以上，其主要应用在当时的486及早期的Pentium电脑上。在1991 年到1995 年中，让我们看到一个尴尬的情况，那就是这几年内存技术发展比较缓慢，几乎停滞不前，所以我们看到此时EDO RAM有72 pin和168 pin并存的情况，事实上EDO 内存也属于72pin SIMM 内存的范畴，不过它采用了全新的寻址方式。EDO 在成本和容量上有所突破，凭借着制作工艺的飞速发展，此时单条EDO 内存的容量已经达到4 16MB 。由于Pentium及更高级别的CPU数据总线宽度都是64bit甚至更高，所以EDO RAM与FPM RAM都必须成对使用。一代经典SDRAM 内存自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，此时内存开始进入比较经典的SDRAM时代。第一代SDRAM 内存为PC66 规范，但很快由于Intel 和AMD的频率之争将CPU外频提升到了100MHz，所以PC66内存很快就被PC100内存取代，接着133MHz 外频的PIII以及K7时代的来临，PC133规范也以相同的方式进一步提升SDRAM 的整体性能，带宽提高到1GB/sec以上。由于SDRAM 的带宽为64bit，正好对应CPU 的64bit 数据总线宽度，因此它只需要一条内存便可工作，便捷性进一步提高。在性能方面，由于其输入输出信号保持与系统外频同步，因此速度明显超越EDO 内存。不可否认的是，SDRAM 内存由早期的66MHz，发展后来的100MHz、133MHz，尽管没能彻底解决内存带宽的瓶颈问题，但此时CPU超频已经成为DIY用户永恒的话题，所以不少用户将品牌好的PC100品牌内存超频到133MHz使用以获得CPU超频成功，值得一提的是，为了方便一些超频用户需求，市场上出现了一些PC150、PC166规范的内存。曲高和寡Rambus DRAM内存尽管SDRAM PC133内存的带宽可提高带宽到1064MB/S，加上Intel已经开始着手最新的Pentium 4计划，所以SDRAM PC133内存不能满足日后的发展需求，此时，Intel为了达到独占市场的目的，与Rambus联合在PC市场推广Rambus DRAM内存（称为RDRAM内存）。与SDRAM不同的是，其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在AMD与Intel的竞争中，这个时候是属于频率竞备时代，所以这个时候CPU的主频在不断提升，Intel为了盖过AMD，推出高频Pentium以及Pentium 4 处理器，因此Rambus DRAM内存是被Intel看着是未来自己的竞争杀手剑，Rambus DRAM内存以高时钟频率来简化每个时钟周期的数据量，因此内存带宽相当出色，如PC 1066 1066 MHz 32 bits带宽可达到4.2G Byte/sec，Rambus DRAM曾一度被认为是Pentium 4 的绝配。尽管如此，Rambus RDRAM 内存生不逢时，后来依然要被更高速度的DDR“掠夺”其宝座地位，在当时，PC600、PC700的Rambus RDRAM 内存因出现Intel820 芯片组“失误事件”、PC800 Rambus RDRAM因成本过高而让Pentium 4平台高高在上，无法获得大众用户拥戴，种种问题让Rambus RDRAM胎死腹中，Rambus曾希望具有更高频率的PC1066 规范RDRAM来力挽狂澜，但最终也是拜倒在DDR 内存面前。再续经典DDR内存DDR SDRAM(Dual Date Rate SDRAM)简称DDR，也就是“双倍速率SDRAM“的意思。DDR可以说是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缘信号，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，仅在时钟上升缘传输。DDR 内存是作为一种在性能与成本之间折中的解决方案，其目的是迅速建立起牢固的市场空间，继而一步步在频率上高歌猛进，最终弥补内存带宽上的不足。第一代DDR200 规范并没有得到普及，第二代PC266 DDR SRAM（133MHz时钟2倍数据传输266MHz带宽）是由PC133 SDRAM内存所衍生出的，它将DDR 内存带向第一个高潮，目前还有不少赛扬和AMD K7处理器都在采用DDR266规格的内存，其后来的DDR333内存也属于一种过度，而DDR