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存储器的发展.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.05M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    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 DRAM 486 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 15~30%。 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 DRAM Intel 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 SDRAM DDR 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 15~30%。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 PentiumⅢ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 DDR400 内存成为目前的主流平台 选配，双通道 DDR400 内存已经成为 800FSB 处理器搭配的基本标准，随后的 DDR533 规范则成为超频用户的选择对象。 今日之星——DDR2 内存 随着 CPU 性能不断提高，我们对内存性能的要求也逐步升级。不可否认， 紧紧依高频率提升带宽的 DDR 迟早会力不从心，因此 JEDEC 组织很早就开始酝 酿 DDR2 标准，加上 LGA775 接口的 915/925 以及最新的 945 等新平台开始对 DDR2 内存的支持，所以 DDR2 内存将开始演义内存领域的今天。 DDR2 能够在 100MHz 的发信频率基础上提供每插脚最少 400MB/s 的带 宽，而且其接口将运行于 1.8V 电压上，从而进一步降低发热量，以便提高频率。 此外，DDR2 将融入 CAS、OCD、ODT 等新性能指标和中断指令，提升内存带宽的 利用率。从 JEDEC 组织者阐述的 DDR2 标准来看，针对 PC 等市场的 DDR2 内存将 拥有 400、533、667MHz 等不同的时钟频率。高端的 DDR2 内存将拥有 800、1000MHz 两种频率。DDR-II 内存将采用 200-、220-、240-针脚的 FBGA 封装形式。最初的 DDR2 内存将采用 0.13 微米的生产工艺，内存颗粒的电压为 1.8V，容量密度为 512MB。 内存技术在 2005 年将会毫无悬念，SDRAM 为代表的静态内存在五年内不会 普及。QBM 与 RDRAM 内存也难以挽回颓势，因此 DDR 与 DDR2 共存时代将是铁定 的事实。在 AMD 的 Athlon 64 使用 DDR400 内存控制器的情况下，未来对于高频 率内存的需求量可能比较小，而且 DDR2 内存的发展空间也将取决于 AMD 是否改 进内存控制器。 根据摩尔定理，只要 DIY 硬件在更新换代，内存规格也将不断更替，比如目 前的 DDR3 有望取代现有的 DDR2，而未来的 FB-DIMM 内存又将是另一个更好解决 方案。从 PC 技术发展情况来看，实际上内存的发展，也代表了 DIY 硬件领域的 发展历史，同时它也牵动并影响者整个 DIY 硬件技术的不管革新……
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