Прогресс или застой в ИТ индустрии? Часть III – Память.

В предыдущих статьях мы увидели как развиваются процессоры и видеокарты, теперь настал черед других комплектующих – это память. Память в нашем компьютере есть разная, это и HDD диски и оперативная память и флеш память. Они все влияют на производительность компьютера, если жесткий диск медленный, то жди долгую загрузку ОС и программ, если мало оперативной памяти, то опять же будут долгие загрузки.

HDD диски

HDD развиваются очень давно, изначально они были гигантскими – одна пластина могла быть диаметром больше 60 сантиметров и иметь объем всего нескольких мегабайт. Постепенно HDD уменьшались и стали использоваться в персональных компьютерах, тогда их размер стал равен 5,25 дюйма, это больше нынешних 3,5, но даже при таком физическом размере они могли содержать не больше нескольких десятков мегабайт.

Пяти-мегабайтный диск от Seagate

Диски не только уменьшались в размерах и увеличивали плотность записи, но также увеличивалась скорость вращения пластин. И этот параметр является слабым местом технологии, когда-то стандартным было вращение 5400 оборотов в минуту, сейчас уже долгое время стандартным является 7200. Уже несколько лет скорость доступа для обычных HDD колеблется в районе 5мс. Скорость  доступа или скорость позиционирования головки напрямую зависит от скорости вращения, чем быстрее мы вращаем пластину, тем быстрее можем найти нужный нам блок. Почему же тогда производители остановились на 7200 оборотах в минуту? Конечно есть жесткие диски и на 10000 и на 15000 оборотов, но это либо редкие серии, либо серверные диски.

Нежелание производителей делать диски с оборотами выше 7200 понятно, ведь чем выше скорость вращения, тем сильнее вибрация и выше температура, а значит, придется делать более надежную, более сложную и более дорогую конструкцию.

Современный серверный SAS HDD 15000rpm (слева), даже по картинке видно насколько больше материала используется при его изготовлении по сравнению с обычными SATA HDD на 7200rpm (справа).

Такое будут готовы купить не все, да и сложность изготовления вырастет, и количество брака увеличится. Поэтому, к сожалению, мы наблюдаем только рост объемов жестких дисков, но не уменьшение времени ожидания. Линейная скорость растет от увеличения плотности данных, но она помогает только в том случае, если данные на диске расположены последовательно, а это большая редкость, вспомните кучу мелких файлов, которые загружает ОС, когда происходит включение компьютера.

Помимо проблемы с временем ожидания, есть проблема с наращиванием объемов жестких дисков, производители всё больше и больше “ломают голову” – как увеличить плотность размещения данных, ведь физические размеры не бесконечны. Из-за увеличения плотности данных придумывают всё более изощренные методы записи:

• метод продольной записи – устаревший;
• метод перпендикулярной записи – на данный момент используется;
• метод тепловой магнитной записи – с помощью лазера происходит локальный нагрев ячейки, технология, которую вскоре внедрят.

Но рано или поздно даже самый совершенный метод будет бессилен, когда размер ячейки станет очень мал. Такая же проблема наблюдается в уменьшении технологии производства процессоров.

SSD диски

Казалось, вот оно, решение выше перечисленных проблем - SSD диски. Они обладают очень малыми задержками, высокими скоростями, не греются, компактны, не имеют механизированных частей для считывания и записи. Но как всегда есть ложка дегтя.

Первая проблема это дороговизна 1Гб, например за одну и ту же цену можно купить в 10 раз больший по объему HDD. Но эту проблему пытаются решить, придумывая разные типы флеш памяти, если раньше использовалась SLC, то теперь стали применять MLC, которая дешевле и может в отличие от предыдущей памяти содержать не 1бит информации, а уже два. Скоро собираются применить ещё более дешевый вариант - TLC, который позволит хранить в ячейке 3 бита информации. Кажется всё прекрасно, скоро будут большие, быстрые и дешевые SSD. Но, нет! Эти типы памяти отличаются не только количеством бит в ячейке, они являются менее надежными, и при этом более медленными. Ресурс записи ячейки без применения различных сберегающих алгоритмов:  у SLC чипов – 100000 раз, у MLC чипов – 10000 раз, у TLC чипов – 3000 раз.

Внешний и внутрений вид одного из первых представителей SSD

И это тоже не всё – для того чтобы увеличить емкость накопителя и при этом снизить стоимость 1Гб, тех. процесс изготовления ячеек постепенно уменьшается, но также с уменьшением тех. процесса надежность ячеек падает. Получается замкнутый круг, если пытаться делать SSD более емкими и доступными как HDD, то они становятся более медленными и самое главное менее надежными.

Оперативная память

Тоже один из старейших комплектующих, имеет очень долгую историю развития. Менялась не только сама память, но и разъемы, куда она подключалась. В конце 80-х - начале 90-х использовались разъемы SIMM с однорядным расположением контактов, потом и до настоящего времени пришел разъем DIMM с двухрядным расположением контактов. Помимо смены названия и логики работы у разъемов менялось количество контактов, например, сейчас 240pin, а во времена DDR было 184pin.

30 pin SIMM на материнской плате ATARI для памяти FPM Ram

Память тоже совершенствовалась, сначала была асинхронная (FPM Ram, EDO Ram), потом появилась синхронная SD Ram, далее был ещё один качественный скачек в развитии – это DDR, где за один такт сигнала передавался двойной объем данных. 

После DDR особых революций не происходило, в особенности DDR3 и DDR4 ничего кардинально нового в производительности не предлагают, и являются практически тем же самым, что и DDR2. Линейная скорость росла: если у DDR она начиналась с отметки 3,2Гб/с, то у DDR3 она стала выше 20Гб/с. 

EDO Ram

SD Ram PC100 256mb

DDR PC400 512mb

DDR3 PC1066 1024mb

Кажется есть прогресс - скорости растут, что ещё надо? А надо, чтобы задержки (тайминги) при этом снижались. Если у жестких дисков задержки остаются прежними, то у памяти тайминги растут. По другому, этот параметр можно назвать CAS-латентность, и характеризуется он количеством пропускаемых тактов, у DDR он был от 2 до 3, у DDR2 от 4 до 7, у DDR3 от 5 до 10. Т.е. по сравнении с DDR в пять раз больше требуется пропускать тактов на доступ к произвольным данным, где здесь прогресс? Получается, последовательные скорости растут, а задержки увеличиваются, не топтание ли на месте это?

Производители, это понимают, и пытаются решить проблему. Например, активно разрабатывается сейчас Hybrid Memory Cube, это многослойная память, которая в 15 раз производительней и в 7 раз энергоэффективнее DDR3, но увидим мы эту память не раньше DDR4.

В целом же становится понятно, что с памятью тоже проблемы не меньше чем с видеокартами и процессорами:

• линейные скорости растут не достаточно быстро;
• произвольный доступ к данным не улучшается;
• кажущееся решение проблемы в виде SSD является тупиком;
• дальнейшее наращивание емкости носителей представляется очень проблематичным.