TIETOKONEEN MUISTI NYT JA TULEVAISUUDESSA

Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknistaloudellinen tiedekunta Tietotekniikan koulutusohjelma Opintojakson Käyttöjärjestelmät seminaarityö Joona Hasu, Mikko Haavisto, Ilari Pihlajisto, Marko Vesala TIETOKONEEN MUISTI NYT JA TULEVAISUUDESSA Työn tarkastaja: Professori Heikki Kälviäinen Työn ohjaaja: Professori Heikki Kälviäinen

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknistaloudellinen tiedekunta Tietotekniikan koulutusohjelma Joona Hasu, Mikko Haavisto, Ilari Pihlajisto, Marko Vesala Tietokoneen muisti nyt ja tulevaisuudessa Seminaarityö 2010 22 sivua, 3 kuvaa Työn tarkastaja: Professori Heikki Kälviäinen Hakusanat: keskusmuisti, välimuisti, muistihierarkia, muisti tulevaisuudessa Keywords: random access memory, cache memory, memory hierarchy Muisti on yksi keskeisimmistä tietokoneen komponenteista, ja uuden muistiteknologian jatkuva kehitys on edellytyksenä myös tietokoneiden yleisen suorituskyvyn kehitykselle. Työn tavoitteena on tutustua käytössä oleviin muistityyppeihin, muistihierarkiaan, sekä luoda katsaus muistin tulevaisuuteen. Työssä päädyttiin mm. seuraaviin tuloksiin ja johtopäätöksiin. Muistin suuri kapasiteetti, suuri nopeus ja edullinen hinta ovat tavoiteltavia, mutta keskenään ristiriitaisia ominaisuuksia. Siksi on kehitetty muistihierarkia, jossa valtaosa muistiviittauksista pyritään pitämään nopeassa muistissa. Random Access Memory on yleistynyt käytettäväksi prosessorin rekistereissä, välimuisteissa ja tietokoneen keskusmuistina. Sequential Access Memory taas sopii edullisen hintansa puolesta massamuistiksi. Tulevaisuuden trendejä ovat kasvava nopeus, kapasiteetti, pienempi virrankulutus, ja pysyväismuisti. ii

ABSTRACT Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Management Degree Program in Information Technology Joona Hasu, Mikko Haavisto, Ilari Pihlajisto, Marko Vesala Computer s memory at present and in the future Seminar Report 2010 22 pages, 3 figures Examiners: Professor Heikki Kälviäinen Keywords: random access memory, cache memory, memory hierarchy Memory is one of the most essential components in computers, and the advancement of new memory technology is a prerequisite for the increase of computers' overall performance. The goal of this report is to explore the different types of memory that are in use, the memory hierarchy, and also the future of memory. The results and conclusions of this report include the following. Large capacity, fast access time and small costs are desirable but mutually exclusive properties in memory. That's why the memory hierarchy that tries to keep most memory accesses in fast memory was developed. Random Access Memory has become common in processors' registers, cache, and the main memory. Sequential Access Memory on the other hand is well-suited for mass storage due to its low cost. Future trends include increasing speeds and capacity, and non-volatile memory. iii

ALKUSANAT Seminaarityö on tehty neljän käyttöjärjestelmät-kurssilla opiskelevan yhteistyönä. Lähtötaso aiheesta oli ryhmän jäsenten kesken melko vaihteleva. Aiheeseen tutustuminen vei osaltaan jo melko paljon aikaa ennen suunnittelua. Ryhmän osaaminen työskentelyn aikana kasvoi suuresti ja tähän varmasti syynä ennakkoon haastava aihe. Työn ohjaamisessa toimi suuresti apuna Heikki Kälviäisen tekemä esimerkkipohja sekä hänen uhkakuvansa työn hylkäämisestä. Ryhmän loppupanos deadlinen lähestyessä oli ratkaiseva tekijä työn valmiiksi saattamisessa. iv

SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO...3 1.1 TAUSTA...3 1.2 TAVOITTEET JA RAJAUKSET...3 1.3 TYÖN RAKENNE...3 2 TIETOKONEEN MUISTI...4 2.1 MUISTI KÄYTTÖJÄRJESTELMÄN NÄKÖKULMASTA...4 2.1.1 Muistihierarkia...4 2.1.2 Välimuisti...5 2.2 RANDOM ACCESS MEMORY...6 2.2.1 Toimintaperiaate...6 2.2.2 Välimuistit ja prosessorin rekisteri...6 2.2.3 Muistiohjain prosessorin apuna...6 2.2.4 Keskusmuisti...7 2.3 SEQUENTIAL ACCESS MEMORY...10 2.3.1 Toimintaperiaate...10 2.3.2 Kiintolevy...10 2.3.3 SSD...11 2.3.4 Flash...12 2.3.5 Optinen media...12 2.4 TULEVAISUUS...14 2.4.1 Kehityssuunta...14 2.4.2 NVRAM...14 3 YHTEENVETO...16 LÄHTEET...17 1

SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO ATA CD DDR SDRAM DDR DVD DRAM esata FeRAM GB Gt GiB IDE MRAM Mt NAND NUMA NVRAM RAM RPM SAM SATA SCSI SDRAM SRAM SSD TB USB Advanced Technology Attachment Compact Disc Double Data Rate Synchronous Dynamic Random-Access Memory Double Data Rate Digital Versatile Disc Dynamic Random Access Memory External Serial Advanced Technology Attachment Ferroelectric Random Access Memory Gigabyte Gigatavu Gibibit Integrated Drive Electronics Magnetoresistive Random Access Memory Megatavu Not And Non-Uniform Memory Access Non-Volative Random Access Memory Random Access Memory Revolutions Per Minute Sequental Access Memory Serial Advanced Technology Attachment Small Computer System Interface Synchronous Dynamic Random-Access Memory Static Random Access Memory Solid State Drive Terabyte Universal Serial Bus 2

1 JOHDANTO 1.1 Tausta Pohjatietona seminaarityössä on ryhmän jäsenten aiemmin käydyt kurssit sekä harrastemielessä opitut tiedot. Tätä pohjatietoa on täydennetty kurssilla käytetyllä kirjalla sekä Internet-lähteillä. [1] Tämä seminaariraportti tarjoaa hyvin kattavan ja johdonmukaisesti jäsennellyn tietopaketin tietokoneen muisteista tavalliselle kuluttajalle sekä hieman vaativammalle harrastajallekin. 1.2 Tavoitteet ja rajaukset Tämän raportin tavoitteena on perehdyttää lukija tietokoneen eri muistityyppeihin. Tarkastelun lähtökohtana käytetään muistihierarkian mallia ja raportissa esitellään eri muistityyppejä käyttötarkoituksen mukaan. Tulevaisuuden näkökulmassa on pyritty seuraamaan tämän hetken trendejä. Työ on rajattu kuluttajan näkökulmaan muisteista, ja tarkastelussa on keskitytty siihen, miten eri muistityypit tallentavat bittejä. 1.3 Työn rakenne Ensimmäisessä luvussa esitellään muistihierarkian tarkoitus. Luvussa käydään läpi, millä edellytyksin käyttöjärjestelmä käyttää muistia tehokkaasti. Toisessa luvussa tutustutaan prosessorin välimuisteissa ja keskusmuisteissa käytettäviin tekniikoihin. Luvussa kolme käsitellään erilaisia massamuisteja ja optisia medioita. Neljäs luku kertoo muistien tulevaisuuden näkymistä. 3

2 TIETOKONEEN MUISTI 2.1 Muisti käyttöjärjestelmän näkökulmasta 2.1.1 Muistihierarkia Tietokoneen tehokkaan toiminnan kannalta muistissa on olennaista sen määrä ja nopeus. Muistin tulisi myös hinnaltaan olla sopusuhteessa muiden komponenttien kanssa. Maksimaalisen nopeuden saavuttamiseksi muistin pitäisi pysyä suorittimen vauhdissa mukana. Olisi siis toivottavaa, että suoritin ei joutuisi suoritettavien käskyjen välissä pysähtymään ja odottamaan muistista luettavia käskyjä ja informaatiota. Muistin suuri nopeus, suuri kapasiteetti ja edullinen hinta ovat keskenään ristiriitaisia ominaisuuksia, joten niiden suhteen joudutaan aina tekemään kompromisseja. Ristiriita on pyritty ratkaisemaan muistihierarkian avullla. Hierarkiassa ylimpänä on kallis, vähäkapasiteettinen ja nopea muisti, kuten suorittimen rekisterit, välimuisti ja keskusmuisti. Alempana on edullisempi, kapasiteetiltaan suurempi, ja hitaampi massamuisti, kuten kiintolevyt, CD-levyt, jne. Alimmassa kerroksessa on kapasiteetiltaan suurin, edullisin ja hitain ulkoinen massamuisti. Mitä ylemmällä tasolla muistihierarkiassa liikutaan, sitä tehokkaammin koko järjestelmä toimii. Käyttöjärjestelmä pyrkii siksi pitämään useimmin käytetyn datan nopeassa muistissa ja vähemmän käytetyn hitaammassa muistissa. Ohjelman suorituksen aikana muistiviittaukset ovat usein tiiviissä ryppäissä. Tyypillisessä ohjelmassa on silmukkarakenteita ja aliohjelmia, joissa jatkuvasti viitataan samaan pieneen käskyjen sarjaan, ja taulukkoja, joiden viittaamat tavut ovat samassa ryppäässä. Ajan myötä käytössä olevat ryppäät vaihtuvat, mutta lyhyiden jaksojen aikana suoritin käyttää yhtä pientä muistiviittausten joukkoa. Optimaalisessa tilanteessa suurin osa muistiviittauksista tapahtuu suorittimen välimuistissa. 4

. Kuva 1. Muistihierarkia. [2] 2.1.2 Välimuisti Jokaisen käskyjakson yhteydessä suoritin viittaa muistiin ainakin kerran hakiessaan käskyn, ja mahdollisesti vielä useita kertoja hakiessa operandeja ja tallentaessa dataa. Muistin käskyjaksojen pituus, eli aika, joka muistilla kuluu yhden sanan lukemiseen tai kirjoittamiseen, rajoittaa nopeutta, jolla suoritin voi suorittaa käskyjä. Muistin ja suorittimen nopeusero on jatkuvasti kasvava ongelma, koska suorittimien nopeus on vuosien myötä kasvanut selvästi nopeammin kuin muistien nopeus. Ongelma on pyritty ratkaisemaan suorittimen ja keskusmuistin välissä toimivan välimuistin avulla. Välimuistin on tarkoitus taata muistiviittausnopeus, joka on lähellä suorittimien rekisterien nopeutta, ja samalla mahdollistaa suuri muistikapasiteetti kohtuuhintaan. Välimuisti sisältää kopion jostain suuremman ja hitaamman keskusmuistin osasta. Kun suoritin yrittää lukea sanan tai tavun muistista, se etsii sitä ensin välimuistista. Ja luettava sana löytyy välimuistista, se voidaan välittää suoraan suorittimelle. Jos ei löydy, kyseisen sanan 5

sisältävä alue luetaan keskusmuistista välimuistiin, ja sitä kautta suorittimelle. Välimuistiin siirretään keskusmuistista usein suurempi alue, kuin juuri sillä hetkellä tarvitaan, koska on todennäköistä että seuraavat muistiviittaukset tapahtuvat samalla muistialueella. [1] 2.2 Random Access Memory 2.2.1 Toimintaperiaate RAM (Random Access Memory) on yleisin tietokoneiden keskusmuistina käytetty muistityyppi. RAM-muistissa mihin tahansa muistiosoitteeseen voidaan viitata suoraan ja vakioaikaisesti. RAM-muistin vastakohta on SAM (Sequental Access Memory), jossa muistiosoitteisiin voidaan viitata vain sarjassa, eli peräkkäin. SAM-muistin ongelmana on luku -ja kirjoituspään siirtelystä johtuva hitaus, varsinkin jos käytettävä tieto on pirstoutunut palasiksi muistin eri osiin. [3] 2.2.2 Välimuistit ja prosessorin rekisteri SRAM (Static Random Access Memory) muistia käytetään nopeutensa takia prosessorien rekistereissä, välimuisteissa sekä puskurimuistina esimerkiksi näytönohjaimissa. Kuvassa 2 on esitelty SRAM-kiikkupiiri, joka on tavallisesti toteutettu kuudella transistorilla. SRAMmuistikennolla on sellainen fyysinen ominaisuus, että sen yhden bitin tilan tallentava kiikkupiiri säilyttää tilansa niin kauan, kunnes sen tilaa muutetaan tai käyttöjännite kytketään pois päältä. SRAM-muistin nopeus perustuu siihen, että sähkö kulkee piirin sisällä joko yhteen suuntaan tai toiseen (0 tai 1 bitti). Bitin voi lukea suoraan piiriltä, eikä tarvitse odottaa kondensaattorin täyttymistä tai tyhjentymistä. [4] 2.2.3 Muistiohjain prosessorin apuna Kun siirrytään prosessorin rekistereistä ja välimuisteista hierarkiassa seuraavaan luokkaan, keskusmuistiin, tulee prosessorin ja keskusmuistin väliin muistiohjain. Nykyisissä järjestelmissä tämä on toteutettu joko prosessoriin integroidulla muistiohjaimella tai 6

vanhemmissa järjestelmissä emolevyn piirisarjassa sijaitsevalla muistiohjaimella. Kun muistiohjain on sijoitettuna prosessorin sisälle, lyhentää tämä viivettä datan saamisessa keskusmuistista. Voidaan ajatella välikäden olevan poissa ja näin prosessorin toiminta nopeutuu. Aikaisemmin järjestelmät toteutettiin erillisellä muistiohjaimella, jolloin prosessorivalmistajat eivät ottaneet kantaa muistiteknologian kehitykseen. [5] Kuva 2. Kiikkupiiri. [4] 2.2.4 Keskusmuisti Mikroprosessorin tavoin RAM-muistipiiri on mikropiiri, joka koostuu transistoreista ja kondensaattoreista. Tyypillisimmässä tapauksessa - DRAM (Dynamic Random Access Memory) - transistori ja kondensaattori muodostavat parin, joka esittää yhtä bittiä (0 tai 1). Kondensaattori pitää bitin sisältämän informaation tallessa, ja transistori toimii vaihteena, 7

jonka kautta muistimoduulin ohjauspiiri voi lukea bitin arvon tai muuttaa sitä. Jos kondensaattori on varattu, bitin arvo on 1, muuten 0. Kondensaattori menettää varauksensa muutamassa millisekunnissa, joten joko tietokoneen suorittimen tai muistiohjaimen täytyy jatkuvasti virkistää varatut kondensaattorit. Virkistys tapahtuu siten, että muistiohjain lukee solun ja kirjoittaa tämän välittömästi uudestaan. Yleensä virkistäminen tehdään tuhansia kertoja sekunnissa. [3] DRAM-muistista on kehitetty eri tyyppejä. SDRAM-muisti (Synchronous DRAM) on synkronoitu kellosignaaliin eli muistiväylän kellotaajuuteen. Tämä ominaisuus mahdollistaa paremman liukuhihnoittamisen, joka johtaa nopeampaan datasiirtoon peräkkäisistä muistipaikoista. DRAM-muistin tapaan myös SDRAM täytyy virkistää säännöllisesti. Hakuajat ovat myös synkronoituja kellosignaaliin, joten tässä muistityypissä ei enää ilmoiteta hakuaikoja nanosekunteina vaan kellojaksojen lukumääränä. Tämä ei välttämättä nopeuta hakuaikaa, sillä täytyy aina odottaa kellojakson reunaa, ennen kuin voidaan antaa komentoja. Toisaalta taajuutta nostamalla saadaan kellojaksoa lyhyemmäksi, jolloin hakuajat nopeutuvat. Tämä ilmenee SDRAM-muistin kehityksessä paremmin. [6] DDR (Double Data Rate), sekä kehittyneemmät DDR2 -ja DDR3-muistit ovat toiminnaltaan hyvin samanlaisia kuin SDRAM-muisti. DDR SDRAM -muisteissa dataa kuitenkin siirretään sekä nousevalla että laskevalla kellopulssilla. SDRAM-muistiin verrattuna itse datan siirto siis kaksinkertaistuu. DDR SDRAM kaksinkertaistaa ainoastaan datan siirtämisen taajuutta, eikä varsinaista väylän kellotaajuutta. Tämä ei siis vaikuta osoitetietojen ja SDRAM-muistista aiheutuvien hakuaikojen viiveisiin. [7] DDR-tekniikan kehitys puolestaan on keskittynyt muistimoduulin kellotaajuuden nostamiseen, pienempään tehonkulutukseen sekä esihakupuskurin kasvattamiseen. Esihakupuskurin koon kasvattaminen on samalla kasvattanut kellotaajuutta, jolloin muistin kaistanleveys on suurempi. Käytännössä enemmän bittejä liikkuu samassa ajassa (DDR 2bittiä, DDR2 4bittiä, DDR3 8 bittiä). Tämä mahdollistaa muistin sisäisen taajuuden pienentämisen saman siirtonopeuden saavuttamiseksi, jolloin muistin sisäinen taajuus ei asetu rajoittavaksi tekijäksi muistin siirtonopeuden kannalta. Näin sisäinen taajuus voi olla 8

huomattavasti pienempi kuin muistiväylän kellotaajuus. Koska tällä menetelmällä voidaan nostaa väylän taajuutta aina verrattuna edelliseen DDR-versioon, niin tiedonsiirron nopeutuessa myös hakuajat nopeutuvat, vaikka muistien latenssiarvot kasvavat. DDR2 -ja DDR3 -tekniikan kehitystä esihakupuskurissa ja kellotaajuuksissa on nähtävissä kuvassa 3. DDR-muisteissa kehittyneemmällä valmistusprosessilla on saatu aikaiseksi pienempää tehonkulutusta. Tämä puolestaan johtaa suoraan muistien alhaisempiin käyttöjännitteisiin (DDR > DDR2 > DDR3). [7][8] Kuva 3. DDR taajuusvertailu. [8] 9

2.3 Sequential Access Memory 2.3.1 Toimintaperiaate SAM-muisti (Sequential Access Memory) on tietojentallennuslaite, josta data luetaan sarjassa, toisin kuin RAM:ssa, jossa dataa voidaan käsitellä missä tahansa järjestyksessä. SAM-laitteet ovat yleensä magneettisia muisteja. Vaikka SAM-muisteja luetaan sarjassa, niitä voidaan silti avata mielivaltaisissa pisteissä etsimällä haluttua pistettä. Tämä operaatio on kuitenkin usein melko tehoton. Magneettisia SAM-muisteja käytetään tyypillisesti toisarvoisena muistina yleiskäyttöisissä tietokoneissa, koska verrattuna RAMmuisteihin ne tarjoavat suuremman tiheyden halvemmalla hinnalla. Ne myös kestävät kulutusta ja ovat haihtumattomia. [9] 2.3.2 Kiintolevy Yleisesti kiintolevy on tietokoneeseen kiinteästi asennettu levymuisti, jota käytetään tietokoneen massamuistina. Siihen tallennetaan ohjelmat ja tiedostot. Se tallentaa tiedon yhden tai useamman pyörivän metalli- tai lasikiekon pinnalla olevaan materiaaliin, jossa tieto säilyy ilman tehonsyöttöä. Korvaavaksi massamuistiksi on yleistymässä SSDpuolijohdelevy (Solid State Drive). Kiintolevyn kiekoille tieto tallentuu magneettisesti. Kirjoitettu tieto kirjoitetaan bitti kerrallaan jonoihin, ympyränmuotoisille raidoille tai urille. Magneettikenttiin tallennettu data saadaan muutettua sähköiseksi, kun lukupään ohi liikkuva magneettinen varaus indusoi siihen sähkövirran. Virran muutokset tulkataan signaaleiksi, jotka muutetaan ohjauselektroniikan avulla käyttökelpoiseen muotoon. Levyn tallennuskapasiteetti ilmoitetaan gigatavuina (GB tai Gt), tosin käyttöjärjestelmä yleensä ilmoittaa levyn kapasiteetin gibitavuina (GiB) eli kahden potensseina, jolloin gigatavu on 2^30 eli 1 073 741 824 tavua. 10

Kiintolevyn yleisimmät liitäntätavat ovat SATA (Serial Advanced Technology Attachment), IDE/ATA (Integrated Drive Electronics/Advanced Technology Attachment) ja SCSI (Small Computer System Interface). SCSI-väylä on palvelimissa ja ammattilaislaitteissa suosittu liitäntätyyppi. Liitäntä vaatii yleensä erillisen sovitin- tai ohjainkortin. Tämän vuoksi liitäntä ei kuormita koneen suoritinta yhtä paljon kuin muut liitäntätyypit. SATA on uusin liitäntätyypeistä. Tässä tiedonsiirto tapahtuu sarjamuodossa toisin kuin ATA:ssa, jossa tiedonsiirto on rinnakkaista. Erilaiset ulkoiset kiintolevyt voidaan liittää tietokoneeseen USB-, FireWire-, tai esata (External Serial Advanced Technology Attachment) liitännällä. Nykyään kiintolevyt ovat kooltaan 3,5 tuumaa. Niiden kapasiteetti vaihtelee 40 GB:n ja 3 TB:n (Terabyte) välillä ja näiden pyörimisnopeus 7 200 rpm 15 000 rpm (revolution per minute). Kannettavissa tietokoneissa on yleisesti 1,8 ja 2,5 tuuman kokoisia kiintolevyjä, jotka ovat tyypillisesti kapasiteetiltaan pienempiä (8 500 GB) kuin pöytäkoneiden vastaavat. Niiden pyörimisnopeus on myös pienempi (4200 7200 rpm) virrankulutuksen vähentämiseksi. [10] 2.3.3 SSD SSD on nopeasti kehittyvä teknologia. SSD-levyjen tallennuskapasiteetti ja tiedonsiirtonopeus nousevat jatkuvasti. SSD-massamuisti käyttää tiedon säilytykseen esimerkiksi flash-muistia, toisin kuin magneettisissa kiintolevyissä SSD-levyt eivät sisällä mekaanisia osia. SSD:llä on useita teknisiä etuja verrattuna perinteisiin kiintolevyihin. Näitä ovat huomattavasti lyhyempi hakuaika, nopeampi tiedonsiirto, vähäisempi virrankulutus, vähäinen lämmöntuotto ja täysin äänetön käyttö. SSD on usein myös kiintolevyä kevyempi ja kestää äärimmäisiä olosuhteita, kuten korkeita lämpötiloja, mekaanista rasitusta, tärinää ja iskuja. Kiintolevystä poiketen SSD-levy ei myöskään vaadi eheyttämistä. Uusien SSD-laitteiden tekniikka perustuu NAND-flash:iin (Not AND), joka mahdollistaa suuremman kirjoitusnopeuden kuin aiemmissa muistitikuissa ja muistikorteissa. [10][11] 11

2.3.4 Flash Flash-muisti on puolijohdemuisti, joka voidaan sähköisesti tyhjentää ja uudelleen ohjelmoida. Se on haihtumaton muistityyppi. Se ei siis tarvitse virtaa pitääkseen datan muistissa. Flash-muistissa ei ole liikkuvia mekaanisia osia, joten se on käytettäessä äänetön. Flash-muisti tarjoaa nopean lukunopeuden ja paremman tärähdyskestävyyden kuin perinteinen kiintolevy. Muistitikut, joissa käytetään Flash-muistia ovat myös erittäin kestäviä. Ne kestävät mm. kovaa painetta, äärimmäisiä lämpötiloja, ja jopa veteen upottamista. Flash-muisteja käytetään yleensä laitteissa, joilta vaaditaan pientä kokoa, keveyttä ja vähäistä virrankulutusta, kuten kannettavissa musiikkisoittimissa, matkapuhelimissa, digitaalikameroissa ja muistitikuissa. Sitä käytetään myös uusissa tietokoneissa SSDmassamuistina. Yksi bitin tilan tallentava muistialkio koostuu kahdesta portista, joiden välillä on ohut oksidikerros. Kun tähän kerrokseen kytketään negatiivinen varaus, porttien kytkentä häiriintyy, ja muistialkio saa arvon 0. Vastaavasti, kun portit ovat kytkettyinä, arvoksi tulee 1. [11][12] 2.3.5 Optinen media Optiset mediat kehittyivät huimasti 1980-luvulla kun CD (Compact Disc) saapui markkinoille. Se kehitettiin alun perin äänen tallennusta varten. CD:lle voidaan kirjoittaa tietokoneella käytettävää binääridataa tai ääntä, kuten musiikkia. Standardi CD-levyn pohja on valmistettu 1,2 mm paksuisesta ruiskuvaletusta polykarbonaattilevystä, joka on päällystetty ohuella alumiinikerroksella. Alumiinin päällä on suojaava lakkakerros, johon voidaan myös painaa levyn etiketin, tyypillisesti silkkipaino- tai offset-menetelmällä. CD:tä tehdään useissa eri koissa. Ulkoisesti yleisin koko on halkaisialtaan 120mm, joka mahdollistaa 74-79 minuutin tallennustilan äänelle ja 650-900 megatavun tilan datalle. 12

CD:lle tieto tallennetaan spiraalimaiseen nystyräjonoon, joko kiertää levyn sisäreunasta ulkoreunaan. Urassa on noin 125nm korkuisia ja 500nm levyisiä kohoumia, joihin tieto tallennetaan binäärisenä eli nollina ja ykkösinä. Nystyröistä tieto luetaan 780nm puolijohdelaserilla pohjalla olevan polykarbonaattikerroksenläpi. Korkeusero aiheuttaa nystyrästä ja sitä ympäröivästä levystä heijastusten säteiden välille vaihe-eron, jonka CDaseman elektroniikka havaitsee. Levyn luku perustuu vakionopeudella tapahtuvaan heijastusmuutoksen tunnistukseen. Eli kunkin nystyrän alku ja loppureuna edustaa ykköstä. Harjanteessa lukusäteen heijastus on huono, tasaisella osuudella heijastus on suuri, näiden kestot edustavat nollia aikajanalla. Nystyrän tai tasangon pituus. [13][14] DVD-levy (Digital Versatile Disc) on vuonna 1995 kehitetty optinen tallennusmedia, joka on tarkoitettu CD-levyn seuraajaksi. DVD:tä käytetään laajasti video-, ääni- ja ohjelmistomarkkinoilla sekä tiedon varmuuskopiointiin. DVD on ulkoisesti samankokoinen kuin CD. DVD on myös rakenteellisesti hyvin samankaltainen, tosin sen tallennus kapasiteetti vaihtelee 4,38-15,9 gigatavun välillä. DVD käyttää 650nm:n aallonpituista laserdiodivaloa toisin kuin CD, joka käyttää 780 nm:n valoa. Tämä mahdollistaa pienemmän kuopan verrattuna CD:een (0,74 µm DVD vs 1,6 µm CD), jolloin saadaan myös laajempi tallennuskapasiteetti. DVD:n tallennuskapasiteetti riippuu montako kerrosta/puolta se sisältää. [15][16][17] Blu-ray-levy on uusimman sukupolven optinen levyformaatti. Formaatti kehitettiin teräväpiirtovideon toistoon ja suurien datamäärien tallennukseen. Blu-ray-levyissä käytetään 405nm (vs 650nm DVD) pituista sinistä laseria. Vaikka laseria sanotaan siniseksi, se on todellisuudessa violetti. Tämä lyhyempi aallonpituus mahdollistaa sen, että levylle voidaan tallentaa enemmän dataa kuin nykyisille DVD- ja CD-levyille. Blu-raylevyn tallennuskapasiteetti vaihtelee 25 ja 50 gigatavusta 100 gigatavuun, riippuen onko levy yksipuolinen ja yksikerroksinen tai kaksikerroksinen tai jopa neljäkerroksinen. Bluray ei tosin ollut ensimmäinen uudensukupolven optinen media. HDDVD oli ensimmäinen, mutta hävisi formaattitaistelun Blu-raylle vuonna 2008. Tämä johtui suuresti Playstation 3 -Blu-ray -soittimesta ja sen suuresta suosiosta. [18][19][20] 13

2.4 Tulevaisuus 2.4.1 Kehityssuunta On mahdotonta sanoa mitä keskusmuistin kehitys oikein tuottaa, mutta nykyisten trendien mukaan voidaan päätellä minkälaisia uudistuksia voisi mahdollisesti tulla seuraavien vuosien aikana. Muistin kehitys kulkee rinnan kysynnän kanssa ja kysyntää on pääasiassa kolmelle eri ominaisuudelle: muistin luku- ja kirjoitusnopeus, muistin suurempi kapasiteetti sekä muistin alhaisempi virrankulutus. Tavallisimmat keskusmuistityypit keskittyvät muistin nopeuteen ja kasvattavat hiljalleen kapasiteettia, mutta eivät mahdollisesti ajattele virrankulutusta. Esimerkkinä tällaisesta on uudet DDR4-muistit, joiden kellotaajuudet nousevat sekä nostavat sähkönkulutusta tätäkin enemmän. [21] Koska yleisimmät keskusmuistit tarvitsevat jatkuvan virran pitääkseen sisältönsä muistissa on kehitelty erilaisia pysyväismuisteja, NVRAM (Non-volatile RAM), joiden sisältö ei tyhjene virransaannin loputtua. Flash-muisti on yleisin pysyväismuisti muoto, mutta kehitteillä on erilaisia RAM-muotoja. [22] Flash-muisteilla voidaan saada suuria kapasiteetteja, sekä virrankulutus on pientä. Flashmuistille on kysyntää paljon ja tämä vienyt kiinnostusta muista NVRAM-tekniikoiden kehityksestä. [12] Esimerkkinä on pientä virrankulutusta tarvitseville palvelinfarmeille suunniteltu EcoRAM. Muistin kehitti Flash-muisteja tekevä Spansion. [23] Tällä hetkellä tunnetuimpia kehitteillä olevia NVRAM-muotoja ovat FeRAM (Ferroelectric RAM), MRAM (Magnetoresistive RAM), PRAM (Phase-change memory) sekä Nano-RAM. 2.4.2 NVRAM FeRAM käyttää ferrosähköistä kerrosta, tavallisen dielektrisen aineen sijasta, saavuttaakseen muistin pysyväisyyden. FeRAM:n huonot puolet ovat pienet muistitiheydet Flash-muistiin verrattuna, kapasiteetin rajoitukset ja korkea hinta. [24] MRAM käyttää 14

magneettisia elementtejä sisällön tallentamiseen sähköjännitteen tai sähkövirran sijasta. Tämän ajatellaan olevan mahdollisesti tulevaisuudessa käytettävä tekniikka. [25] MRAM:iin on kehitetty eri tekniikoita: Thermal Assisted Switching, jossa magneettisia tunnelointielementtejä lämmitetään kirjoitustilan käyttöön. [26] Spin Transfer Switching, jossa magneettisen materiaalin läpi syötetään elektronivirta ja magneettien avulla elektronit polarisoidaan samansuuntaisiksi. [27] PRAM käyttää erityisen lasin ominaisuutta vaihtaa olomuotoaan kiteisen ja amorfisen välillä lämmön avulla. [28] Nano-RAM käyttää nimensä mukaan nanoputkista rakennettuja soluja. [29] 15

3 YHTEENVETO Tutkittava aihe oli rajattu kolmeen osaan tietokoneen muistihierarkia, erilaiset muistityypit, ja muisti tulevaisuudessa. Muistihierarkiassa tietokoneen muistityypit esitetään päällekkäisinä kerroksina vasteajan ja kapasiteetin mukaan järjestettyinä. Ylimpänä hierarkiassa ovat nopeat, valmistuskustannuksiltaan kalliit, ja kapasiteetiltaan pienet suorittimen rekisterit ja välimuisti, ja niiden alapuolella hitaampi, edullisempi ja suurikapasiteettinen keskusmuisti ja massamuistit. Optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi nopeimmassa muistissa pyritään aina pitämään sitä osaa tiedosta, jota todennäköisimmin pian tarvitaan, ja hitaan muistin käyttö pyritään minimoimaan. Nopeusero suorittimen ja keskusmuistin välillä kasvaa jatkuvasti, joten välimuistin tehokas käyttö tulee myös kasvattamaan merkitystään tulevaisuudessa. RAM (Random Access Memory) on yleisin tietokoneiden keskusmuistina käytetty muistityyppi. RAM-muistissa mihin tahansa muistiosoitteeseen voidaan viitata suoraan ja vakioaikaisesti, toisin kuin SAM-muistissa (Sequental Access Memory), jonka soluihin viitataan sarjassa. Useimpien RAM-muistien ongelmana on kondensaattoreiden jatkuvasta virkistämisestä (varauksen säilyttämisestä) johtuva suuri virrankulutus. Magneettisia SAMmuisteja käytetään lähinnä tietokoneen massamuistina, koska verrattuna RAM-muisteihin ne tarjoavat suuremman tiheyden halvemmalla hinnalla, ja kestävät hyvin kulutusta. Tulevaisuudessa kysyntää tulee olemaan muistin nykyistä suuremmalle nopeudella ja kapasiteetille, sekä pienemmälle virrankulutukselle. Keskusmuistina käytettävien DDRmuistien (Double Data Rate) väylätaajuudet tulevat nousemaan uusien suorittimien vaatimusten mukaan. On myös kehitetty pysyväismuisteja, joiden sisältö ei tyhjene virransaannin loputtua. Yleisen näistä on Flash-muisti, jossa yhdistyvät suuri kapasiteetti ja pieni virrankulutus. 16

LÄHTEET 1. Stallings, W., Operating Systems: Internals and Design Principles, 5th edition, Prentice Hall, USA, 2005. 2. Hyde, R., The Art of Assembly Language, 1st edition, No Starch Press, USA, 2003, http://webster.cs.ucr.edu/aoa/windows/html/memoryarchitecture.html 3. Tyson, J., Coustan D., How RAM Works, http://www.howstuffworks.com/ram.htm 4. Static RAM, http://www.zdnet.com/topics/static+ram 5. Integrated Memory Controller, http://starredreviews.com/integrated-memorycontroller/3200/ 6. DRAM, http://fi.wikipedia.org/wiki/dram 7. Leng, R.J., The Secrets of PC Memory: Part 3, http://www.bittech.net/hardware/memory/2008/02/08/the_secrets_of_pc_memory_part_3/ 8. Leng, R.J., The Secrets of PC Memory: Part 4, http://www.bittech.net/hardware/memory/2008/02/10/the_secrets_of_pc_memory_part_4/ 9. Sequential access memory, http://en.wikipedia.org/wiki/sequential_access_memory 10. Kiintolevy, http://fi.wikipedia.org/wiki/kiintolevy 11. Flash-muisti, http://fi.wikipedia.org/wiki/flash-muisti 12. Flash memory, http://en.wikipedia.org/wiki/flash_memory 13. CD-levy, http://fi.wikipedia.org/wiki/cd-levy 14. CD Information, http://www.cd-info.com/cd/ 15. DVD, http://fi.wikipedia.org/wiki/dvd 16. DVD Information, http://www.cd-info.com/dvd/ 17. DVD, http://en.wikipedia.org/wiki/dvd 18. Blu-ray, http://fi.wikipedia.org/wiki/blu-ray 19. Blu-ray Disc, http://en.wikipedia.org/wiki/blu-ray_disc 20. Blu-ray Disc, http://www.blu-ray.com/info/ 17

21. Richard Swinburne, DDR4: What we can expect, http://www.bittech.net/hardware/memory/20no Starch Press, USA, 2003.10/08/26/ddr4-what-wecan-expect/ 22. Non-volatile Random Access Memory, en.wikipedia.org/nvram 23. Heather Clancy, News on flash: EcoRAM held up as less power-hungry option than DRAM for server farms, www.zdnet.com/blog/green/news-on-flash-ecoram-heldup-as-less-power-hungry-option-than -dram-for-server-farms/1165 24. Sheikholeslami, A., Gulak, P.G., A Survey of Circuit Innovations in Ferroelectric Random-Access Memories, http://www.eecg.toronto.edu/~ali/papers/survey_proc.pdf 25. Genuth, I., Fresco-Cohen, L., MRAM The Birth of the Super Memory, thefutureofthings.com/articles.php?itemid=36/59/ 26. Prejbeanu, I.L., Kerekes, M., Sousa, R.C., Sibuet, H., Redon, O., Dieny, B., Noziµeres, J.P., Thermally assisted MRAM, http://www.crocustechnology.com/pdf/prejbeanu_jpcm_special_issue_revised.pdf 27. Spin Transfer Switching, http://en.wikipedia.org/spin_transfer_switching 28. Jamshid, Numonyx, Phase Change Memory 101 (video), http://www.numonyx.com/en-us/community/techtalk/pages/videodetail.aspx? ContentId=1 29. Nantero, NRAM, http://www.nantero.com/mission.html 18