引言
计算机内存储器用于存储数据，其数据可以由CPU直接读取。内存储器的出现和演进对计算机存储系统的发展具有重大意义，有效支撑了计算机处理能力的飞跃，从而促进了科技的快速发展。了解计算机存储系统的发展历程，能够更好地理解计算机和未来技术趋势，提高问题解决能力和技术创新能力。本文将就数字式电子计算机出现以后的计算机内存储器的发展历程予以介绍。
一、内存储器的出现
内存储器的出现是计算机发展历程中的一个重要里程碑。早期的计算机主要采用机械式存储器，如孔板、继电器等，这些存储器虽然可以存储数据，但速度较慢，容量较小，且易受到机械故障影响[1]。为了解决这些问题，从20世纪50年代开始，磁芯存储器作为最早的内存储器出现了，随着技术的不断发展，磁芯存储器被DRAM（动态随机存储器）、SRAM（静态随机存储器）等更加先进的内存储器技术所取代。到了现代，内存储器的种类和类型也变得非常多样化，如DDR SDRAM、GDDR、HBM、NVDIMM等，以满足不同应用需求。
二、内存储器的发展
1.磁芯存储器
1949年，美国贝尔实验室发明了第一款磁芯存储器。这款磁芯存储器采用了磁性材料和导体线圈相结合的方式来实现信息存储和读写，可以存储数百个二进制数字，并且具有存储稳定、容易操控等优势。1950～1960年代，IBM、等公司推出过几款商业化的磁芯存储器产品，是计算机内存的主流形式，对于计算机内存技术的发展起到了重要的推动作用。1970年代，随着集成电路技术的发展，磁芯存储器逐渐被半导体存储器所替代。
2.静态随机存储器（SRAM）
半导体存储器具有体积小、功耗低、速度快等特点，在计算机内存中占据了越来越重要的地位，之后出现的静态随机存储器、动态随机存储器、高带宽内存和非易失性内存等均属于半导体材质。
1960年，德州仪器公司开发出了第一款6位SRAM。这款SRAM能够以5毫秒的速度读取和写入数据[2]。1970年，Intel公司推出了第一款1K SRAM。这款SRAM采用了新的制造工艺，使其容量更大、速度更快，并降低了成本。它被广泛应用于计算机内存中。1980年代，CMOS技术的发展促进了SRAM的进一步发展，使SRAM具有更低的功耗、更高的集成度和更高的稳定性，因此SRAM更加适用于移动设备和其他低功耗应用程序。1990年代，SRAM的容量和性能得到了显著提升。SRAM的容量从几KB上升到几MB，并且速度也逐渐提高。这些变化促进了SRAM在计算机存储器中的使用，同时也为嵌入式系统、网络路由器和其他高速应用程序提供了基础。当代，SRAM在芯片设计、计算机内存和嵌入式系统等领域得到广泛应用。
3.动态随机存储器（DRAM）
1960年代末至1970年代初，IBM公司首次研究开发出了DRAM[3]。这时的DRAM使用的是单晶硅晶体管，采用“单元选通”方式进行读写操作。它比传统的磁芯存储器更加灵活，性价比更高，因此被广泛应用于计算机内存中。1980年代，DRAM得到了进一步的改进和发展。DRAM开始使用更小的电容器和更复杂的电路设计，从而可以实现更高的存储密度和更快的访问速度。DRAM还出现了多个变种，包括EDO DRAM和SDRAM等，这些技术使DRAM在计算机内存和其他领域中得到了广泛应用。1990年代至今，DRAM的发展重点转向了功耗和带宽方面。新的动态随机存储器技术，如DDR SDRAM、GDDR SDRAM和LPDDR SDRAM等，不仅具有更高的带宽、更快的速度和更低的功耗，而且还增加了一些新的特性，如高可靠性、ECC纠错等。当前，DRAM仍然是计算机内存中最常用的类型之一，并在其他领域得到广泛应用。
4.高带宽内存（HBM）
高带宽内存的设计基于3D堆叠技术，可以将多个芯片层叠在一起，形成高度集成的内存模组，并使用堆积技术使内存控制器直接连接到CPU或GPU，以实现更快的访问速度和更低的能耗。第一代高带宽内存于2013年发布，采用4个1GB DRAM卷积层，带宽高达128GB/s，功耗低，且集成度高、空间占用小；第二代高带宽内存于2015年发布，采用了8个2GB DRAM卷积层，带宽高达256GB/s，而且性能更加稳定和可靠。第三代高带宽内存目前还未发布，预计将采用更高容量和更高效率的DRAM卷积层，并具有更高的带宽和更低的功耗。
5.非易失性内存
非易失性内存（Non-Volatile Memory，NVM）是一种新型的内存技术，可以在断电情况下保持存储数据，具体包括闪存存储器、相变存储器、磁阻存储器、三维交叉点存储器和阻变存储器等。闪存存储器是最早的非易失性内存之一，由Intel公司于1988年首次开发出来[4]。它使用了电荷累积器来存储数据，可以在断电情况下保持数据，但写入速度比较慢。相变存储器是一种使用特殊材料（如硒化铟或锑等）作为存储介质的非易失性内存。它能够快速地进行读写操作并且具有高密度的存储能力，但其长期稳定性和可靠性仍然需要进一步研究和改进。磁阻存储器使用磁性材料作为存储介质，在读写过程中利用磁场来控制存储元件的状态。它具有快速的读写速度、高密度的存储能力和良好的长期稳定性，因此被广泛应用于硬盘驱动器和其他嵌入式系统。三维交叉点存储技术将多层非易失性内存交错在一起，形成三维结构，从而提高了内存的密度和容量，并且还可以减少能耗、增加读写速度。阻变存储器是一种使用氧化物材料作为存储介质的非易失性内存。它具有快速的读写速度、高密度的存储能力和优异的长期稳定性，因此被广泛应用于存储器和逻辑电路中。
结语
内存储器在发展过程中容量获得了飞速提升，从最初的KB级别到现在的TB甚至PB级别，内存储器的存取速度从微妙级别提升至纳秒级别，但是提升速度明显低于CPU中的寄存器，在一定程度上制约了CPU性能的发挥。此外，内存储器的功耗不断降低、类型不断丰富，未来还将不断发展和进步，为数字化时代的各种应用提供强大支撑。
另一方面，计算机存储系统的各部分的速度差异也越来越大，这严重制约了先进CPU性能的发挥，如何缩小存储系统各部分的性能鸿沟，将是计算机存储系统发展面临的重要课题。未来，新型存储介质（如纳米存储介质、光子存储介质和DNA存储介质等）和存储器级别处理器（Memory-Driven Computing，MDC）技术可能会提供较好的解决方案，促进计算机存储系统进一步发展。
参考文献
[1]李国庆，袁平，张金平。计算机内存技术发展综述。计算机工程与应用，2017,53(14):187-191。
[2]王宝庆，魏银星，李胜利等。DRAM存储技术的发展与趋势。计算机工程与设计，2017,38(8):1889-1894。
[3]张鹏飞，郭爱民。SDRAM的发展与趋势。电子设计工程，2018,26(24):109-112。
[4]林佳宝，杨梦诗。闪存技术的发展及其在存储系统中的应用。计算机科学，2018,45(4):81-84。
