W poprzednim odcinku tego cyklu („Rzecz o Historii", 1 października 2021 r.) pisałem o pamięciach masowych dla komputerów wykorzystujących wirujące dyski – twarde albo elastyczne. Jednak wszystkie urządzenia, w których poza elektroniką występują urządzenia mechaniczne (w tym przypadku napędy konieczne do kręcenia dyskami), są z natury zawodne. Mechanika psuje się nieporównanie częściej i nieporównanie łatwiej niż elektronika. Dlatego prawdziwym przełomem w dziejach informatyki było wprowadzenie pamięci masowych czysto elektronicznych, bez żadnych ruchomych elementów.

NOR i NAND jako cegiełki budujące elektroniczną pamięć

O układach elektronicznych zapamiętujących dane i programy w komputerach była mowa w siódmym felietonie tego cyklu („Rzecz o Historii", 3 września 2021 r.). Pisałem wtedy o tym, że pamięci półprzewodnikowe wprowadziła pod koniec lat 60. firma Intel, która produkowała je w dwóch wariantach: ROM, czyli pamięci, w których tylko raz można było zapisać informację, ale za to po zapisaniu była ona utrwalona na zawsze, także w przypadku, gdy moduł ROM był odłączony od zasilania, oraz pamięci RAM, w której można było dowolnie często zapisywać i kasować nowe informacje, ale która traciła swoją zawartość, gdy chociaż na chwilę znikało napięcie zasilające.

Prawdziwa rewolucja nastąpiła w momencie, gdy pamięć typu flash połączono ze złączem USB, wytwarzając tani, poręczny i powszechnie stosowany nośnik pamięci masowej – pendrive.

Nie ulegało wątpliwości, że ani ROM, ani RAM nie mogły pracować jako pamięć masowa komputera. Na pomysł pamięci półprzewodnikowej o wymaganych właściwościach wpadł Fujio Masuoka, pracownik firmy Toshiba. Skonstruował na bazie tranzystorów o skomplikowanej nazwie (tranzystor polowy metal-tlenek i półprzewodnik z pływającą bramką, FGMOS) pierwszą pamięć łączącą zalety RAM i ROM. Była to pamięć trwała, niewymagająca zasilania do utrzymania zapisanych informacji, ale z możliwością wielokrotnego zapisywania nowych danych w miejsce wymazywanych starych. Kluczowym elementem był właśnie proces wymazywania starych informacji w celu zapisania nowych. Nazwa flash dla tej pamięci nadana została przez współpracownika Masuoki, Sh?jiego Ariizumiego, bo proces wymazywania starej zawartości z pamięci skojarzył mu się z błyskiem lampy błyskowej.

Czytaj więcej

W 1950 r. komputer Whirlwind I został stworzony przez zespół naukowców Massachusetts Institute of Te
Jak nauczyliśmy maszyny liczyć i myśleć za nas? Część 7

Fujio Masuoka opracował koncepcję swojej pamięci, najpierw korzystając z funktorów NOR (w 1884 r.), a potem przedstawił pamięć flash zbudowaną z funktorów NAND (w 1987 r.). Nie chcę tu zakłócać opowieści o historii wyjaśnieniami na temat tego, czym są te funktory, na razie przyjmijmy więc, że są to po prostu układy elektroniczne, które mogą posłużyć jako „cegiełki" budujące elektroniczną pamięć. Gdyby jednak ktoś z Państwa czuł w tym momencie niedosyt i chciał się dowiedzieć więcej o tych funktorach, to informuję, że na końcu felietonu zamieściłem obszerny przypis, który wyjaśnia wszystko od podszewki. Ale to tylko dla ciekawskich i ambitnych!

Koncepcja USB i wysyp pendrive'ów

Macierzysta firma wynalazcy, Toshiba, wprowadziła pamięci typu NAND do produkcji w 1987 r. po ich prezentacji przez Fujio Masuokę na konferencji IEEE 1987 International Electron Devices Meeting (IEDM), która odbyła się w San Francisco. Wynalazkiem zainteresował się też Intel, największy producent pamięci półprzewodnikowych, który w 1988 r. udostępnił zbudowaną u siebie (ale według koncepcji Fujio Masuoki) pamięć flash NOR. Słabym punktem obu tych produktów było trudne dołączanie tych półprzewodnikowych pamięci do struktur istniejących komputerów. Dopiero w 1995 r. firma Toshiba zaproponowała rozwiązanie w postaci karty SmartMedia używanej w cyfrowych odtwarzaczach audio i w aparatach fotograficznych, a potem pojawiły się dalsze rozwiązania, w szczególności karty SD (Secure Digital) opracowane w 1999 r. i w udoskonalonej wersji eksploatowane do dzisiaj.

Czytaj więcej

Wyświetlacz i klawiatura komputera modułu dowodzenia zamontowane na panelu głównym statku Apollo. Po
Jak nauczyliśmy maszyny liczyć i myśleć za nas?

Ale prawdziwa rewolucja nastąpiła w momencie, gdy pamięć typu flash połączono ze złączem USB, wytwarzając tani, poręczny i powszechnie stosowany nośnik pamięci masowej – pendrive. Dzisiaj używamy go wszyscy, warto więc zatrzymać na chwilę uwagę na jego historii.

Zaczęło się od bijatyki, bo urządzenie typu pendrive zgłoszono do opatentowania kilka razy i z punktu widzenia prawnego nie wiadomo, komu przysługuje prawo własności intelektualnej do tego wynalazku. 5 kwietnia 1999 r. Amir Ban, Dov Morani i Oron Ogdan z izraelskiej firmy M-Systems złożyli wniosek patentowy zatytułowany „Architektura dysku flash opartego na uniwersalnej magistrali szeregowej". Patent został przyznany 14 listopada 2000 r. i osoby te były często uznawane za wynalazców pendrive'a. Ale okazało się, że w 1999 r. wniosek patentowy na podobną konstrukcję zgłosił także Shimon Shmueli, inżynier IBM. Zaczęły się procesy sądowe o prawa własności intelektualnej tego wynalazku. Żaden z toczących się procesów nie przyniósł zadowalającego rozwiązania, nikt nie mógł więc zmonopolizować produkcji pendrive'a. Nie czekając na ustalenie wynalazcy, singapurska firma Trek 2000 International w 1999 r. postawiła wszystkich przed faktem dokonanym i zaczęła sprzedawać urządzenia złożone z pamięci flash i złącza USB, które cieszyły się dość dużym powodzeniem, chociaż miały tylko 5 MB pojemności. Ale nikt nie miał praw wyłącznych do tego wynalazku, dlatego firmy musiały rywalizować jakością i ceną – z wielką korzyścią dla klientów, bo prowadziło to do szybkiego pojawiania się coraz lepszych i coraz tańszych rozwiązań. W 2000 r. powstał standard USB 2.0, a obecnie stosowane są pendrive'y USB trzeciej generacji (USB 3.0) – zostały wprowadzone w 2008 r. Mają one pojemność kilkudziesięciu GB (10 tys. razy większą niż ich pierwsze wersje z 1999 r.) i mogą przesyłać dane z oraz do komputera z szybkością 600 MB/s.

Niby zwykła wtyczka

Opisując wyżej historię powstania bardzo praktycznego nośnika pamięci masowej, jakim w XXI wieku stał się pendrive, wspomniałem, że kluczowym było połączenie pamięci typu flash ze złączem USB. Pamięć to niesłychanie skomplikowany układ elektroniczny, wytwarzany z pomocą zaawansowanej technologii układów scalonych wielkiej skali integracji. Natomiast USB to (pozornie) tylko wtyczka, dzięki której tę mądrą pamięć można dołączyć do komputera (lub do innego odbiornika informacji).

Wersja USB 1.0 miała spore wady, dlatego prawdziwy rozwój użytkowania tego złącza nastąpił dopiero w momencie wprowadzenia w 1998 r. ulepszonej wersji USB 1.1, określanej jako Full Speed.

Tymczasem wynalazek USB (nazwa pochodzi od specyfikacji Universal Serial Bus, czyli uniwersalnej magistrali szeregowej) był doniosłym krokiem w dziejach standaryzacji przesyłania informacji pomiędzy różnymi urządzeniami cyfrowymi. Przedtem każda firma wymyślała własny format wtyczek, własne definicje sygnałów i własne poziomy napięć, dlatego nic do niczego nie pasowało. Mając jedno urządzenie jakiejś firmy, wszystkie następne trzeba było kupować w tej samej firmie, bo inne nie współpracowały. Próbując zapanować nad tą „informatyczną wieżą Babel", w 1994 r. grupa siedmiu firm (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC i Nortel) rozpoczęła pracę nad wspólnym standardem USB. Zamierzenia były takie, że różne urządzenia przyłączane do komputera przez to złącze powinny się same z tym komputerem „dogadywać" na zasadzie „plug and play" – użytkownik wkładał wtyczkę i wszystko miało działać bez żadnych dalszych starań.

Schemat budowy pendrive’a: 1) wtyk USB, 2) kontroler pamięci, 3) styki serwisowe, 4) kość pamięci fl

Schemat budowy pendrive’a: 1) wtyk USB, 2) kontroler pamięci, 3) styki serwisowe, 4) kość pamięci flash, 5) rezonator kwarcowy 6) dioda LED określająca tryb pracy, 7) blokada zapisu, 8) miejsce na dodatkową kość pamięci

Samulili/Wikimedia Commons

Żeby to osiągnąć, wtyczka musiała być inteligentna. Zadania stworzenia układu scalonego obsługującego transmisję sygnałów przez złącze USB podjął się Ajay Bhatt z firmy Intel. W 1995 r. odpowiedni chip był gotowy, a już w styczniu 1996 r. została ogłoszona oficjalna specyfikacja złącza USB określana potem jako USB 1.0. Przewidywała dwie różne szybkości transmisji danych: 1,5 Mbit/s i 12 Mbit/s. Pierwsza była przeznaczona do podłączania do komputera stosunkowo wolnych urządzeń (klawiatura, myszka), druga – głównie do zewnętrznych stacji dysków. Obsługę USB Microsoft włączył do systemu Windows 95 już w sierpniu 1996 r., a firma Apple w zapewniających jej sukces na rynku komputerach Macintosh usunęła wszystkie starsze złącza, pozostawiając tylko USB.

Czytaj więcej

4 września 1956 r. firma IBM pokazała pierwszy model pamięci o nazwie IBM 350. Miał on pojemność 5 M
Historia wynalazków Jak nauczyliśmy maszyny liczyć i myśleć za nas? Część 8: Taśmy magnetyczne i dyski

Jednak wersja USB 1.0 miała spore wady, dlatego prawdziwy rozwój użytkowania tego złącza nastąpił dopiero w momencie wprowadzenia w 1998 r. ulepszonej wersji USB 1.1, określanej jako Full Speed. Właśnie ta wersja złącza posłużyła do budowy pierwszych pendrive'ów. Dalszy rozwój kolejnych wersji USB i kolejnych generacji pendrive'ów został opisany wyżej.

Tylko dla ambitnych: przypis o NOR i NAND

Budując dowolne urządzenie cyfrowe (pamięć, procesor, łącze do internetu), elektronik zawsze posługuje się zasadami logiki matematycznej. Dlaczego właśnie logiki? Bo tak jest najprościej. Jak wiadomo, w komputerze są wyłącznie sygnały 1 i 0. Można je rozważać jako elementy liczb w systemie dwójkowym, ale wygodniej traktować je jako synonimy wartości logicznych: 1 to prawda, a 0 to fałsz. Każdy element komputera operuje na tych wartościach w sposób dający się opisać operatorami należącymi do logiki. Klasyczna logika, wywodząca się jeszcze z pism Arystotelesa, znała trzy operatory: negacji, alternatywy oraz koniunkcji. Problem polega na tym, że żaden z tych operatorów nie spełnia warunku funkcjonalnej pełności – to znaczy nie da się zbudować dowolnej (akurat potrzebnej) funkcji logicznej wyłącznie z samych negacji, samych alternatyw czy samych koniunkcji. Trzeba tworzyć konstrukcje wykorzystujące różne operatory, a to komplikuje konstrukcję i zwiększa koszty.

Na szczęście są operatory NOR i NAND. Z punktu widzenia logiki Arystotelesa są to operatory powstające przez złożenie dwóch operacji. W przypadku NOR najpierw wyznacza się wartość logiczną (prawda albo fałsz) alternatywy wszystkich danych wejściowych tego operatora, a potem wynik się neguje (jak z alternatywy wyszła prawda, to sygnalizuje się fałsz – i odwrotnie). W przypadku NAND najpierw wyznacza się koniunkcję danych wejściowych – a potem się ją neguje.

Czytaj więcej

K-202 – polski 16-bitowy minikomputer skonstruowany przez inżyniera Jacka Karpińskiego. Międzynarodo
Fakty i mity o K-202

Okazało się, że takie operatory, nieco dziwaczne z punktu widzenia zdroworozsądkowej logiki, są wprost nieocenione w elektronice. Fakt, że dowolnie złożone urządzenie (np. całą pamięć flash da się zrobić wyłącznie przy zastosowaniu jednego z tych operatorów – albo tylko NOR, albo tylko NAND) bardzo upraszcza technologię, Fujio Masuoka wykorzystał genialnie!

Autor jest profesorem AGH w Krakowie