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从上个世纪50年代的真空管、磁芯内存再到70年代初兴起的DRAM，计算机的内存技术经历了三次重大变迁。
在计算机系统中，内存占有极其重要的地位，微处理器所处理的任何数据都必须首先从内存中获取，处理的结果也必须经由内存再形成指定的目标输出。倘若没有高效率的内存系统配合，那么处理器的速度再快也无济于事。在历史的发展中，我们可以看到，内存与处理器总是同步提升的，早期的FPM、EDO，再到后来的SDRAM、DDR，RDRAM，乃至今天的DDR2和XDR，内存技术在这十几年间发生了多次根本性的技术变革，而所有的变革都是为了实现同样的目标：更高的带宽、更短的延迟、更大的容量，这一切都是为了更有效率向处理器输出对方所需的巨量数据，以保证整机系统能拥有最理想的效能。今天，我们再度面临内存技术变革的临界点：DDR2即将取代DDR成为主流，Rambus公司的XDR内存将在PS3游戏机之类的高速系统中获得应用，DDR3技术未雨绸缪……
程序内存思想的提出与发展
对许多刚刚接触到计算机理论的初学者来说，要理解内存与外存之间的含义并不太容易，尽管几乎所有人都知道硬盘、软盘、光盘属于外存范畴，可永久性保存数据；而插在主板内存槽上带若干芯片的电路板就是内存，它只能在开机状态下暂时保存数据，若关机或重启，数据便会彻底丢失。但这些其实都只是表面现象，要理解内存的真正含义，我们有必要了解计算机的发明历程。
1946年2月，宾夕法尼亚大学研制成功世界上第一台全自动电子计算机，它就是著名的“ENIAC（Electronic Numerical Integrater And Calculator，电子数字积分计算机）”。ENIAC成功实现了用机器来代替人从事复杂繁琐计算工作的梦想，之于后世的伟大意义不言而喻。不过，ENIAC的操作相当不方便，它只有20个暂存器而没有真正的存储器，操作者必须用线路连接的方法手工编排程序然后连接电路。这种准备工作要花几小时甚至几天时间，而计算本身只需几分钟—计算的高速与程序的手工存在极大地反差。在深入研究ENIAC缺陷后，冯·诺伊曼（1903-1957）提出了革命性的“程序内存”思想—将计算机的运算程序存在专门的存储器中，程序设计员只要在存储器中寻找运算指令，机器就会自行计算，这样就不必为每个问题都进行重新编程，大大加快了运算进程。之后，冯·诺伊曼对这套思想进行完善并结合二进制，提出自己的“EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，电子离散变量自动计算机）”方案，该方案对计算机作出明确的结构定义：EDVAC计算机由运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置五大部分组成，其中运算器与存储器构成相互协同的运算组件，在计算机系统中占据核心地位，输入装置与输出装置负责计算机与人的信息交互，而控制器就负责整套系统的协调运作。最终，冯·诺伊曼的EDVAC思想获得伟大的成功，计算机从此朝向冯·诺伊曼所创造的体系发展，今天我们所见的任何计算机系统，也许形态各异、性能相差巨大，但在架构上都属于冯·诺伊曼计算机体系，而他本人也因此被誉为“计算机之父”。
内存的史前时代
EDVAC思想确定了存储器的核心地位（后来为与外存系统相区别，它便被称为“内存”，以下照此统称）。在冯·诺伊曼的计算机方案中，内存只是一个逻辑的概念，它可以是任何一种存储技术。事实上，内存技术在后来的发展中始终与计算机技术紧密相连。从上个世纪40年代至今，计算机经历了以下四个发展阶段：电子管计算机（1946-1957年）、晶体管计算机（1958-1964年）、中小规模集成电路计算机（1965-1970年）和大规模/超大规模集成电路计算机（1971到现在）。在电子管计算机时代，电子管、电容器、打孔机以及水银延迟线等都被作为内存，你可以想象出它们的简陋之处，但在逻辑上它们承担的任务与今天我们所见的内存没有什么不同。后来，磁芯内存（Magnetic core memory）成为这种简陋方案的终结者，它的诞生时间也是上个世纪50年代初，发明者是大名鼎鼎的王安（Dr. An Wang）和Jay Forrester。相比电子管和水银延迟线，磁芯内存具有体积小、稳定度高等优点，并采用随机存取的管理方式。在刚推出时，磁芯内存价格高昂，但随着批量生产的实现，价格出现大幅下滑，在上个世纪50-60年代间该技术被大量采用。1956年，IBM公司付给王安博士50万美金，取得磁芯内存的专利权，IBM公司从此扮演了领导者角色，而王安博士则拿着这笔专利费去扩展他自己的公司：王安实验室（Wang Laboratories）。
集成电路时代的到来也引发了内存技术的革命。1967年，R.Dennard发明一种可作为内存的逻辑电路技术：DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取内存）。DRAM的基本结构就是一个电容器和一个场效应管（MOSFET）的组合，电容器用于存储电荷，电荷的状态就被作为二进制数的判定依据。如果电容器被充满电、保持一定量的电荷，那么这种状态就被定义为逻辑“1”，如果电容器中没有电荷，那么它表示的就是逻辑“0”，而场效应管就作为开关来决定电子是否应该进入到该电容器中—这样的基本存储单元也被称为一个“Cell”。DRAM发明后获得迅速发展，集成电路技术的来临让DRAM芯片制造简单、低成本且具有很高的存储密度，可谓是作为计算机内存的理想选择。1970年，Intel公司生产了第一颗DRAM芯片，它的线宽为8微米，拥有1Kbits的存储密度—Intel公司是DRAM技术的先行者，它的微处理器业务只不过是后来的事情。在这之后，DRAM技术与集成电路一块进入快速发展时期，著名的摩尔定律也适用于它：每隔18个月，DRAM芯片的存储提高一倍，价格则下降一半。到现在为止，DRAM芯片的存储密度已突破4Gbits（DDR2类型），预计到2010年，DRAM的存储密度可高达64Gbits。理所当然，DRAM在实用化之后很快就取代了磁芯内存，成为计算机内存的新标准，在随后的30余年间，DRAM自身也发展成为一个庞大的体系。今天，人们一提起内存，就认为肯定是DRAM，反之亦然，二者基本上就是同义词。
页面内存奠定基础
页面内存（Page Mode DRAM，简称PM DRAM）可以说是最早被投入实用的内存技术，作为第一代产品，PM DRAM成功构建了内存的逻辑结构，并为后来的技术发展打下坚实的基础。我们知道，一个DRAM芯片包含大量的基本存储单元，每个单元可存储1bit数据，而在使用中，CPU如何才能找到自己所要的数据呢？PM DRAM采用一种被称为“页面结构”的数据组织形式：PM DRAM在逻辑上可以看作是多个存储矩阵的组合，每个矩阵代表一个页面。而页面本身则是由大量的“方格”组成，每个方格对应一个基本存储单元，存放1bit数据，方格的数量越多，该页面的存储容量也就越大。这样，系统便可以根据“页面-行地址-列地址”三个坐标实现对数据的准确定位，进而完成数据的写入和读出操作。
PM DRAM在早期的计算机系统中盛极一时，但随着时间推移，人们发现它存在寻址效率低下的问题—每一个数据读写操作，都必须严格依照“页面-行地址-列地址”的流程来重新定位，即便连续两次操作的数据都位于同一个页面内的同一行。对页面内存的优化由此提上日程。1987年，FPM DRAM （Fast Page Mode，快页模式随机存储器）技术诞生，它其实就是在页面内存基础上改良而来。与PM DRAM相比，FPM DRAM在寻址效率方面有了明显的改进。如果CPU需要访问连续的内存地址，那么在指定页面和行地址后，只要不断地指定出列地址，即可连续读出想要的数据，而不必每一次都按照“页面-行地址-列地址”的流程来重新定位。FPM DRAM技术提出之后被迅速投入到实用中，它在286、386时代非常流行。在频率方面，FPM DRAM最高可达到20MHz（周期50纳秒），这与当时的CPU几乎保持一致，系统性能可获得充分保证。
FPM DRAM的生命力从286一直延续到486时代，而它对应的模组形式也发生数次变迁。最初，FPM DRAM模组采用30-pin接口、双排针脚，可提供1MB-2MB容量，尽管今天看来，这个数字少得可怜，但在当时已是很主流的配置，若能拥有4MB的内存，便称得上是“海量”了。而到486时代后，计算机的处理器、内部总线、操作系统、应用程序都进入快速发展阶段，对内存容量的需求也随之水涨船高，由于模组上的芯片数增多，所采用的接口也发生变化—先出台的是72-pin接口，带有4/8颗内存芯片的新型FPM DRAM，最高容量突破16MB。这种FPM DRAM也流行了一段时间，而到后期，甚至出现了168-pin、最高容量达32MB的FPM DRAM内存。但这个时候，FPM DRAM结构上的缺点也显露无遗：FPM DRAM使用同一电路进行数据存取，要隔3个时钟周期才能够传送一次数据，加之FPM DRAM的存储地址空间按页排列，当访问某一页面后，再切换到另一页面也会产生延迟，很难满足PC系统进一步发展需要。而EDO DRAM便在这样的背景下出现了。
与奔腾共生的EDO DRAM
在486时代，EDO DRAM（Extended Data Out，扩充数据输出随机存储器）开始获得流行。在技术上，EDO DRAM脱胎于FPM DRAM体系，两者的工作原理大体类似，不同之处在于，EDO DRAM在延迟方面有了明显的改观。前面提到，FPM DRAM在两个存取操作间必须要有3个周期的间隔，相当于每隔3个周期才能传输一次数据，而EDO DRAM则允许内存在传输数据的同时去执行下一步的访问操作，这样便将两次数据传输的延迟降低到只需2个时钟周期。这项改进让EDO DRAM获得15-30%的效率提升，对整机性能的影响非常明显。而在电路设计方面，EDO DRAM与FPM DRAM差别不大，前者只是在后者基础上增加了少量必需的EDO逻辑电路，芯片的制造成本当然相差无几—性能优秀加上成本不高，EDO DRAM很顺利取代了FPM DRAM，在486时代后期得到广泛支持，而进入586时代后EDO DRAM就相当流行了，等到Pentium时代，EDO DRAM就成为PC内存的唯一主宰。
早期的EDO DRAM模组采用的是72-pin结构的SIMM接口（Single In-Line Memory Module，单边接触内存模组，接口只有一面有金手指），后期则出现不少168-pin DIMM接口（Dual In-Line Memory Modules，双边接触内存模组，接口两面都有金手指）的版本，但它们均为32位结构。在Pentium以后的PC平台中，64位数据总线成为标准，这样，EDO DRAM模组必须以成对的方式同时安装才能够组成一条64位内存通道，这给用户带来相当大的困扰。再者，EDO DRAM仅是对FPM DRAM作简单的改良，总体技术特性没有本质性的提高，如它的时钟周期很难低于50纳秒，最高频率也是20MHz，速度远落后于同时代的CPU。而最致命的缺陷应该是EDO DRAM所采用的异步访问机制：工作时计算机的内存控制器先发出行地址选择信号（RAS）和列地址选择信号（CAS），以实现地址定位，之后FPM DRAM才能作出反应并将数据通过内存总线传送给CPU（或者将数据写入到内存）。这个步骤完全是由内存自身的速度来决定，而此时内存速度已开始落后于CPU的速度，系统为了让二者可同步工作，就需要在内存访问期间插入一些额外的等待状态，导致内存延迟时间大幅度增加。例如，一个速度为60纳秒的FPM DRAM需要40纳秒的循环时间，当系统速度为100MHz时（一个时钟周期为10纳秒），每当执行一次数据存取，CPU就需额外等待上4个时钟周期才能获取数据，严重影响了系统的整体性能。于是，当更优秀的SDRAM技术出现之后，EDO DRAM也就成为被淘汰的对象。
全新时代的领航者SDRAM
SDRAM（Synchronized DRAM，同步动态随机存储器）大约是1996年底开始在PC系统中出现，PC也是在这个时候开始实现广泛的普及，SDRAM因此广为人知。与EDO DRAM不同，SDRAM采用的是同步运作机制，它在EDO DRAM的基础上加入了同步控制逻辑，利用一个单一的系统时钟来同步所有的地址数据和控制信号。这样，内存与系统总线就工作在同样的频率上，有效消除了需要同步等待的问题。这样，CPU在访问内存时就无需额外的等待，其效率可比原先的EDO DRAM系统高出50%。SDRAM也改用双存储体结构，内含两个交错的存储阵列（EDO DRAM及之前的技术都是单存储体），当CPU访问一个存储体或存储阵列的数据时，另一个存储体或存储阵列就已经为数据访问做好了准备，这样两个存储体轮流切换，内存的读取效率可获得成倍的提高。
结构的优化让SDRAM拥有远高于EDO DRAM的读取效率，但在同时，它的工作频率也获得相当宽裕的提升空间。第一代的PC66标准SDRAM达到66MHz频率、传输周期为15纳秒，它被广泛用于Pentium、Pentium MMX平台；后来的PC100则达到100MHz频率，传输周期下降到10纳秒，它在Pentium Ⅱ、K6-2平台中广为应用；而PC133标准则将SDRAM的速度提高到133MHz、传输周期为7.5纳秒，它也是最为流行的SDRAM规格—从当初的Pentium Ⅲ、Athlon到Pentium 4平台都可见到它的踪影，乃至今天还有为数不少的PC133 SDRAM在市场上流通。SDRAM的频率潜力在200MHz，只是随着DDR SDRAM的出台，SDRAM也就失去了继续发展的价值。
模组方面，SDRAM均采用168-pin DIMM结构，位宽也从EDO DRAM的32位提高到64位，这样它就不用像EDO DRAM一样必须双条内存才可组成一个通道，只要单根模组即可正常使用。同时，它的工作电压也有了明显的下降—EDO DRAM必须工作于5V电压上，而SDRAM只要3.3V、功耗有了明显的下降。由于半导体工艺提升的关系，SDRAM的制造成本远低于EDO DRAM，价格相当平民化。凭借这一系列的优势，SDRAM很快就取代EDO DRAM成为新标准，而它所创下的体系也为随后的DDR、DDR2技术打下了基础。
也是在SDRAM时代，处理器外频的概念广为人知。在更早的一些时候，内存频率可与CPU的频率保持同步，但后来CPU的频率提升步伐远远超过内存，为了保持数据传输的同步进行，CPU就引入了外频与倍频的概念：外频代表前端总线的运行频率，而前端总线则是CPU的唯一数据传输通道，内存频率只有在与前端总线保持同步时才可发挥理想效能。在SDRAM时代，处理器的前端总线在66MHz-133MHz范围，但随后的Pentium 4与Athlon改变了这一切，前者拥有400MHz前端总线，后者也有266MHz。这样，SDRAM技术又开始落伍了，引入新技术势在必行。Intel与AMD作出截然不同的选择，前者与Rambus联手推广RDRAM，意图控制整个内存市场，而AMD则选择过渡平滑的DDR，后者成为最终的胜利者。
RDRAM：技术先进名声糟糕
RDRAM（Rambus DRAM，Rambus动态随机存储器）是一项挑战传统内存的革命性技术，这项技术由Rambus公司（成立于1990年）所开发，之前曾经历Base RDRAM、Concurrent RDRAM等两代技术，直到1999年才进入到成熟阶段。
在核心结构上，RDRAM与我们前面介绍过的所有DRAM技术都不同。我们知道，SDRAM模组都采用64位传输总线，每一个时钟周期可传送64位的数据，后来的DDR、DDR2模组也都是如此。即便是EDO DRAM，也拥有32位并行总线。而RDRAM却采用一种当时非常前卫的设计思想：RDRAM采用16位宽的传输总线，一个周期只能传输16位数据，仅仅是SDRAM的四分之一。但在同时，芯片的逻辑结构也得到大大简化，加上抗干扰能力增强，RDRAM可实现相当高的工作频率。再者，RDRAM率先采用DDR双沿触发技术，数据传输频率可达到芯片工作频率的两倍，通过这样的低位宽、高频率运作方式，RDRAM成功获得了惊人的高效能，大幅度超过同时代的SDRAM和DDR SDRAM技术。
第一代RDRAM共有PC600、PC700和PC800三个标准，数据频率分别为600MHz、700MHz和800MHz，RDRAM模组的位宽为16bit，这样三者便分别拥有1.2GBps、1.4GBps和1.6GBps的传输带宽，而借助双通道技术，RDRAM系统的最高带宽可达到3.2GBps。与之相比，PC-133 SDRAM仅有可怜的1.06GBps且后续提升乏力，PC2100标准的DDR也不过只有2.1GBps，在绝对性能上无法与RDRAM相匹敌。在频率提升潜力方面，RDRAM技术表现绝佳，芯片的最高物理频率可达到640MHz以上，与之对应的数据频率便是1280MHz，在当时来看，这样的效能无疑是非常惊人的。而除了这些，RDRAM技术还有其他的许多优点，如RDRAM内存芯片直接串联在一起，16bit宽度的总线具有很强的抗干扰能力，主板PCB布线较为容易，而SDRAM与DDR在高频时布线相对困难—当然，随着后来技术的发展，DDR系统最终也很好克服了这些问题。
单以技术论，RDRAM无疑大大优于SDRAM，Intel在挑选下一代内存技术时最终选择了RDRAM，当然它的另一个目的是希望通过Rambus公司来控制整个内存市场—RDRAM是一项受保护的专利技术，任何企业要生产RDRAM内存，都必须向Rambus公司缴纳高昂的专利费，而Intel也可从中获取高额利润。但Intel低估了推广RDRAM的巨大困难，RDRAM固然技术先进，但内存厂商若要生产RDRAM就必须购买全新的生产设备，所需投资极其惊人，最终，只有三星、HY等少数大厂进入该领域制造RDRAM芯片，加之不菲的授权费，让RDRAM内存的价格极其夸张。在初期，一条256MB容量的PC800 RDRAM模组居然需要600美金，几乎相当于一部整机的价格，这足以将99%的消费者拒之门外。更要命的是，如此高昂的代价竟然不能换来任何性能优势：一套由Pentium Ⅲ处理器、i820芯片组和RDRAM内存构成的“梦幻平台”，整体性能与当时的“440BX+PC133 SDRAM”平台处于同等水平，而随后的“i815E+PC133 SDRAM”的廉价组合更是将“i820+RDRAM”打得满地找牙。这样，RDRAM至少在Pentium Ⅲ平台中失去了存在的理由，Rambus公司也因此搞得声名狼藉。
进入Pentium 4时代后，RDRAM似乎找到了一些感觉，“i850+双通道RDRAM”多少挽回一些颜面。但很不幸，在这期间RDRAM的价格坚挺，Intel遭遇到前所未有的尴尬局面。此时，DDR内存已经声名鹊起了—DDR内存是SDRAM的平滑升级，它得到所有内存颗粒厂商、芯片组厂商和AMD公司的鼎力支持，Intel自知继续强推RDRAM很不现实，决定也对DDR提供支持，i845D芯片组就是在这样的背景下出台。果然，i845D与DDR的组合不负众望，尽管性能略逊于i850+RDRAM，但仍以明显的价格优势受到用户们的热烈欢迎，i850与RDRAM随之被不断边缘化，虽然此时Rambus公司推出了性能更高的PC1066标准及RIMM4200模组，但已是回天乏力，DDR很快就成为Pentium 4平台的主流。随后，Intel推出i865/i875P系列芯片组，i850与RDRAM被彻底忘记。到此为止，RDRAM在PC平台上寿终正寝，转为面向游戏机、路由器等需要高速内存的场合，而在渡过短暂的低谷之后，这家公司重现锐意进取精神，推出革命性的XDR内存，对此我们之前有很多的介绍，这里就不再重复。
DDR SDRAM: 平滑的技术跨越
当Intel如火如荼推广RDRAM内存的时候，产业界却对DDR SDRAM情有独钟。我们不难看出DDR SDRAM（Double Data Rate Synchronized DRAM，双数据率同步动态随机存储器）应该是在SDRAM基础上改良而来，两者的不同之处在于：DDR内存可以在时钟周期的上升沿和下降沿同时传输数据，这样就可以在芯片物理频率不变的前提下获得翻倍的数据传输效能。不妨举个例子，PC-133 SDRAM以133MHz的频率传输数据，64位模组共有1.06GBps带宽；而同样物理频率的DDR SDRAM以266MHz的频率来传输数据，内存带宽就达到2.1GBps。虽然还逊于双通道的RDRAM，但DDR SDRAM的优势在于，利用原有生产设备即可制造，芯片生产成本与SDRAM相差无几。尽管Intel转向RDRAM，但产业界还是自发走在了一起，联手推广DDR技术，在这其中，VIA、AMD、Micron（美光）等企业发挥了重要的作用。
DDR内存的工作电压只有2.5V，模组仍为64bit位宽，不过接口改用184-pin DIMM结构，在外观上同SDRAM模组非常相似。第一代DDR技术规范包括PC1600和PC2100，也就是人们所说的DDR200和DDR266，正式规范由JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council，电子设备工程联合委员会）所掌管。不过，芯片组厂商和内存厂商很快就不满足，它们纷纷推出可支持DDR333标准的产品，在经过一番激烈争论后，JEDEC认可了带宽为2.7GBps的DDR333规范。而在这期间，VIA、SiS及少数内存厂商又向更快的DDR400进军，它们先推出相关产品，想故技重施令JEDEC认可DDR400为事实标准，但这一次JEDEC没有妥协，DDR400被“彻底否决”，DDR333将一直延续到2004年DDR 2到来为止，VIA等少数厂商虽然不服可也无可奈何。而极富戏剧性的是，因推广RDRAM被边缘化的Intel突然声称将支持DDR400标准，面对影响力巨大的Intel，JEDEC不得不低头，匆忙认可DDR400为官方规范，于是DDR400时代正式来临并一直持续至今。
在DDR发展的过程中，双通道技术也被成功引入，nVIDIA公司成为该领域的首创者，它设计的nForce芯片组率先支持双通道DDR266规格，一举成为当时的一大热点。尽管第一代nForce没有成功，但它对后来者影响深远，之后的nForce 2功成名就。而Intel也及时将这项技术引入到PC中，这样，双通道DDR就成为PC内存系统的标准方案，乃至现在DDR2、未来的DDR3系统也都会继续沿用这项设计。
总结
内存技术不断跃进的发展历程也见证了PC的历史：从幼年到成年、从孱弱到壮大，直至无处不在。在可见的将来，计算机都不会脱离冯·诺伊曼体系，内存技术将朝着新的高度继续前进。□
图1王安博士发明的磁芯内存
图2DRAM的基本存储单元：电容作为存储器件，场效应管作为控制器件。
图3页面内存的内部组织结构，采用“页面-行地址-列地址”的三维坐标方式实现地址定位。
图430-pin引脚的FPM DRAM模组，在286到486 PC中常见。
图5采用72-pin SIMM连接方式的EDO内存
图6SDRAM内存，在Pentium Ⅱ/K6-2、Pentium Ⅲ/Athlon时代盛极一时，目前仍可在市面上见到。
图7RDRAM采用芯片串联结构，与并联结构的SDRAM内存存在明显差异。
在计算机系统中，内存占有极其重要的地位，微处理器所处理的任何数据都必须首先从内存中获取，处理的结果也必须经由内存再形成指定的目标输出。倘若没有高效率的内存系统配合，那么处理器的速度再快也无济于事。在历史的发展中，我们可以看到，内存与处理器总是同步提升的，早期的FPM、EDO，再到后来的SDRAM、DDR，RDRAM，乃至今天的DDR2和XDR，内存技术在这十几年间发生了多次根本性的技术变革，而所有的变革都是为了实现同样的目标：更高的带宽、更短的延迟、更大的容量，这一切都是为了更有效率向处理器输出对方所需的巨量数据，以保证整机系统能拥有最理想的效能。今天，我们再度面临内存技术变革的临界点：DDR2即将取代DDR成为主流，Rambus公司的XDR内存将在PS3游戏机之类的高速系统中获得应用，DDR3技术未雨绸缪……
程序内存思想的提出与发展
对许多刚刚接触到计算机理论的初学者来说，要理解内存与外存之间的含义并不太容易，尽管几乎所有人都知道硬盘、软盘、光盘属于外存范畴，可永久性保存数据；而插在主板内存槽上带若干芯片的电路板就是内存，它只能在开机状态下暂时保存数据，若关机或重启，数据便会彻底丢失。但这些其实都只是表面现象，要理解内存的真正含义，我们有必要了解计算机的发明历程。
1946年2月，宾夕法尼亚大学研制成功世界上第一台全自动电子计算机，它就是著名的“ENIAC（Electronic Numerical Integrater And Calculator，电子数字积分计算机）”。ENIAC成功实现了用机器来代替人从事复杂繁琐计算工作的梦想，之于后世的伟大意义不言而喻。不过，ENIAC的操作相当不方便，它只有20个暂存器而没有真正的存储器，操作者必须用线路连接的方法手工编排程序然后连接电路。这种准备工作要花几小时甚至几天时间，而计算本身只需几分钟—计算的高速与程序的手工存在极大地反差。在深入研究ENIAC缺陷后，冯·诺伊曼（1903-1957）提出了革命性的“程序内存”思想—将计算机的运算程序存在专门的存储器中，程序设计员只要在存储器中寻找运算指令，机器就会自行计算，这样就不必为每个问题都进行重新编程，大大加快了运算进程。之后，冯·诺伊曼对这套思想进行完善并结合二进制，提出自己的“EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，电子离散变量自动计算机）”方案，该方案对计算机作出明确的结构定义：EDVAC计算机由运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置五大部分组成，其中运算器与存储器构成相互协同的运算组件，在计算机系统中占据核心地位，输入装置与输出装置负责计算机与人的信息交互，而控制器就负责整套系统的协调运作。最终，冯·诺伊曼的EDVAC思想获得伟大的成功，计算机从此朝向冯·诺伊曼所创造的体系发展，今天我们所见的任何计算机系统，也许形态各异、性能相差巨大，但在架构上都属于冯·诺伊曼计算机体系，而他本人也因此被誉为“计算机之父”。
内存的史前时代
EDVAC思想确定了存储器的核心地位（后来为与外存系统相区别，它便被称为“内存”，以下照此统称）。在冯·诺伊曼的计算机方案中，内存只是一个逻辑的概念，它可以是任何一种存储技术。事实上，内存技术在后来的发展中始终与计算机技术紧密相连。从上个世纪40年代至今，计算机经历了以下四个发展阶段：电子管计算机（1946-1957年）、晶体管计算机（1958-1964年）、中小规模集成电路计算机（1965-1970年）和大规模/超大规模集成电路计算机（1971到现在）。在电子管计算机时代，电子管、电容器、打孔机以及水银延迟线等都被作为内存，你可以想象出它们的简陋之处，但在逻辑上它们承担的任务与今天我们所见的内存没有什么不同。后来，磁芯内存（Magnetic core memory）成为这种简陋方案的终结者，它的诞生时间也是上个世纪50年代初，发明者是大名鼎鼎的王安（Dr. An Wang）和Jay Forrester。相比电子管和水银延迟线，磁芯内存具有体积小、稳定度高等优点，并采用随机存取的管理方式。在刚推出时，磁芯内存价格高昂，但随着批量生产的实现，价格出现大幅下滑，在上个世纪50-60年代间该技术被大量采用。1956年，IBM公司付给王安博士50万美金，取得磁芯内存的专利权，IBM公司从此扮演了领导者角色，而王安博士则拿着这笔专利费去扩展他自己的公司：王安实验室（Wang Laboratories）。
集成电路时代的到来也引发了内存技术的革命。1967年，R.Dennard发明一种可作为内存的逻辑电路技术：DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取内存）。DRAM的基本结构就是一个电容器和一个场效应管（MOSFET）的组合，电容器用于存储电荷，电荷的状态就被作为二进制数的判定依据。如果电容器被充满电、保持一定量的电荷，那么这种状态就被定义为逻辑“1”，如果电容器中没有电荷，那么它表示的就是逻辑“0”，而场效应管就作为开关来决定电子是否应该进入到该电容器中—这样的基本存储单元也被称为一个“Cell”。DRAM发明后获得迅速发展，集成电路技术的来临让DRAM芯片制造简单、低成本且具有很高的存储密度，可谓是作为计算机内存的理想选择。1970年，Intel公司生产了第一颗DRAM芯片，它的线宽为8微米，拥有1Kbits的存储密度—Intel公司是DRAM技术的先行者，它的微处理器业务只不过是后来的事情。在这之后，DRAM技术与集成电路一块进入快速发展时期，著名的摩尔定律也适用于它：每隔18个月，DRAM芯片的存储提高一倍，价格则下降一半。到现在为止，DRAM芯片的存储密度已突破4Gbits（DDR2类型），预计到2010年，DRAM的存储密度可高达64Gbits。理所当然，DRAM在实用化之后很快就取代了磁芯内存，成为计算机内存的新标准，在随后的30余年间，DRAM自身也发展成为一个庞大的体系。今天，人们一提起内存，就认为肯定是DRAM，反之亦然，二者基本上就是同义词。
页面内存奠定基础
页面内存（Page Mode DRAM，简称PM DRAM）可以说是最早被投入实用的内存技术，作为第一代产品，PM DRAM成功构建了内存的逻辑结构，并为后来的技术发展打下坚实的基础。我们知道，一个DRAM芯片包含大量的基本存储单元，每个单元可存储1bit数据，而在使用中，CPU如何才能找到自己所要的数据呢？PM DRAM采用一种被称为“页面结构”的数据组织形式：PM DRAM在逻辑上可以看作是多个存储矩阵的组合，每个矩阵代表一个页面。而页面本身则是由大量的“方格”组成，每个方格对应一个基本存储单元，存放1bit数据，方格的数量越多，该页面的存储容量也就越大。这样，系统便可以根据“页面-行地址-列地址”三个坐标实现对数据的准确定位，进而完成数据的写入和读出操作。
PM DRAM在早期的计算机系统中盛极一时，但随着时间推移，人们发现它存在寻址效率低下的问题—每一个数据读写操作，都必须严格依照“页面-行地址-列地址”的流程来重新定位，即便连续两次操作的数据都位于同一个页面内的同一行。对页面内存的优化由此提上日程。1987年，FPM DRAM （Fast Page Mode，快页模式随机存储器）技术诞生，它其实就是在页面内存基础上改良而来。与PM DRAM相比，FPM DRAM在寻址效率方面有了明显的改进。如果CPU需要访问连续的内存地址，那么在指定页面和行地址后，只要不断地指定出列地址，即可连续读出想要的数据，而不必每一次都按照“页面-行地址-列地址”的流程来重新定位。FPM DRAM技术提出之后被迅速投入到实用中，它在286、386时代非常流行。在频率方面，FPM DRAM最高可达到20MHz（周期50纳秒），这与当时的CPU几乎保持一致，系统性能可获得充分保证。
FPM DRAM的生命力从286一直延续到486时代，而它对应的模组形式也发生数次变迁。最初，FPM DRAM模组采用30-pin接口、双排针脚，可提供1MB-2MB容量，尽管今天看来，这个数字少得可怜，但在当时已是很主流的配置，若能拥有4MB的内存，便称得上是“海量”了。而到486时代后，计算机的处理器、内部总线、操作系统、应用程序都进入快速发展阶段，对内存容量的需求也随之水涨船高，由于模组上的芯片数增多，所采用的接口也发生变化—先出台的是72-pin接口，带有4/8颗内存芯片的新型FPM DRAM，最高容量突破16MB。这种FPM DRAM也流行了一段时间，而到后期，甚至出现了168-pin、最高容量达32MB的FPM DRAM内存。但这个时候，FPM DRAM结构上的缺点也显露无遗：FPM DRAM使用同一电路进行数据存取，要隔3个时钟周期才能够传送一次数据，加之FPM DRAM的存储地址空间按页排列，当访问某一页面后，再切换到另一页面也会产生延迟，很难满足PC系统进一步发展需要。而EDO DRAM便在这样的背景下出现了。
与奔腾共生的EDO DRAM
在486时代，EDO DRAM（Extended Data Out，扩充数据输出随机存储器）开始获得流行。在技术上，EDO DRAM脱胎于FPM DRAM体系，两者的工作原理大体类似，不同之处在于，EDO DRAM在延迟方面有了明显的改观。前面提到，FPM DRAM在两个存取操作间必须要有3个周期的间隔，相当于每隔3个周期才能传输一次数据，而EDO DRAM则允许内存在传输数据的同时去执行下一步的访问操作，这样便将两次数据传输的延迟降低到只需2个时钟周期。这项改进让EDO DRAM获得15-30%的效率提升，对整机性能的影响非常明显。而在电路设计方面，EDO DRAM与FPM DRAM差别不大，前者只是在后者基础上增加了少量必需的EDO逻辑电路，芯片的制造成本当然相差无几—性能优秀加上成本不高，EDO DRAM很顺利取代了FPM DRAM，在486时代后期得到广泛支持，而进入586时代后EDO DRAM就相当流行了，等到Pentium时代，EDO DRAM就成为PC内存的唯一主宰。
早期的EDO DRAM模组采用的是72-pin结构的SIMM接口（Single In-Line Memory Module，单边接触内存模组，接口只有一面有金手指），后期则出现不少168-pin DIMM接口（Dual In-Line Memory Modules，双边接触内存模组，接口两面都有金手指）的版本，但它们均为32位结构。在Pentium以后的PC平台中，64位数据总线成为标准，这样，EDO DRAM模组必须以成对的方式同时安装才能够组成一条64位内存通道，这给用户带来相当大的困扰。再者，EDO DRAM仅是对FPM DRAM作简单的改良，总体技术特性没有本质性的提高，如它的时钟周期很难低于50纳秒，最高频率也是20MHz，速度远落后于同时代的CPU。而最致命的缺陷应该是EDO DRAM所采用的异步访问机制：工作时计算机的内存控制器先发出行地址选择信号（RAS）和列地址选择信号（CAS），以实现地址定位，之后FPM DRAM才能作出反应并将数据通过内存总线传送给CPU（或者将数据写入到内存）。这个步骤完全是由内存自身的速度来决定，而此时内存速度已开始落后于CPU的速度，系统为了让二者可同步工作，就需要在内存访问期间插入一些额外的等待状态，导致内存延迟时间大幅度增加。例如，一个速度为60纳秒的FPM DRAM需要40纳秒的循环时间，当系统速度为100MHz时（一个时钟周期为10纳秒），每当执行一次数据存取，CPU就需额外等待上4个时钟周期才能获取数据，严重影响了系统的整体性能。于是，当更优秀的SDRAM技术出现之后，EDO DRAM也就成为被淘汰的对象。
全新时代的领航者SDRAM
SDRAM（Synchronized DRAM，同步动态随机存储器）大约是1996年底开始在PC系统中出现，PC也是在这个时候开始实现广泛的普及，SDRAM因此广为人知。与EDO DRAM不同，SDRAM采用的是同步运作机制，它在EDO DRAM的基础上加入了同步控制逻辑，利用一个单一的系统时钟来同步所有的地址数据和控制信号。这样，内存与系统总线就工作在同样的频率上，有效消除了需要同步等待的问题。这样，CPU在访问内存时就无需额外的等待，其效率可比原先的EDO DRAM系统高出50%。SDRAM也改用双存储体结构，内含两个交错的存储阵列（EDO DRAM及之前的技术都是单存储体），当CPU访问一个存储体或存储阵列的数据时，另一个存储体或存储阵列就已经为数据访问做好了准备，这样两个存储体轮流切换，内存的读取效率可获得成倍的提高。
结构的优化让SDRAM拥有远高于EDO DRAM的读取效率，但在同时，它的工作频率也获得相当宽裕的提升空间。第一代的PC66标准SDRAM达到66MHz频率、传输周期为15纳秒，它被广泛用于Pentium、Pentium MMX平台；后来的PC100则达到100MHz频率，传输周期下降到10纳秒，它在Pentium Ⅱ、K6-2平台中广为应用；而PC133标准则将SDRAM的速度提高到133MHz、传输周期为7.5纳秒，它也是最为流行的SDRAM规格—从当初的Pentium Ⅲ、Athlon到Pentium 4平台都可见到它的踪影，乃至今天还有为数不少的PC133 SDRAM在市场上流通。SDRAM的频率潜力在200MHz，只是随着DDR SDRAM的出台，SDRAM也就失去了继续发展的价值。
模组方面，SDRAM均采用168-pin DIMM结构，位宽也从EDO DRAM的32位提高到64位，这样它就不用像EDO DRAM一样必须双条内存才可组成一个通道，只要单根模组即可正常使用。同时，它的工作电压也有了明显的下降—EDO DRAM必须工作于5V电压上，而SDRAM只要3.3V、功耗有了明显的下降。由于半导体工艺提升的关系，SDRAM的制造成本远低于EDO DRAM，价格相当平民化。凭借这一系列的优势，SDRAM很快就取代EDO DRAM成为新标准，而它所创下的体系也为随后的DDR、DDR2技术打下了基础。
也是在SDRAM时代，处理器外频的概念广为人知。在更早的一些时候，内存频率可与CPU的频率保持同步，但后来CPU的频率提升步伐远远超过内存，为了保持数据传输的同步进行，CPU就引入了外频与倍频的概念：外频代表前端总线的运行频率，而前端总线则是CPU的唯一数据传输通道，内存频率只有在与前端总线保持同步时才可发挥理想效能。在SDRAM时代，处理器的前端总线在66MHz-133MHz范围，但随后的Pentium 4与Athlon改变了这一切，前者拥有400MHz前端总线，后者也有266MHz。这样，SDRAM技术又开始落伍了，引入新技术势在必行。Intel与AMD作出截然不同的选择，前者与Rambus联手推广RDRAM，意图控制整个内存市场，而AMD则选择过渡平滑的DDR，后者成为最终的胜利者。
RDRAM：技术先进名声糟糕
RDRAM（Rambus DRAM，Rambus动态随机存储器）是一项挑战传统内存的革命性技术，这项技术由Rambus公司（成立于1990年）所开发，之前曾经历Base RDRAM、Concurrent RDRAM等两代技术，直到1999年才进入到成熟阶段。
在核心结构上，RDRAM与我们前面介绍过的所有DRAM技术都不同。我们知道，SDRAM模组都采用64位传输总线，每一个时钟周期可传送64位的数据，后来的DDR、DDR2模组也都是如此。即便是EDO DRAM，也拥有32位并行总线。而RDRAM却采用一种当时非常前卫的设计思想：RDRAM采用16位宽的传输总线，一个周期只能传输16位数据，仅仅是SDRAM的四分之一。但在同时，芯片的逻辑结构也得到大大简化，加上抗干扰能力增强，RDRAM可实现相当高的工作频率。再者，RDRAM率先采用DDR双沿触发技术，数据传输频率可达到芯片工作频率的两倍，通过这样的低位宽、高频率运作方式，RDRAM成功获得了惊人的高效能，大幅度超过同时代的SDRAM和DDR SDRAM技术。
第一代RDRAM共有PC600、PC700和PC800三个标准，数据频率分别为600MHz、700MHz和800MHz，RDRAM模组的位宽为16bit，这样三者便分别拥有1.2GBps、1.4GBps和1.6GBps的传输带宽，而借助双通道技术，RDRAM系统的最高带宽可达到3.2GBps。与之相比，PC-133 SDRAM仅有可怜的1.06GBps且后续提升乏力，PC2100标准的DDR也不过只有2.1GBps，在绝对性能上无法与RDRAM相匹敌。在频率提升潜力方面，RDRAM技术表现绝佳，芯片的最高物理频率可达到640MHz以上，与之对应的数据频率便是1280MHz，在当时来看，这样的效能无疑是非常惊人的。而除了这些，RDRAM技术还有其他的许多优点，如RDRAM内存芯片直接串联在一起，16bit宽度的总线具有很强的抗干扰能力，主板PCB布线较为容易，而SDRAM与DDR在高频时布线相对困难—当然，随着后来技术的发展，DDR系统最终也很好克服了这些问题。
单以技术论，RDRAM无疑大大优于SDRAM，Intel在挑选下一代内存技术时最终选择了RDRAM，当然它的另一个目的是希望通过Rambus公司来控制整个内存市场—RDRAM是一项受保护的专利技术，任何企业要生产RDRAM内存，都必须向Rambus公司缴纳高昂的专利费，而Intel也可从中获取高额利润。但Intel低估了推广RDRAM的巨大困难，RDRAM固然技术先进，但内存厂商若要生产RDRAM就必须购买全新的生产设备，所需投资极其惊人，最终，只有三星、HY等少数大厂进入该领域制造RDRAM芯片，加之不菲的授权费，让RDRAM内存的价格极其夸张。在初期，一条256MB容量的PC800 RDRAM模组居然需要600美金，几乎相当于一部整机的价格，这足以将99%的消费者拒之门外。更要命的是，如此高昂的代价竟然不能换来任何性能优势：一套由Pentium Ⅲ处理器、i820芯片组和RDRAM内存构成的“梦幻平台”，整体性能与当时的“440BX+PC133 SDRAM”平台处于同等水平，而随后的“i815E+PC133 SDRAM”的廉价组合更是将“i820+RDRAM”打得满地找牙。这样，RDRAM至少在Pentium Ⅲ平台中失去了存在的理由，Rambus公司也因此搞得声名狼藉。
进入Pentium 4时代后，RDRAM似乎找到了一些感觉，“i850+双通道RDRAM”多少挽回一些颜面。但很不幸，在这期间RDRAM的价格坚挺，Intel遭遇到前所未有的尴尬局面。此时，DDR内存已经声名鹊起了—DDR内存是SDRAM的平滑升级，它得到所有内存颗粒厂商、芯片组厂商和AMD公司的鼎力支持，Intel自知继续强推RDRAM很不现实，决定也对DDR提供支持，i845D芯片组就是在这样的背景下出台。果然，i845D与DDR的组合不负众望，尽管性能略逊于i850+RDRAM，但仍以明显的价格优势受到用户们的热烈欢迎，i850与RDRAM随之被不断边缘化，虽然此时Rambus公司推出了性能更高的PC1066标准及RIMM4200模组，但已是回天乏力，DDR很快就成为Pentium 4平台的主流。随后，Intel推出i865/i875P系列芯片组，i850与RDRAM被彻底忘记。到此为止，RDRAM在PC平台上寿终正寝，转为面向游戏机、路由器等需要高速内存的场合，而在渡过短暂的低谷之后，这家公司重现锐意进取精神，推出革命性的XDR内存，对此我们之前有很多的介绍，这里就不再重复。
DDR SDRAM: 平滑的技术跨越
当Intel如火如荼推广RDRAM内存的时候，产业界却对DDR SDRAM情有独钟。我们不难看出DDR SDRAM（Double Data Rate Synchronized DRAM，双数据率同步动态随机存储器）应该是在SDRAM基础上改良而来，两者的不同之处在于：DDR内存可以在时钟周期的上升沿和下降沿同时传输数据，这样就可以在芯片物理频率不变的前提下获得翻倍的数据传输效能。不妨举个例子，PC-133 SDRAM以133MHz的频率传输数据，64位模组共有1.06GBps带宽；而同样物理频率的DDR SDRAM以266MHz的频率来传输数据，内存带宽就达到2.1GBps。虽然还逊于双通道的RDRAM，但DDR SDRAM的优势在于，利用原有生产设备即可制造，芯片生产成本与SDRAM相差无几。尽管Intel转向RDRAM，但产业界还是自发走在了一起，联手推广DDR技术，在这其中，VIA、AMD、Micron（美光）等企业发挥了重要的作用。
DDR内存的工作电压只有2.5V，模组仍为64bit位宽，不过接口改用184-pin DIMM结构，在外观上同SDRAM模组非常相似。第一代DDR技术规范包括PC1600和PC2100，也就是人们所说的DDR200和DDR266，正式规范由JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council，电子设备工程联合委员会）所掌管。不过，芯片组厂商和内存厂商很快就不满足，它们纷纷推出可支持DDR333标准的产品，在经过一番激烈争论后，JEDEC认可了带宽为2.7GBps的DDR333规范。而在这期间，VIA、SiS及少数内存厂商又向更快的DDR400进军，它们先推出相关产品，想故技重施令JEDEC认可DDR400为事实标准，但这一次JEDEC没有妥协，DDR400被“彻底否决”，DDR333将一直延续到2004年DDR 2到来为止，VIA等少数厂商虽然不服可也无可奈何。而极富戏剧性的是，因推广RDRAM被边缘化的Intel突然声称将支持DDR400标准，面对影响力巨大的Intel，JEDEC不得不低头，匆忙认可DDR400为官方规范，于是DDR400时代正式来临并一直持续至今。
在DDR发展的过程中，双通道技术也被成功引入，nVIDIA公司成为该领域的首创者，它设计的nForce芯片组率先支持双通道DDR266规格，一举成为当时的一大热点。尽管第一代nForce没有成功，但它对后来者影响深远，之后的nForce 2功成名就。而Intel也及时将这项技术引入到PC中，这样，双通道DDR就成为PC内存系统的标准方案，乃至现在DDR2、未来的DDR3系统也都会继续沿用这项设计。
总结
内存技术不断跃进的发展历程也见证了PC的历史：从幼年到成年、从孱弱到壮大，直至无处不在。在可见的将来，计算机都不会脱离冯·诺伊曼体系，内存技术将朝着新的高度继续前进。□
图1王安博士发明的磁芯内存
图2DRAM的基本存储单元：电容作为存储器件，场效应管作为控制器件。
图3页面内存的内部组织结构，采用“页面-行地址-列地址”的三维坐标方式实现地址定位。
图430-pin引脚的FPM DRAM模组，在286到486 PC中常见。
图5采用72-pin SIMM连接方式的EDO内存
图6SDRAM内存，在Pentium Ⅱ/K6-2、Pentium Ⅲ/Athlon时代盛极一时，目前仍可在市面上见到。
图7RDRAM采用芯片串联结构，与并联结构的SDRAM内存存在明显差异。