Что хранится в озу

Что хранит в себе оперативная память

Что хранит в себе оперативная память

Оперативная память играет важную роль: во время работы компьютера в ней хранятся текущие данные, которые необходимы процессору в тот или иной момент времени. Например, когда вы запускаете какую-нибудь программу, она в первую очередь загружается с жесткого диска в оперативную память и только после этого становится доступной для процессора.

Допустим, вы поработали в какой-то программе и вдруг решили поиграть в очень интересную игру. Для простоты предположим, что вы сначала закрыли свою программу, после чего запустили игрушку. При этом данные, связанные с программой, выгружаются из оперативной памяти, а информация об игре загружается в «оперативку». То есть уже данные игры (а не программы) станут доступны для процессора, что и позволит вам насладиться именно игрой.

Усложним пример. Допустим, вы запустили несколько программ (или игр) одновременно. При этом все связанные с запущенными приложениями данные загрузятся в оперативную память (конечно, если ее объема для этого достаточно). В зависимости от того, на какую конкретно программу вы решили переключиться, процессор обратится именно к тем ячейкам памяти, в которых хранятся данные, связанные с этой программой.

Соединяем узнанное воедино

Как мы уже упоминали, процессор «общается» с оперативной памятью не напрямую, а через специальную микросхему на материнской плате, которая называется северным мостом. При этом процессор, северный мост и оперативная память соединены между собой почти сотней очень тоненьких проводников, которые и называются системной шиной (FSB), о которой мы также уже говорили.

«Для чего вообще нужна оперативная память? – спросите вы. – Почему бы процессору не работать напрямую с файлами программ, хранящимися на жестком диске компьютера?»

Дело в том, что тогда бы возникли серьезные проблемы со скоростью работы компьютера. Пока все существующие в природе жесткие диски работают медленнее оперативной памяти в тысячи раз. Вот и приходится сначала загружать необходимые данные в намного более быструю оперативную память, чтобы процессор мог с ними нормально работать.

Внимание!

Нужно четко представлять, что оперативная память является энергозависимой. Это означает, что, как только вы выключите компьютер (или вдруг пропадет электричество), все данные из оперативной памяти пропадут.

По-английски оперативная память называется Random Access Memory (RAM), что переводится как «память с произвольным доступом». Что это за произвольный доступ? Будем разбираться, как говорится, «на пальцах».

Данные в оперативной памяти хранятся в так называемых ячейках. Каждая ячейка имеет индивидуальный адрес, который состоит из номеров строки и столбца, в которых расположена эта ячейка. Таких ячеек очень много (миллионы), и вместе они составляют двумерную матрицу.

Так вот, произвольный тип доступа оперативной памяти означает то, что если процессору вдруг понадобились данные из ячейки какого-нибудь стотысячного столбца и двухсоттысячной строки, ему не нужно последовательно перебирать все предыдущие тысячи столбцов и строк, чтобы добраться до искомой ячейки. Поиск и обращение к нужной ячейке происходят непосредственно и за счет этого очень быстро, что, согласитесь, достаточно благоприятно влияет на скорость работы.

Иными словами, сочетание «произвольный доступ» означает, что скорость доступа к конкретной ячейке не зависит от ее физического расположения в памяти.

Для сравнения

К примеру, на так называемых ленточных носителях информации реализован последовательный доступ. При таком типе доступа, чтобы прочитать содержимое ячейки (блока) под номером 1000, устройству чтения первым делом необходимо обнаружить начальную ячейку (для чего перемотать магнитную ленту к началу), потом последовательно отсчитать 999 блоков и только после этого произвести чтение из нужной ячейки.

Зададимся вопросом: «Что собой представляет оперативная память или, говоря более понятным языком, как она выглядит?» Это плата с расположенными с двух сторон прямоугольными микросхемами, в которых непосредственно и находится оперативная память (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Плата оперативной памяти (один из видов)

На материнской плате оперативная память устанавливается в специально предназначенные для этого слоты (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Слоты для оперативной памяти

Следует иметь в виду, что для каждого вида модулей оперативной памяти существуют собственные слоты. То есть вы не сможете, к примеру, установить память SDRAM в слот для DDR SDRAM, и наоборот.

Примечание

Не пугайтесь. Чуть позже вы узнаете, что означают загадочные аббревиатуры SDRAM и DDR SDRAM.

Впрочем, как самостоятельно устанавливать оперативную память на материнскую плату, мы рассмотрим в главе 11, а пока поговорим о ее основных характеристиках и видах.

Объем оперативной памяти

Самой понятной для обычного пользователя характеристикой памяти является ее объем. Как мы уже упоминали, объем современных плат памяти измеряется сотнями мегабайт. Чтобы ваш компьютер работал эффективно, он должен быть «вооружен» достаточным количеством оперативной памяти.

Если перевести наш разговор в русло сухих фактов, то вы узнаете, что для работы в операционной системе Windows XP неплохо бы иметь минимум 256 Мбайт «оперативки» (это необходимый минимум, комфортно работать с таким объемом памяти не получится), а лучше – 512 Мбайт. Если же компьютер работает под управлением Windows Vista, памяти понадобится значительно больше, то есть никак не меньше 512 Мбайт. А если вы хотите насладиться всеми прелестями полупрозрачного и трехмерного интерфейса Vista, придется начинать плясать от 1 Гбайт.

Быстродействие и производительность

Вы уже знаете, что самым быстрым устройством компьютера является процессор. Поэтому задача роста производительности ПК сводится не столько к повышению тактовой частоты ядра процессора, сколько к увеличению скорости работы остальных устройств, чтобы процессор не так долго простаивал, ожидая своих неторопливых коллег.

Оперативная память хоть и работает намного быстрее других внутренних устройств компьютера, все равно сильно отстает от скорости процессора. В связи с этим производители памяти все время пытаются всячески увеличить ее скорость.

Основным параметром быстродействия оперативной памяти является время доступа. Это время, которое проходит между моментом, когда чипсет дает запрос о содержимом ячейки памяти, и моментом, когда к нему возвращается ответ.

Время доступа измеряется в наносекундах. Напомним, что 1 нс = 10 –9 с. Такие промежутки времени могут показаться вам неимоверно малыми, но для процессора они все равно остаются очень большими.

Величина, обратная времени доступа, называется тактовой частотой. Этот параметр является более наглядным, так как позволяет реально сравнить скорость работы процессора и оперативной памяти. Например, устаревшие уже типы «оперативки» имели время доступа около 15 нс, что соответствовало тактовой частоте 60 МГц. Современные же типы памяти могут работать с тактовыми частотами 1066 МГц и выше.

Помимо скорости, оперативная память характеризуется таким важным параметром, как производительность (она же – теоретическая пропускная способность). Как производительность процессора зависит от разрядности системной шины, так производительность оперативной памяти зависит от разрядности шины памяти.

Разрядность шины памяти – это количество бит (байт), которые память может одновременно записать или прочитать за раз. Большинство современных типов памяти имеют разрядность шины 64 бита (8 байт) (хотя есть и выше).

Производительность оперативной памяти определяет количество информации, которое память способна принять или выдать за 1 секунду. И вычисляется она простым умножением разрядности шины памяти на скорость памяти.

Но не будем слишком глубоко вдаваться в технические тонкости. Вычислять быстродействие и производительность оперативной памяти вы вряд ли будете, скорее всего, просто купите ту, которая подходит к вашей материнской плате.

Типы памяти и виды модулей памяти

За годы развития компьютерной техники разработчики оперативной памяти постоянно ломали (и до сих пор ломают) голову над тем, как сделать свой продукт более быстрым и производительным. В этой книге мы опустим все технические подробности, любопытные читатели могут найти массу литературы по данному вопросу. На данный момент вам необходимо иметь представление об основных типах памяти (и модулях, в которых они реализованы).

• FPM RAM (Fast Page Mode RAM) – память с так называемым быстрым страничным обменом использовалась в первые годы компьютерной эры. Как мы уже упоминали, оперативная память представляет собой многомиллионную матрицу ячеек. Для ускорения доступа к оперативной памяти она разбивалась на так называемые страницы. Это позволяло увеличить скорость доступа к данным в случаях, когда изменялся только номер столбца ячейки, а номер строки оставался неизменным. Время доступа FPM RAM составляло 200 нс.

• В 1995 году появилась память EDO RAM (Extended Data Output RAM), то есть оперативная память с расширенными возможностями вывода. EDO RAM была усовершенствованной версией FPM RAM. Время доступа данной памяти составляло уже 50 нс, но все равно было еще очень и очень большим (по сравнению со скоростью работы процессоров).

Эти два типа памяти безнадежно устарели и вряд ли уже когда-либо вам встретятся. Хотя, если вам попадется один из первых компьютеров на базе процессора Pentium Pro…

• В конце 1990-х годов производители памяти осчастливили пользователей компьютеров памятью нового типа SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) – синхронная динамическая память. Данная память функционировала значительно быстрее предшественниц (время доступа составляло 6–9 нс) за счет синхронизации своей работы с системной платой. Память SDRAM хоть и считается уже морально устаревшей, однако ее все еще довольно часто можно встретить на не очень новых компьютерах. К тому же найти данную память в продаже не так легко.

• Следующим витком эволюции оперативной памяти стала DDR SDRAM. Аббревиатура DDR означает Double Data Rate – удвоенная скорость передачи данных. Как можно догадаться из названия, данная память работает в два раза быстрее SDRAM, и это действительно так. Память DDR SDRAM (и ее потомки) используется практически на всех современных компьютерах. Такая популярность памяти DDR SDRAM объясняется тем, что она способна работать с большинством современных системных плат, функционирующих на высоких частотах.

• Нетрудно предположить, что память DDR2 SDRAM и DDR3 SDRAM – это дальнейшее развитие DDR SDRAM. Эти типы различаются некоторыми технологическими особенностями, но нам это не так интересно. Просто запомните, что DDR2 работает быстрее, чем DDR, а DDR3 – быстрее, чем DDR2.

• Некоторое время лидером в быстродействии являлась память RDRAM (Rambus Dynamic RAM) – динамическая память от компании Rambus. Она работала на частотах 400 и 533 МГц и очень дорого стоила. Из-за своей дороговизны RDRAM не получила широкого распространения и встречается в некоторых компьютерах на базе уже несколько устаревшего процессора Pentium 4. Другие же производители материнских плат решили использовать более доступную память DDR SDRAM.

Вот такие типы памяти существовали либо существуют на рынке компьютерных технологий.

Теперь поговорим о модулях оперативной памяти. Под модулем мы будем понимать плату, на которой расположены микросхемы памяти (см. рис. 4.6). Модули отличаются друг от друга размерами и формой (форм-фактором). Вам могут встретиться модули памяти трех видов: SIMM, DIMM и RIMM.

• Модули SIMM (Single Inline Memory Module – модуль памяти с однорядным расположением выводов) являются устаревшими, так как именно на них реализовывалась память FPM и EDO. Данные модули производились в двух вариантах: 30– и 72-контактные (рис. 4.8).

Рис. 4.8. 30-контактный (сверху) и 72-контактный (снизу) модули SIMM

Отличительной особенностью модулей SIMM являлось то, что их нельзя было устанавливать на материнскую плату по одиночке или в нечетном количестве: 72-контактные модули располагались только парами, а маленькие 30-контактные – группами по четыре штуки. При нарушении этого правила материнская плата просто «не видела» память.

• Модули DIMM (Dual Inline Memory Module – модуль памяти с двухрядным расположением выводов) появились вместе с памятью SDRAM. Эти модули имеют 168 контактов и поддерживают скорости работы 66, 100 и 133 МГц. С появлением памяти DDR SDRAM появились 184-контактные модули, работающие на частоте от 200 МГц. Кстати, на рис. 4.6 изображен именно модуль DIMM.

Хоть 168– и 184-контактные модули DIMM и одинаковы по размерам, они имеют некоторые различия в форме. Это сделано именно для того, чтобы нельзя было установить модуль DIMM с памятью SDRAM в слот для памяти DDR SDRAM и наоборот.

• Как вы уже догадались, модули RIMM поддерживают память RDRAM. Они имеют 184 контакта, такие же размеры, как модуль DIMM, однако и ряд специфических особенностей конструкции (рис. 4.9), которые не позволят установить их в слот для модулей DIMM.

Рис. 4.9. Модуль RIMM

Подытоживая разговор об оперативной памяти, хочется отметить, что все описанные выше параметры вы, как правило, можете найти прямо на модуле памяти. Производители указывают их на специальных наклеечках. Там должна быть приведена информация о емкости модуля памяти, ее типе, быстродействии, рабочем напряжении питания, а также название фирмы-изготовителя. Если вам кто-то попробует продать память без такой наклейки, советуем ее не покупать – наверняка вам пытаются подсунуть какую-нибудь дешевую подделку.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Убей в себе “слактивиста”[16]

Убей в себе “слактивиста”[16] Те, кого заворожили возможности “цифровой” политической деятельности, увы, редко могут отличить ее от “слактивизма”, или “диванного активизма”. Эта опасная разновидность слишком часто ведет к беспорядочным гражданским связям (обычно в

Сам себе СМИ

Сам себе СМИ Метки: СМИ, пользовательский контентЖурнал Time в 2006 году присвоил звание «Человек года» интернет-пользователю как таковому, вынеся на свою обложку зеркальный монитор с надписью You, в котором отражается тот, кто взял в руки журнал. Редакция Time тем самым хотела

Оперативная память

Оперативная память Минимальным необходимым объемом оперативной памяти для работы с программой Premiere Pro считается 512 Мбайт для работы с видео формата DV и 2 Гбайт для работы с видео формата HDV.Оперативная память, как и процессор, влияет на быстродействие всей системы в целом,

6.3. Сам себе Спилберг (DVD-студия Windows)

6.3. Сам себе Спилберг (DVD-студия Windows) DVD отличается от CD не только большой емкостью, это еще и особый формат. Он поддерживает создание меню, ускоренную и замедленную перемотку (очень ускоренную и очень замедленную), «перелистывание» разделов… Словом, если вы смотрите фильмы

Заведите себе врага

Заведите себе врага БоритесьИногда лучший способ узнать, каким должно быть ваше приложение — это узнать, каким оно не должно быть. Пусть это будет врагом вашего приложения, и вы будете видеть свет, на который вы должны идти.Когда мы решили создать систему управления

Процессор и оперативная память

Процессор и оперативная память Для комфортной работы с Pinnacle Studio 11 в Windows XP разработчики рекомендуют наличие в системе процессора Intel Pentium или AMD Athlon с тактовой частотой не ниже 1,4 ГГц (для комфортной работы желателен процессор с частотой не ниже 2,4 ГГц).Для работы в Windows Vista

Оперативная память

Оперативная память Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ, «мозги», «оперативка») – микросхемы, используемые процессором для временного хранения данных при выполнении расчетов. В подавляющем большинстве случаев такая память представлена в виде

8.2. Как представлять себе программы на Прологе

8.2. Как представлять себе программы на Прологе Одной из характерных особенностей Пролога является то, что в нем допускается как процедурный, так и декларативный стиль мышления при составлении программы. Эти два подхода детально обсуждались в гл. 2 и затем многократно

ПИСЬМОНОСЕЦ: Сам себе «Компьютерру»

ПИСЬМОНОСЕЦ: Сам себе «Компьютерру» Автор: Сергей ВильяновВот Евгений Антонович обрадовался, получив камеру в подарок. Приятно. А своему другу-то чего приятное не стал делать? Взял бы и подарил. Была бы дружба крепче.И еще непонятна фраза «ушел в руки друга по цене,

Оперативная память

Оперативная память Именно оперативная память оказывает очень большое влияние на производительность системы. Компьютер даже с самым мощным процессором будет крайне медленно «ворочаться», если в его памяти тесно приложениям и данным. В таком случае система будет

1.3.3. Оперативная память

1.3.3. Оперативная память Почему эта память — оперативная? Потому что она нужна при выполнении оперативных задач, например открыть Word, запустить почту, посмотреть картинку, поиграть в Квейк и т. д.В оперативную память (ОЗУ, оперативное запоминающее устройство) загружаются

Оперативная память

Оперативная память Оперативная память – одно из устройств, от объема и скорости работы которого зависит быстродействие всего компьютера. Ее задача – своевременное предоставление процессору необходимой информации.Наиболее популярны модули памяти DDR2 SDRAM

Резюме: Не подпускать к себе конкурентов

Резюме: Не подпускать к себе конкурентов В данном случае проблема была обнаружена до возможного нанесения ущерба. Конечно, обнаружить такие проблемы во время профилактического аудита безопасности соседних систем удается не во всех компаниях. Многие из них вообще не

Оперативная память

Оперативная память Из предыдущего раздела должно быть понятно, что процессор – это устройство, обрабатывающее данные, которые хранятся в памяти. В этом разделе главы мы поговорим об одном из типов компьютерной памяти – оперативной памяти, или ОЗУ[4] (рис. 3.2). Рис. 3.2.

Глава 12 Я противоречу сам себе

Глава 12 Я противоречу сам себе Разбираются разновидности вычислительного способа мышления, определяется реалистичный вычислительный подход к нему.Культура вычислительного подхода к природеВ Кремниевой долине можно встретить буддистов, анархистов, поклонников культа

Источник

Анатомия RAM

У каждого компьютера есть ОЗУ, встроенное в процессор или находящееся на отдельной подключенной к системе плате — вычислительные устройства просто не смогли бы работать без оперативной памяти. ОЗУ — потрясающий образец прецизионного проектирования, однако несмотря на тонкость процессов изготовления, память ежегодно производится в огромных объёмах. В ней миллиарды транзисторов, но она потребляет только считанные ватты мощности. Учитывая большую важность памяти, стоит написать толковый анализ её анатомии.

Итак, давайте приготовимся к вскрытию, выкатим носилки и отправимся в анатомический театр. Настало время изучить все подробности каждой ячейки, из которых состоит современная память, и узнать, как она работает.

Зачем же ты, RAM-ео?

Процессорам требуется очень быстро получать доступ к данным и командам, чтобы программы выполнялись мгновенно. Кроме того, им нужно, чтобы при произвольных или неожиданных запросах не очень страдала скорость. Именно поэтому для компьютера так важно ОЗУ (RAM, сокращение от random-access memory — память с произвольным доступом).

Существует два основных типа RAM: статическая и динамическая, или сокращённо SRAM и DRAM.

Мы будем рассматривать только DRAM, потому что SRAM используется только внутри процессоров, таких как CPU или GPU. Так где же находится DRAM в наших компьютерах и как она работает?

Большинству людей знакома RAM, потому что несколько её планок находится рядом с CPU (центральным процессором, ЦП). Эту группу DRAM часто называют системной памятью, но лучше её называть памятью CPU, потому что она является основным накопителем рабочих данных и команд процессора.

Как видно на представленном изображении, DRAM находится на небольших платах, вставляемых в материнскую (системную) плату. Каждую плату обычно называют DIMM или UDIMM, что расшифровывается как dual inline memory module (двухсторонний модуль памяти) (U обозначает unbuffered (без буферизации)). Подробнее мы объясним это позже; пока только скажем, что это самая известная RAM любого компьютера.

Она не обязательно должна быть сверхбыстрой, но современным ПК для работы с большими приложениями и для обработки сотен процессов, выполняемых в фоновом режиме, требуется много памяти.

Ещё одним местом, где можно найти набор чипов памяти, обычно является графическая карта. Ей требуется сверхбыстрая DRAM, потому что при 3D-рендеринге выполняется огромное количество операций чтения и записи данных. Этот тип DRAM предназначен для несколько иного использования по сравнению с типом, применяемым в системной памяти.

Ниже вы видите GPU, окружённый двенадцатью небольшими пластинами — это чипы DRAM. Конкретно этот тип памяти называется GDDR5X, о нём мы поговорим позже.

Графическим картам не нужно столько же памяти, как CPU, но их объём всё равно достигает тысяч мегабайт.

Не каждому устройству в компьютере нужно так много: например, жёстким дискам достаточно небольшого количества RAM, в среднем по 256 МБ; они используются для группировки данных перед записью на диск.

На этих фотографиях мы видим платы HDD (слева) и SSD (справа), на которых отмечены чипы DRAM. Заметили, что чип всего один? 256 МБ сегодня не такой уж большой объём, поэтому вполне достаточно одного куска кремния.

Узнав, что каждый компонент или периферийное устройство, выполняющее обработку, требует RAM, вы сможете найти память во внутренностях любого ПК. На контроллерах SATA и PCI Express установлены небольшие чипы DRAM; у сетевых интерфейсов и звуковых карт они тоже есть, как и у принтеров со сканнерами.

Если память можно встретить везде, она может показаться немного скучной, но стоит вам погрузиться в её внутреннюю работу, то вся скука исчезнет!

Скальпель. Зажим. Электронный микроскоп.

У нас нет всевозможных инструментов, которые инженеры-электронщики используют для изучения своих полупроводниковых творений, поэтому мы не можем просто разобрать чип DRAM и продемонстрировать вам его внутренности. Однако такое оборудование есть у ребят из TechInsights, которые сделали этот снимок поверхности чипа:

Если вы подумали, что это похоже на сельскохозяйственные поля, соединённые тропинками, то вы не так далеки от истины! Только вместо кукурузы или пшеницы поля DRAM в основном состоят из двух электронных компонентов:

Синими и зелёными линиями обозначены соединения, подающие напряжение на МОП-транзистор и конденсатор. Они используются для считывания и записи данных в ячейку, и первой всегда срабатывает вертикальная (разрядная) линия.

Канавочный конденсатор, по сути, используется в качестве сосуда для заполнения электрическим зарядом — его пустое/заполненное состояние даёт нам 1 бит данных: 0 — пустой, 1 — полный. Несмотря на предпринимаемые инженерами усилия, конденсаторы не способны хранить этот заряд вечно и со временем он утекает.

Это означает, что каждую ячейку памяти нужно постоянно обновлять по 15-30 раз в секунду, хотя сам этот процесс довольно быстр: для обновления набора ячеек требуется всего несколько наносекунд. К сожалению, в чипе DRAM множество ячеек, и во время их обновления считывание и запись в них невозможна.

К каждой линии подключено несколько ячеек:

Строго говоря, эта схема неидеальна, потому что для каждого столбца ячеек используется две разрядные линии — если бы мы изобразили всё, то схема бы стала слишком неразборчивой.

Полная строка ячеек памяти называется страницей, а длина её зависит от типа и конфигурации DRAM. Чем длиннее страница, тем больше в ней бит, но и тем большая электрическая мощность нужна для её работы; короткие страницы потребляют меньше мощности, но и содержат меньший объём данных.

Однако нужно учитывать и ещё один важный фактор. При считывании и записи на чип DRAM первым этапом процесса является активация всей страницы. Строка битов (состоящая из нулей и единиц) хранится в буфере строки, который по сути является набором усилителей считывания и защёлок, а не дополнительной памятью. Затем активируется соответствующий столбец для извлечения данных из этого буфера.

Если страница слишком мала, то чтобы успеть за запросами данных, строки нужно активировать чаще; и наоборот — большая страница предоставляет больше данных, поэтому активировать её можно реже. И даже несмотря на то, что длинная строка требует большей мощности и потенциально может быть менее стабильной, лучше стремиться к получению максимально длинных страниц.

Если собрать вместе набор страниц, то мы получим один банк памяти DRAM. Как и в случае страниц, размер и расположение строк и столбцов ячеек играют важную роль в количестве хранимых данных, скорости работы памяти, энергопотреблении и так далее.

Например, схема может состоять из 4 096 строк и 4 096 столбцов, при этом полный объём одного банка будет равен 16 777 216 битам или 2 мегабайтам. Но не у всех чипов DRAM банки имеют квадратную структуру, потому что длинные страницы лучше, чем короткие. Например, схема из 16 384 строк и 1 024 столбцов даст нам те же 2 мегабайта памяти, но каждая страница будет содержать в четыре раза больше памяти, чем в квадратной схеме.

Все страницы в банке соединены с системой адресации строк (то же относится и к столбцам) и они контролируются сигналами управления и адресами для каждой строки/столбца. Чем больше строк и столбцов в банке, тем больше битов должно использоваться в адресе.

Для банка размером 4 096 x 4 096 для каждой системы адресации требуется 12 бит, а для банка 16 384 x 1 024 потребуется 14 бит на адреса строк и 10 бит на адреса столбцов. Стоит заметить, что обе системы имеют суммарный размер 24 бита.

Если бы чип DRAM мог предоставлять доступ к одной странице за раз, то это было бы не особо удобно, поэтому в них упаковано несколько банков ячеек памяти. В зависимости от общего размера, чип может иметь 4, 8 или даже 16 банков — чаще всего используется 8 банков.

Все эти банки имеют общие шины команд, адресов и данных, что упрощает структуру системы памяти. Пока один банк занят работой с одной командой, другие банки могут продолжать выполнение своих операций.

Весь чип, содержащий все банки и шины, упакован в защитную оболочку и припаян к плате. Она содержит электропроводники, подающие питание для работы DRAM и сигналов команд, адресов и данных.

На фотографии выше показан чип DRAM (иногда называемый модулем), изготовленный компанией Samsung. Другими ведущими производителями являются Toshiba, Micron, SK Hynix и Nanya. Samsung — крупнейший производитель, он имеет приблизительно 40% мирового рынка памяти.

Каждый изготовитель DRAM использует собственную систему кодирования характеристик памяти; на фотографии показан чип на 1 гигабит, содержащий 8 банков по 128 мегабита, выстроенных в 16 384 строки и 8 192 столбца.

Выше по рангу

Компании-изготовители памяти берут несколько чипов DRAM и устанавливают их на одну плату, называемую DIMM. Хотя D расшифровывается как dual (двойная), это не значит, что на ней два набора чипов. Под двойным подразумевается количество электрических контактов в нижней части платы; то есть для работы с модулями используются обе стороны платы.

Сами DIMM имеют разный размер и количество чипов:

На фотографии сверху показана стандартная DIMM для настольного ПК, а под ней находится так называемая SO-DIMM (small outline, «DIMM малого профиля»). Маленький модуль предназначен для ПК малого форм-фактора, например, ноутбуков и компактных настольных компьютеров. Из-за малого пространства уменьшается количество используемых чипов, изменяется скорость работы памяти, и так далее.

Существует три основных причины для использования нескольких чипов памяти на DIMM:

То есть каждому DIMM, который устанавливается в компьютер с Ryzen, потребуется восемь модулей DRAM (8 чипов x 8 бит = 64 бита). Можно подумать, что графическая карта 5700 XT будет иметь 32 чипа памяти, но у неё их только 8. Что же это нам даёт?

В чипы памяти, предназначенные для графических карт, устанавливают больше банков, обычно 16 или 32, потому что для 3D-рендеринга необходим одновременный доступ к большому объёму данных.

Один ранг и два ранга

Множество модулей памяти, «заполняющих» шину данных контроллера памяти, называется рангом, и хотя к контроллеру можно подключить больше одного ранга, за раз он может получать данные только от одного ранга (потому что ранги используют одну шину данных). Это не вызывает проблем, потому что пока один ранг занимается ответом на переданную ему команду, другому рангу можно передать новый набор команд.

Платы DIMM могут иметь несколько рангов и это особенно полезно, когда вам нужно огромное количество памяти, но на материнской плате мало разъёмов под RAM.

Так называемые схемы с двумя (dual) или четырьмя (quad) рангами потенциально могут обеспечить большую производительность, чем одноранговые, но увеличение количества рангов быстро повышает нагрузку на электрическую систему. Большинство настольных ПК способно справиться только с одним-двумя рангами на один контроллер. Если системе нужно больше рангов, то лучше использовать DIMM с буферизацией: такие платы имеют дополнительный чип, облегчающий нагрузку на систему благодаря хранению команд и данных в течение нескольких циклов, прежде чем передать их дальше.

Множество модулей памяти Nanya и один буферный чип — классическая серверная RAM

Но не все ранги имеют размер 64 бита — используемые в серверах и рабочих станциях DIMM часто размером 72 бита, то есть на них есть дополнительный модуль DRAM. Этот дополнительный чип не обеспечивает повышение объёма или производительности; он используется для проверки и устранения ошибок (error checking and correcting, ECC).

Вы ведь помните, что всем процессорам для работы нужна память? В случае ECC RAM небольшому устройству, выполняющему работу, предоставлен собственный модуль.

Шина данных в такой памяти всё равно имеют ширину всего 64 бита, но надёжность хранения данных значительно повышается. Использование буферов и ECC только незначительно влияет на общую производительность, зато сильно повышает стоимость.

Жажда скорости

У всех DRAM есть центральный тактовый сигнал ввода-вывода (I/O, input/output) — напряжение, постоянно переключающееся между двумя уровнями; он используется для упорядочивания всего, что выполняется в чипе и шинах памяти.

Если бы мы вернулись назад в 1993 год, то смогли бы приобрести память типа SDRAM (synchronous, синхронная DRAM), которая упорядочивала все процессы с помощью периода переключения тактового сигнала из низкого в высокое состояние. Так как это происходит очень быстро, такая система обеспечивает очень точный способ определения времени выполнения событий. В те времена SDRAM имела тактовые сигналы ввода-вывода, обычно работавшие с частотой от 66 до 133 МГц, и за каждый такт сигнала в DRAM можно было передать одну команду. В свою очередь, чип за тот же промежуток времени мог передать 8 бит данных.

Быстрое развитие SDRAM, ведущей силой которого был Samsung, привело к созданию в 1998 году её нового типа. В нём передача данных синхронизировалась по повышению и падению напряжения тактового сигнала, то есть за каждый такт данные можно было дважды передать в DRAM и обратно.

Как же называлась эта восхитительная новая технология? Double data rate synchronous dynamic random access memory (синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных). Обычно её просто называют DDR-SDRAM или для краткости DDR.

Память DDR быстро стала стандартом (из-за чего первоначальную версию SDRAM переименовали в single data rate SDRAM, SDR-DRAM) и в течение последующих 20 лет оставалась неотъемлемой частью всех компьютерных систем.

Прогресс технологий позволил усовершенствовать эту память, благодаря чему в 2003 году появилась DDR2, в 2007 году — DDR3, а в 2012 году — DDR4. Каждая новая версия обеспечивала повышение производительности благодаря ускорению тактового сигнала ввода-вывода, улучшению систем сигналов и снижению энергопотребления.

DDR2 внесла изменение, которое мы используем и сегодня: генератор тактовых сигналов ввода-вывода превратился в отдельную систему, время работы которой задавалось отдельным набором синхронизирующих сигналов, благодаря чему она стала в два раза быстрее. Это аналогично тому, как CPU используют для упорядочивания работы тактовый сигнал 100 МГц, хотя внутренние синхронизирующие сигналы работают в 30-40 раз быстрее.

DDR3 и DDR4 сделали шаг вперёд, увеличив скорость тактовых сигналов ввода-вывода в четыре раза, но во всех этих типах памяти шина данных для передачи/получения информации по-прежнему использовала только повышение и падение уровня сигнала ввода-вывода (т.е. удвоенную частоту передачи данных).

Сами чипы памяти не работают на огромных скоростях — на самом деле, они шевелятся довольно медленно. Частота передачи данных (измеряемая в миллионах передач в секунду — millions of transfers per second, MT/s) в современных DRAM настолько высока благодаря использованию в каждом чипе нескольких банков; если бы на каждый модуль приходился только один банк, всё работало бы чрезвычайно медленно.

Каждая новая версия DRAM не обладает обратной совместимостью, то есть используемые для каждого типа DIMM имеют разные количества электрических контактов, разъёмы и вырезы, чтобы пользователь не мог вставить память DDR4 в разъём DDR-SDRAM.

Сверху вниз: DDR-SDRAM, DDR2, DDR3, DDR4

DRAM для графических плат изначально называлась SGRAM (synchronous graphics, синхронная графическая RAM). Этот тип RAM тоже подвергался усовершенствованиям, и сегодня его для понятности называют GDDR. Сейчас мы достигли версии 6, а для передачи данных используется система с учетверённой частотой, т.е. за тактовый цикл происходит 4 передачи.

Кроме более высокой частоты передачи, графическая DRAM обеспечивает дополнительные функции для ускорения передачи, например, возможность одновременного открытия двух страниц одного банка, работающие в DDR шины команд и адресов, а также чипы памяти с гораздо большими скоростями тактовых сигналов.

Какой же минус у всех этих продвинутых технологий? Стоимость и тепловыделение.

Один модуль GDDR6 примерно вдвое дороже аналогичного чипа DDR4, к тому же при полной скорости он становится довольно горячим — именно поэтому графическим картам с большим количеством сверхбыстрой RAM требуется активное охлаждение для защиты от перегрева чипов.

Скорость битов

Производительность DRAM обычно измеряется в количестве битов данных, передаваемых за секунду. Ранее в этой статье мы говорили, что используемая в качестве системной памяти DDR4 имеет чипы с 8-битной шириной шины, то есть каждый модуль может передавать до 8 бит за тактовый цикл.

То есть если частота передачи данных равна 3200 MT/s, то пиковый результат равен 3200 x 8 = 25 600 Мбит в секунду или чуть больше 3 ГБ/с. Так как большинство DIMM имеет 8 чипов, потенциально можно получить 25 ГБ/с. Для GDDR6 с 8 модулями этот результат был бы равен 440 ГБ/с!

Обычно это значение называют полосой пропускания (bandwidth) памяти; оно является важным фактором, влияющим на производительность RAM. Однако это теоретическая величина, потому что все операции внутри чипа DRAM не происходят одновременно.

Чтобы разобраться в этом, давайте взглянем на показанное ниже изображение. Это очень упрощённое (и нереалистичное) представление того, что происходит, когда данные запрашиваются из памяти.

На первом этапе активируется страница DRAM, в которой содержатся требуемые данные. Для этого памяти сначала сообщается, какой требуется ранг, затем соответствующий модуль, а затем конкретный банк.

Чипу передаётся местоположение страницы данных (адрес строки), и он отвечает на это передачей целой страницы. На всё это требуется время и, что более важно, время нужно и для полной активации строки, чтобы гарантировать полную блокировку строки битов перед выполнением доступа к ней.

Затем определяется соответствующий столбец и извлекается единственный бит информации. Все типы DRAM передают данные пакетами, упаковывая информацию в единый блок, и пакет в современной памяти почти всегда равен 8 битам. То есть даже если за один тактовый цикл извлекается один бит, эти данные нельзя передать, пока из других банков не будет получено ещё 7 битов.

А если следующий требуемый бит данных находится на другой странице, то перед активацией следующей необходимо закрыть текущую открытую страницу (это процесс называется pre-charging). Всё это, разумеется, требует больше времени.

Все эти различные периоды между временем отправки команды и выполнением требуемого действия называются таймингами памяти или задержками. Чем ниже значение, тем выше общая производительность, ведь мы тратим меньше времени на ожидание завершения операций.

Некоторые из этих задержек имеют знакомые фанатам компьютеров названия:

Существует ещё много других таймингов и все их нужно тщательно настраивать, чтобы DRAM работала стабильно и не искажала данные, имея при этом оптимальную производительность. Как можно увидеть из таблицы, схема, демонстрирующая циклы в действии, должна быть намного шире!

Хотя при выполнении процессов часто приходится ждать, команды можно помещать в очереди и передавать, даже если память занята чем-то другим. Именно поэтому можно увидеть много модулей RAM там, где нам нужна производительность (системная память CPU и чипы на графических картах), и гораздо меньше модулей там, где они не так важны (в жёстких дисках).

Тайминги памяти можно настраивать — они не заданы жёстко в самой DRAM, потому что все команды поступают из контроллера памяти в процессоре, который использует эту память. Производители тестируют каждый изготавливаемый чип и те из них, которые соответствуют определённым скоростям при заданном наборе таймингов, группируются вместе и устанавливаются в DIMM. Затем тайминги сохраняются в небольшой чип, располагаемый на плате.

Даже памяти нужна память. Красным указано ПЗУ (read-only memory, ROM), в котором содержится информация SPD.

Процесс доступа к этой информации и её использования называется serial presence detect (SPD). Это отраслевой стандарт, позволяющий BIOS материнской платы узнать, на какие тайминги должны быть настроены все процессы.

Многие материнские платы позволяют пользователям изменять эти тайминги самостоятельно или для улучшения производительности, или для повышения стабильности платформы, но многие модули DRAM также поддерживают стандарт Extreme Memory Profile (XMP) компании Intel. Это просто дополнительная информация, хранящаяся в памяти SPD, которая сообщает BIOS: «Я могу работать с вот с такими нестандартными таймингами». Поэтому вместо самостоятельной возни с параметрами пользователь может настроить их одним нажатием мыши.

Спасибо за службу, RAM!

В отличие от других уроков анатомии, этот оказался не таким уж грязным — DIMM сложно разобрать и для изучения модулей нужны специализированные инструменты. Но внутри них таятся потрясающие подробности.

Возьмите в руку планку памяти DDR4-SDRAM на 8 ГБ из любого нового ПК: в ней упаковано почти 70 миллиардов конденсаторов и такое же количество транзисторов. Каждый из них хранит крошечную долю электрического заряда, а доступ к ним можно получить за считанные наносекунды.

Даже при повседневном использовании она может выполнять бесчисленное количество команд, и большинство из плат способны без малейших проблем работать многие годы. И всё это меньше чем за 30 долларов? Это просто завораживает.

DRAM продолжает совершенствоваться — уже скоро появится DDR5, каждый модуль которой обещает достичь уровня полосы пропускания, с трудом достижимый для двух полных DIMM типа DDR4. Сразу после появления она будет очень дорогой, но для серверов и профессиональных рабочих станций такой скачок скорости окажется очень полезным.

Источник