За что отвечает постоянная память

Компоненты ПК | Постоянное запоминающее устройство (ROM)

Микросхема EPROM Intel 1702 с ультрафиолетовым стиранием
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.

Исторические типы ПЗУ

Постоянные запоминающие устройства стали находить применение в технике задолго до появления ЭВМ и электронных приборов. В частности, одним из первых типов ПЗУ был кулачковый валик, применявшийся в шарманках, музыкальных шкатулках, часах с боем.

С развитием электронной техники и ЭВМ возникла необходимость в быстродействующих ПЗУ. В эпоху вакуумной электроники находили применение ПЗУ на основе потенциалоскопов, моноскопов, лучевых ламп. В ЭВМ на базе транзисторов в качестве ПЗУ небольшой ёмкости широко использовались штепсельные матрицы. При необходимости хранения больших объёмов данных (для ЭВМ первых поколений — несколько десятков килобайт) применялись ПЗУ на базе ферритовых колец (не следует путать их с похожими типами ОЗУ). Именно от этих типов ПЗУ и берёт своё начало термин «прошивка» — логическое состояние ячейки задавалось направлением навивки провода, охватывающего кольцо. Поскольку тонкий провод требовалось протягивать через цепочку ферритовых колец для выполнения этой операции применялись металлические иглы, аналогичные швейным. Да и сама операция наполнения ПЗУ информацией напоминала процесс шитья.

Как работает ПЗУ. Современные типы ПЗУ

Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики и BIOS в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации можно построить на мультиплексорах. Схема такого постоянного запоминающего устройства приведена на следующем рисунке

Схема постоянного запоминающего устройства, построенная на мультиплексоре
В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля). На принципиальных схемах такое устройство обозначается как показано на рисунке

Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах
Для того, чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация естественно остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на следующем рисунке

Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) и изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке. В качестве примера можно назвать микросхемы 155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8 и другие.

Обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах
Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.

ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:

Структурная схема постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственно вместо перемычки используется описанная выше ячейка. В репрограммируемых ПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы встраивается окошко из кварцевого стекла.

Обозначение FLASH памяти на принципиальных схемах
При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке

Источник

Компьютерная грамотность с Надеждой

Заполняем пробелы — расширяем горизонты!

Постоянная и оперативная память компьютеров и мобильных телефонов

Стационарные компьютеры и мобильные устройства (ноутбуки, планшеты, мобильные телефоны) могут быть в двух состояниях:

Непрерывно работать, вообще никогда не отключаясь, компьютеры и смартфоны не могут. Поэтому при каждом включении компьютер или мобильный телефон должен каким-то образом «вспомнить» свое состояние до выключения. И восстановить это состояние.

Иначе компьютеры и мобильные устройства были бы «одноразовыми». Они работали бы только до момента их первого выключения. А затем они навсегда бы «забывали» все то, что умели делать до выключения.

Зачем нужна память компьютерам и мобильным телефонам

Чтобы компьютеры и гаджеты «помнили», что они умеют делать, и что они должны делать во включенном состоянии, для этого в их составе есть память.

Именно в памяти устройства хранятся все необходимые сведения о том, что должен делать компьютер или мобильный телефон. В памяти находятся следующие данные:

Постоянная и оперативная память на компьютерах и в мобильных устройствах

Память устройства, которая не зависит от того, включено это устройство или нет, называют энергонезависимой памятью. Только в такой памяти могут храниться данные, когда устройство выключено.

Энергонезависимая память называется также постоянной (или иногда внутренней) памятью устройства.

– Если память «постоянная», то в ней никогда ничего не меняется?
– Нет. Постоянная память потому, что в ней все «постоянно» сохраняется при выключении компьютера или смартфона.

Как только мы включаем компьютер или гаджет, устройство из постоянной памяти «извлекает» программу своего запуска, и с ее помощью загружает операционную систему:

Итак, загружается операционная система из постоянной памяти. Но куда она загружается? Так вот, для загрузки операционной системы служит так называемая оперативная память.

Почему «оперативная»? Да потому, что в отличие от постоянной памяти, в оперативной памяти «оперативная обстановка» меняется с калейдоскопической скоростью.

Про объёмы памяти компьютеров и гаджетов

От объёма оперативной памяти зависит количество запущенных программ и задач, которые может одновременно выполнить компьютер или гаджет.

Объем оперативной памяти компьютеров и гаджетов когда-то измеряли в килобайтах, затем перешли на мегабайты. А в настоящее время не редкость, когда размер оперативной памяти исчисляется десятками гигабайт. На очереди объёмы памяти в сотни гигабайт и даже единицы, а то и десятки терабайт (например, для серьезных серверов).

От объёма постоянной памяти зависит, сколько разных приложений и прикладных программ можно установить на компьютер или мобильный телефон, а также количество сохраненных фотографий, видео, фильмов, документов и других полезных файлов пользователя. Объёмы постоянной памяти современных устройств измеряются гигабайтами и терабайтами.

В компьютерах и ноутбуках могут применяться жесткие диски в качестве носителей постоянной памяти. В мобильных гаджетах, в основном, применяются специальные микросхемы памяти, надежно сохраняющие все данные при отключении электроэнергии. Технологии производства микросхем памяти постоянно совершенствуются. Поэтому в компьютерах и даже в серверах происходит активный переход с традиционных жестких дисков на микросхемы.

Почему оперативная память постоянно должна быть подключена к источнику электричества

В постоянную память однажды записывают операционную систему, приложения (программы), различные файлы данных. Затем в них могут, конечно, вноситься какие-то изменения и дополнения. Например, происходят обновления операционной системы. Но это бывает не часто и не постоянно. Поэтому от постоянной памяти не требуется высокая скорость работы – это не главная характеристика постоянной памяти.

Главное требование для постоянной памяти – это безупречное хранение данных даже при отключении от электропитания.

А вот в оперативной памяти работающая операционная система что-то меняет без преувеличения десятки и сотни миллионов (точнее, миллиардов!) раз в размещенных там данных.

Оперативная память должна обладать очень высокой скоростью записи и чтения данных, чтобы «не тормозить» работу компьютера или смартфона (планшета).

Высокая скорость работы оперативной памяти обеспечивается совершенно другими технологиями, чем технологии хранения данных в постоянной памяти. Такие скоростные технологии требуют постоянного подключения к источнику электропитания (220В или аккумуляторная батарея). Оперативная память должна быть энергозависимой, то есть она должна быть постоянно «под напряжением» и бесперебойно снабжаться электроэнергией.

По объемам (по мощности) потребления электрической энергии на первом месте, как правило, стоит процессор – основной элемент любого компьютера или мобильного гаджета. А на втором месте стоит оперативная память, которая тоже «с большим аппетитом» потребляет электроэнергию.

Благодаря энергетической «подпитке» оперативная память по своим техническим характеристикам несравнимо быстрее, чем энергонезависимая постоянная память устройства. Тем самым оперативная память задает тон в работе компьютера и телефона, обеспечивает их быструю работу «без тормозов» и зависаний.

Рис. 1. Примерно так выглядят микросхемы оперативной памяти компьютера. В мобильных гаджетах микросхемы будут значительно меньшего размера даже при сопоставимом с компьютером объеме памяти.

Оперативная память предназначена для хранения данных во время работы компьютера, ноутбука, планшета, смартфона, айфона, телефона. Все данные из оперативной памяти бесследно стираются при выключении устройства. Причем, данные стираются как при нормальном, так и при аварийном отключении компьютера или гаджета. Аварийно компьютер может отключиться, например, из-за отключения электроэнергии, питающей его, а мобильное устройство либо ноутбук – из-за полного разряда аккумуляторной батареи.

Как в оперативной памяти размещаются одновременно несколько работающих программ и приложений

Оперативная память современных устройств является достаточно объемной. Это необходимо, чтобы там можно было разместить несколько программ или приложений, работающих одновременно. Важный аспект работы оперативной памяти – это деление всей оперативной памяти на множество разделов. Такую работу проводят операционные системы компьютеров и гаджетов.

Процессор благодаря своей архитектуре и быстродействию может одновременно обслуживать несколько задач. По этой причине в оперативной памяти используется динамическое распределение памяти. При таком делении под каждую обрабатываемую процессором программу, приложение, задачу отводятся динамические разделы оперативной памяти.

Динамический характер работы оперативной памяти рассчитан на то, чтобы распоряжаться имеющейся памятью более эффективно и экономно. Операционная система может своевременно «изымать» «лишние» участки памяти у одних программ и «добавлять» дополнительные участки памяти другим программам в зависимости от их важности, объема обрабатываемой информации, срочности выполнения и т.п.

Приложение (прикладная программа) работает в пределах отведенного ей участка оперативной памяти. Оно не «видит» других приложений (программ), «не знает» об их наличии, и не представляет себе, что происходит в остальных разделах оперативной памяти. Такая автономность приложений в оперативной памяти позволяет сразу нескольким приложениям (программам) одновременно работать в компьютере или в мобильном телефоне, не мешая друг другу.

Почему могут зависать программы и приложения в оперативной памяти?

Причины могут быть самые разные. От банальной нехватки оперативной памяти, если ее мало, и она уже занята другими программами и приложениями. До сложных и непредсказуемых ошибок в программном коде приложений.

Зависания также могут быть из-за аппаратных сбоев, когда начинает отказывать оборудование, «железо». Например, из-за перегрева комплектующих компьютера или мобильного телефона, из-за технического брака. Не все компьютеры и гаджеты одинаковые и постоянно работоспособные. Попадаются среди них неисправные, у которых может что-то отказать, к сожалению.

Как бороться с частыми зависаниями программ и приложений на компьютере или смартфоне, планшете?

Первое, что желательно сделать, если зависания стали часто повторяться, это снизить нагрузку на компьютер или гаджет. Удалить из него «лишние» программы и файлы. Надо постараться сделать так, чтобы на компьютере или на мобильном устройстве одновременно работало как можно меньше программ и приложений.

Действия компьютера или мобильного гаджета при нехватке оперативной памяти и что делать пользователю

Оперативная память стоит относительно дорого. Поэтому в бюджетных моделях компьютеров и мобильных телефонов производители часто экономят на объеме оперативной памяти. Это значительно удешевляет стоимость устройства.

В дорогих гаджетах, компьютерах, ноутбуках, планшетах оперативной памяти значительно больше. Но даже если оперативной памяти много, то, как ни странно это звучит, ее может быть мало. Ведь память быстро израсходуется, если на компьютере или на мобильном телефоне

Все это расходует оперативную память.

Как только оперативная память подходит к концу, операционная система компьютера или гаджета «задумывается» о том, как бы ее расчистить. Автоматически запускаются всяческие процедуры по поиску «залежавшейся» в оперативной памяти информации и по ее сбросу, например, в специальную область постоянной памяти. На выполнение подобных процедур тратится драгоценное время работы процессора, задействуется оперативная и постоянная память. И всё это для того, чтобы лишь продолжить выполнение запущенных приложений.

В итоге – приложения «висят» в ожидании, пока операционная система решит проблему с дефицитом оперативной памяти. А пользователь вынужден ждать, когда то или иное приложение станет доступно.

Совсем плохо, когда программа или приложение изначально требует оперативной памяти больше, чем она есть в наличии на устройстве. Попытка установить и запустить, скажем, мощную игру, требующую оперативной памяти больше, чем есть на компьютере или на ноутбуке – это путь в никуда. Будут одни зависания и тормоза.

– А как операционная система может выделить приложению оперативной памяти больше, чем у нее есть в наличии?
– Да, никак!

В подобных приложениях (играх, программах) всегда есть описание требований к конфигурации компьютера (ноутбука). И их нужно смотреть перед установкой программы на компьютер, а также сравнивать с конфигурацией компьютера (ноутбука).

Достаточный объем оперативной памяти

Оперативной памяти должно быть достаточно для работы одновременно всех приложений (программ), которые требуются пользователю. В противном случае компьютеру или смартфону не хватит оперативной памяти, и он сильно замедлит свою работу. При этом не исключены подвисания и даже полные зависания вплоть до перезагрузки.

Если же оперативной памяти в устройстве мало, что называется, по определению, то не стоит запускать одновременно несколько приложений (программ). Все равно это не ускорит работу, а наоборот, только замедлит. Лучше работать в однозадачном режиме, по очереди запуская программы и приложения. В итоге получится все равно быстрее, чем бесконечно долго ждать, пока операционная система высвободит хоть небольшой кусочек оперативной памяти для одновременной работы сразу нескольких программ и приложений.

Можно ли увеличить размер оперативной памяти в компьютере или в мобильном телефоне

Рис. 2. Модуль оперативной памяти на материнской плате в компьютере

Размер оперативной памяти определяют микросхемы памяти, установленные в компьютере или в мобильном аппарате.

В стационарном (не переносном) компьютере есть возможность заменить микросхемы памяти с одних на другие. Например, можно попытаться вместо микросхем одного объема памяти поставить микросхемы другого, бОльшего объема памяти. Или можно увеличить число микросхем оперативной памяти, если это технически возможно. Тогда оперативная память может заметно вырасти.

В ноутбуках возможностей замены микросхем значительно меньше. Очень часто конструкция ноутбука не позволяет менять микросхемы памяти. Тогда увеличить объем оперативной памяти, увы, не получится.

Что же касается мобильных устройств: планшеты, смартфоны, айфоны и другие, то в них пока нет возможностей для увеличения (изменения) объема оперативной памяти. Мы покупаем эти устройства сразу с тем, что заложено в них внутри. Поменять на другой объем будет невозможно.

Как быть, если со временем перестает удовлетворять размер оперативной памяти мобильного телефона? Увы, выход пока один: приобретение нового устройства взамен теперь уже «технически» устаревшего телефона с маленьким объемом оперативной памяти.

Об увеличении объема постоянной памяти компьютера или мобильного телефона

В стационарных компьютерах, практически, всегда есть возможность подключить дополнительные внутренние или внешние жесткие диски, что значительно увеличивает размер постоянной памяти. Можно наращивать постоянную память в разы и даже на порядки.

В ноутбуках возможностей для установки внутренних жестких дисков очень мало, редко где это возможно. Чаще всего для ноутбуков подходит вариант подключения внешних жестких дисков, флешек, карт памяти. Подобное подключение дает прирост размера постоянной памяти в разы.

В смартфонах, работающих под операционной системой Андроид, весьма часто предусматривают места для установки карт памяти. И, начиная с операционной системы Андроид версии 6.0 и выше, именно на карты памяти можно устанавливать приложения. В более ранних версиях Андроида карты памяти использовались лишь для размещения данных, фотографий, текстов, видео и других файлов пользователя.

Применение карт памяти в Андроиде позволяет в несколько раз увеличивать объем постоянной памяти устройства.

А вот «яблочные» гаджеты такой возможности, как установка дополнительных карт памяти, не предоставляют. Там предлагается использовать облачные сервисы для расширения постоянной памяти. Правда, для этого нужно иметь хороший и стабильный скоростной интернет.

Все дополнительные устройства памяти, включая облачные сервисы от Apple, разумеется, стоят денег. Чем больше объем дополнительной памяти, тем она дороже.

Кстати, далеко не в любой компьютер, не в любой мобильный гаджет можно установить дополнительную память большого размера. Нужно предварительно ознакомиться с ограничениями, которые обычно публикуют на сайтах производителей. Иначе можно «выбросить деньги на ветер». А приобретенная дополнительная память может быть не распознана в компьютере или в мобильном телефоне. Либо будет распознана не вся новая память, а лишь ее мЕньшая часть.

Почему увеличение размера постоянной памяти не ускоряет компьютер или мобильный телефон

Увеличить оперативную память не всегда возможно. Однако производители компьютеров и мобильных устройств предусмотрели значительно больше возможностей для увеличения размера постоянной памяти устройств.

Увеличение размера постоянной памяти никак не отражается на производительности устройства.

Дополнительная постоянная память не приводит к ускорению работы операционной системы, программ и приложений. Скорее даже наоборот: чем больше постоянная память, тем больше приложений (программ) пользователь может установить в компьютер или в смартфон. А значит, тем больше будет соблазн все эти программы (приложения) запустить одновременно. Что в конечном итоге может привести к «тормозам» и «зависаниям».

Увеличение размера постоянной памяти дает возможность хранить на устройстве (в компьютере, в смартфоне, на планшете) больше фотографий, видео, текстов, других файлов данных. Дополнительная постоянная память позволяет устанавливать больше новых приложений и программ.

Но, к сожалению, рост постоянной памяти не влияет на увеличение скорости работы компьютера или мобильного гаджета. На скорость работы влияет в первую очередь мощность процессора устройства. И во вторую очередь – объем оперативной памяти.

Статья впервые опубликована 27.06.2011.
Последнее обновление 23.01.2020.

Нашли ошибку? Выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

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