Основные типы памяти: статическая и динамическая память

Оперативная память

Память — один из основных компонентов любого компьютера, будь то карманный ПК или мощный сервер. По мере дальнейшего увеличения быстродействия микропроцессоров эффективное быстродействие элементов памяти часто становится узким местом компьютерных систем.

Обычно рассматривают модель четырехуровневой иерархии памяти: кэш-память первого уровня (сверхоперативная L1), кэш-память второго уровня (сверхоперативная L2), основная (оперативная) и внешняя память (жесткие диски). В качестве основных критериев при таком делении выступают быстродействие и цена; последняя, в свою очередь, влияет на типичные размеры конкретного вида памяти.

 Современная индустрия постоянно вводит в употребление новые технологии, и основанные на них запоминающие устройства различаются по многим параметрам, начиная с архитектурных особенностей и заканчивая форм-фактором монтажного модуля памяти.

Основные типы памяти: статическая и динамическая память

Говоря о классификации памяти, прежде всего её делят на два типа: статическая память (Static RAM) и динамическая память (Dynamic RAM). Как было сказано выше, в статической памяти используются определённым образом выстроенные транзисторы, образующие триггеры — ячейки памяти. Одна ячейка памяти хранит 1 бит информации. Наиболее современные SRAM ячейки состоят из шести КМОП транзисторов и представляют собой самый быстрый тип памяти в мире. В противоположность, динамическая память объединяет транзистор и конденсатор для сведения к минимуму размеров ячейки. Недостатком такого устройства является необходимость периодически подзаряжать конденсатор, что обуславливает задержки доступа к памяти (это именно то, что называется таймингом). Хотя DRAM и обладает явным преимуществом в компактности относительно SRAM, её скорость не может и близко сравниться со скоростью, обеспечиваемой SRAM. Именно поэтому сверхбыстрая память (например, кэш центрального процессора) всегда конструируется из SRAM ячеек. Но из-за больших габаритов SRAM является более дорогим типом и не может быть использована повсеместно. DRAM же максимально компактна и используется в большинстве мест, где более важен объем, чем мгновенный доступ.

 

Синхронная и асинхронная память

DRAM может быть классифицирована по функциональности. Все знают, что неотъемлемой частью многих электронных устройств является тактовый генератор, генерирующий специальные импульсы, организующие и синхронизирующие работу основных компонентов. Синхронная память (SDRAM) может принимать или отправлять данные только в момент начала или окончания тактового импульса (мы еще вернёмся к этому далее). К асинхронной же памяти доступ можно получить в любой момент работы системы, и это является весьма значительным преимуществом.

Микросхемы и модули

Емкость микросхем памяти традиционно измеряется в битах, а вот применительно к модулям используют байты (1 Мбайт = 8в1 Мбит). Обозначение 1 Мх4 означает, что данная микросхема может адресовать один мегабит ячеек, в каждой из которых может храниться 4 бита информации. Говорят также, что емкость такой микросхемы 4 Мбит. Как правило, емкость микросхем памяти растет с инкрементом 4. Дело в том, что добавление одной адресной линии позволяет увеличить количество строк (и столбцов) в матрице памяти вдвое, всего же ее размер возрастает вчетверо.

Каждый кристалл памяти (рис. 2) содержит ячейки, в которых может храниться несколько разрядов данных. Например, 16-Мбит кристалл может быть сконфигурирован как 4 Mбит x 4, 2 Mбит x 8 или 1 Mбит x 16, но во всех случаях его общая емкость равна 16 Mбит. Число разрядов на ячейку показывает, сколько бит передается одновременно при обращении к ней. Микросхемы памяти помещают в корпуса для поверхностного монтажа на печатных платах типа SOJ (Small Outline J-lead), TSOP (Thin Small Outline Package) или CSP (Chip Scale Package). Маркировка, нанесенная на корпус любой микросхемы, как правило, содержит специальные обозначения, включающие, например, страну, наименование (или логотип) фирмы-изготовителя, дату выпуска и т. п. Но самое главное — она несет в себе информацию о типе памяти, емкости, времени доступа и других архитектурных и технологических подробностях.

Рис. 2. Кристаллы памяти на подложке.

Элементы динамической памяти для первых персональных компьютеров конструктивно были выполнены в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP (Dual In line Package), которые устанавливались на системную плату в специальные посадочные места или распаивались. Затем на смену отдельным микросхемам пришли модули памяти типа SIPP (Single In line Pin Package), SIMM (Single In line Memory Module) и DIMM (Dual In line Memory Module). Эти модули представляют собой небольшие текстолитовые платы с печатным монтажом и установленными на них микросхемами памяти. Для подключения к системной плате на SIMM- и DIMM-модулях используется печатный («ножевой») разъем, а на SIPP-модулях — штыревой. SO DIMM (Small Outline DIMM) — это разновидность DIMM-модулей малого размера, предназначенная в первую очередь для портативных устройств. Наиболее часто встречаются 72- и 144-контактные модули (разрядность соответственно 32 и 64 бит).

Для современных модулей памяти используются многослойные печатные платы. Стандарты предъявляют специальные требования к слоям, расстоянию между дорожками и качеству разводки. Большинство печатных плат имеют четыре слоя (два сигнальных, питание и «масса»). Сигналы и питание и масса должны быть разведены по разным слоям. Отдельные фирмы-производители плат используют шестислойные печатные платы, где каждый сигнальный слой располагается между слоями массы и питания, что уменьшает возможность возникновения шумов и электромагнитных наводок между линиями.

У DIMM-модулей, в отличие от SIMM, контакты на противоположных сторонах платы электрически не связаны между собой. Это дает возможность практически вдвое увеличить количество выводов модуля. Сами микросхемы памяти также устанавливаются на плате с двух сторон. Стоит отметить, что по форм-фактору DIMM-модули DDR SDRAM отличаются от SDRAM: число контактов в них увеличилось со 168 до 184, а изменившееся положение ключа не позволяет вставить модули DIMM DDR в разъемы для SDRAM.

Модули DIMM подразделяются по напряжению питания и нагрузочной способности (буферизированные и небуферизированные). Модули с высокой нагрузочной способностью обычно применяются в системах с большим объемом памяти, так как из-за высокой электрической емкости модулей памяти время их подзарядки (а память нужно всегда подзаряжать, чтобы она не очистилась) становится очень большим, что приводит к потере тактов и вообще чревато ошибками. Буферные микросхемы сохраняют поступившие данные довольно быстро, освобождая контроллер от излишней нагрузки. Понятно, что из-за дополнительных задержек производительность такого рода памяти немного ниже. Первое поколение таких модулей носило название Buffered DIMM и использовалось с памятью типа FPM и EDO. Второе поколение DIMM позволило, наряду с памятью EDO и FPM, использовать SDRAM, а аналогом памяти Buffered для второго поколения стала так называемая память типа Registered. В качестве буферов обычно используются микросхемы приемопередающих устройств (шинных усилителей).

Для наиболее ответственных приложений, где цена ошибки очень высока, используются не обычные модули с проверкой на четность, а модули с коррекцией ошибок ECC (Error Correction Code). Напомним, что идея, лежащая в основе метода ECC, довольно проста — каждый разряд памяти входит более чем в одну контрольную сумму. Это требует увеличения числа контрольных разрядов, но дает возможность восстанавливать значение сбойного бита по несовпадающим контрольным суммам. Итак, ECC использует один разряд четности на байт информации для нахождения одиночных ошибок, а для исправления требуется 7 бит для 32- и 8 бит для 64-разрядной памяти. При этом легко обнаруживаются двойные ошибки.

Перспективной технологией предотвращения ошибок в памяти считается IBM Chipkill. При ее использовании отказ отдельной микросхемы, независимо от ее разрядности, не затронет более одного разряда в каком-либо из слов ECC. Например, в 4-разрядной микросхеме DRAM отдельные биты из всей четверки попадают в разные слова ECC, т. е. в разные адресные пространства памяти. Поэтому даже в случае полного отказа микросхемы количество ошибочных разрядов в словах ECC не превысит единицу, а такую ошибку механизм ECC устраняет автоматически.

Ни один современный модуль памяти не может обойтись без такого компонента, как микросхема SPD (Serial Presence Detect — последовательное определение наличия). Интерфейс последовательного детектирования, регламентированный на данный момент для всех модулей памяти форм-фактора SIMM/DIMM/RIMM, использует двухпроводной протокол управления системой (SMBus, System Management Bus). Протокол совместим со спецификацией Inter-IC (I2C или IIC), с его помощью простые микросхемы могут общаться с остальной частью системы. Принцип использования шины SMBus в случае SPD сводится к передаче данных от микросхемы ППЗУ (EEPROM), установленной на модуле, соответствующим регистрам контроллера памяти, находящегося в составе «северного» моста или концентратора контроллеров основных интерфейсов. Данные передаются через SMBus-интерфейс объединенного контроллера периферийных компонентов («южный» мост или концентратор контроллеров ввода-вывода) при помощи системного BIOS. Таким образом, система получает все необходимые данные о модуле и настраивается на оптимальный режим работы согласно записанным в микросхему SPD значениям. Все модули, поддерживающие схему последовательного детектирования, должны в обязательном порядке поддерживать операции записи страницы как минимум четырех последовательных адресов. Сама схема SPD характеризуется интерфейсным протоколом, размером карты программирования, типом используемых данных и содержанием. Интерфейсный протокол (SPD Interface Protocol) характеризует электрические, геометрические и физические параметры используемой микросхемы ППЗУ.

Графическая память GDDR5.

Название этого типа может ввести в заблуждение, поэтому следует отметить, что данный тип памяти является специфическим: она используется исключительно в графических ускорителях (видеокартах). Это отдельная «ветвь разработки» DDR, являющаяся наследником DDR3 и запущенная в производство в 2010 году.

Нужен ли памяти радиатор?

Сейчас уже давно не те времена, когда при напряжении в 2 В достигалась частота работы в 1600 МГц, и в результате выделялось много тепла, которое надо было как-то отводить. Тогда радиатор мог быть критерием выживаемости разогнанного модуля.

 

В настоящее время же энергопотребление памяти сильно снизилось, и радиатор на модуле может быть оправдан с технической точки зрения, только если вы увлекаетесь оверклокингом, и модуль будет работать у вас на запредельных для него частотах. Во всех остальных случаях радиаторы можно оправдать, разве что, красивым дизайном.

В случае, если радиатор массивный, и заметно увеличивает высоту планки памяти – это уже существенный минус, поскольку он может помешать вам поставить в систему процессорный суперкулер. Существуют, кстати, специальные низкопрофильные модули памяти, предназначенные для установки в компактные корпуса. Они несколько дороже модулей обычного размера.

 

Что такое тайминги?

Тайминги, или латентность (latency) – одна из самых важных характеристик оперативной памяти, определяющих её быстродействие.

Упрощённо оперативную память можно представить, как двумерную таблицу, в которой каждая ячейка несёт информацию. Доступ к ячейкам происходит по указанию номера столбца и строки, и указание это происходит при помощи стробирующего импульса доступа к строке RAS (Row Access Strobe) и стробирующего импульса доступа к столбцу CAS (Acess Strobe) путём изменения напряжения. Таким образом, за каждый такт работы происходят обращения RAS и CAS, и между этими обращениями и командами записи/чтения

 

 

существуют определённые задержки, которые и называются таймингами. В описании модуля оперативной памяти можно увидеть пять таймингов, которые для удобства записываются последовательностью цифр через дефис, например 8-9-9-20-27.

· tRCD (time of RAS to CAS Delay) - тайминг, который определяет задержку от импульса RAS до CAS

· CL (timе of CAS Latency) - тайминг, определяющий задержку между командой о записи/чтении и импульсом CAS

· tRP (timе of Row Precharge) - тайминг, определяющий задержку при переходах от одной строки к следующей

· tRAS (time of Active to Precharge Delay) - тайминг, который определяет задержку между активацией строки и окончанием работы с ней; считается основным значением

· Command rate – определяет задержку между командой выбора отдельного чипа на модуле до команды активации строки; этот тайминг указывают не всегда.

 

Если говорить ещё проще, то о таймингах важно знать только одно – чем их значения меньше, тем лучше. При этом планки могут иметь одинаковую частоту работы, но разные тайминги, и модуль с меньшими значениями всегда будет быстрее. Так что стоит выбирать минимальные тайминги, для DDR4 ориентиром средних значений будут тайминги 15-15-15-36, для DDR3 - 10-10-10-30. Также стоит помнить, что тайминги связаны с частотой памяти, так что при разгоне скорее всего придётся поднять и тайминги, и наоборот - можно вручную опустить частоту, снизив при этом тайминги. Выгоднее всего обращать внимание на совокупность этих параметров, выбирая скорее баланс, и не гнаться за крайними значениями параметров.

Оперативная память

Память — один из основных компонентов любого компьютера, будь то карманный ПК или мощный сервер. По мере дальнейшего увеличения быстродействия микропроцессоров эффективное быстродействие элементов памяти часто становится узким местом компьютерных систем.

Обычно рассматривают модель четырехуровневой иерархии памяти: кэш-память первого уровня (сверхоперативная L1), кэш-память второго уровня (сверхоперативная L2), основная (оперативная) и внешняя память (жесткие диски). В качестве основных критериев при таком делении выступают быстродействие и цена; последняя, в свою очередь, влияет на типичные размеры конкретного вида памяти.

 Современная индустрия постоянно вводит в употребление новые технологии, и основанные на них запоминающие устройства различаются по многим параметрам, начиная с архитектурных особенностей и заканчивая форм-фактором монтажного модуля памяти.

Основные типы памяти: статическая и динамическая память

Говоря о классификации памяти, прежде всего её делят на два типа: статическая память (Static RAM) и динамическая память (Dynamic RAM). Как было сказано выше, в статической памяти используются определённым образом выстроенные транзисторы, образующие триггеры — ячейки памяти. Одна ячейка памяти хранит 1 бит информации. Наиболее современные SRAM ячейки состоят из шести КМОП транзисторов и представляют собой самый быстрый тип памяти в мире. В противоположность, динамическая память объединяет транзистор и конденсатор для сведения к минимуму размеров ячейки. Недостатком такого устройства является необходимость периодически подзаряжать конденсатор, что обуславливает задержки доступа к памяти (это именно то, что называется таймингом). Хотя DRAM и обладает явным преимуществом в компактности относительно SRAM, её скорость не может и близко сравниться со скоростью, обеспечиваемой SRAM. Именно поэтому сверхбыстрая память (например, кэш центрального процессора) всегда конструируется из SRAM ячеек. Но из-за больших габаритов SRAM является более дорогим типом и не может быть использована повсеместно. DRAM же максимально компактна и используется в большинстве мест, где более важен объем, чем мгновенный доступ.