что и как хранится в ячейках оперативной памяти

Как устроена оперативная память компьютера

З наете ли вы, что такое оперативная память? Конечно, знаете. Это такое устройство, от которого зависит скорость работы компьютера. В общем, так оно и есть, только выглядит такое определение немного дилетантски. Но что в действительности представляет собой оперативная память? Как она устроена, как работает и чем один вид памяти отличается от другого?

Компьютерная память

Оперативная память, ОЗУ она же RAM (англ.) — это энергозависимая часть компьютерной памяти, предназначенной для хранения временных данных, обрабатываемых процессором. Хранятся эти данные в виде бинарной последовательности, то есть набора нулей и единиц. Энергозависимой же она называется потому, что для её работы необходимо постоянное подключение к источнику электрического тока. Стоит только отключить её от питания, как вся хранящаяся в ней информация будет утеряна.

Но если ОЗУ это одна часть компьютерной памяти, тогда что представляет собой её другая часть? Носителем этой части памяти является жесткий диск. В отличие от ОЗУ, он может хранить информацию, не будучи подключён к источнику питания. Жесткие диски, флешки и CD-диски — все эти устройства именуются ПЗУ, что расшифровывается как постоянное запоминающее устройство. Как и ОЗУ, ПЗУ хранят данные в виде нулей и единиц.

Для чего нужна ОЗУ

Тут может возникнуть вопрос, а зачем вообще нужна оперативная память? Разве нельзя выделить на жестком диске буфер для временного помещения обрабатываемых процессором данных? В принципе можно, но это был бы очень неэффективный подход.

Физическое устройство ОЗУ

Физически ОЗУ представляет съёмную плату (модуль) с располагающимися на ней микросхемами памяти. В основе микросхемы лежит конденсатор — устройство, известное уже больше сотни лет.

Каждая микросхема содержит множество конденсаторов связанных в единую ячеистую структуру — матрицу или иначе ядро памяти. Также микросхема содержит выходной буфер — особый элемент, в который попадает информация перед тем, как быть переданной на шину памяти. Из уроков физики мы знаем, что конденсатор способен принимать только два устойчивых состояния: либо он заряжен, либо разряжен. Конденсаторы в ОЗУ играют ту же роль, что и магнитная поверхность жёсткого диска, то есть удержание в себе электрического заряда, соответствующего информационному биту. Наличие заряда в ячейке соответствует единице, а отсутствие — нулю.

Как в ОЗУ записывается и читается информация

Понять, как в ОЗУ происходит запись и считывание данных будет проще, если представить её в виде обычной таблицы. Чтобы считать данные из ячейки, на горизонтальную строку выдаётся сигнал выбора адреса строки (RAS). После того как он подготовит все конденсаторы выбранной строки к чтению, по вертикальной колонке подаётся сигнал выбора адреса столбца (CAS), что позволяет считать данные с конкретной ячейки матрицы.

Характеристика, определяющая количество информации, которое может быть записано или прочитано за одну операцию чтения/записи, именуется разрядностью микросхемы или по-другому шириной шины данных. Как нам уже известно, перед тем как быть переданной на шину микросхемы, а затем в центральный процессор, информация сначала попадает в выходной буфер. С ядром он связывается внутренним каналом с пропускной способностью равной ширине шины данных. Другой важной характеристикой ОЗУ является частота шины памяти. Что это такое? Это периодичность, с которой происходит считывание информации, а она совсем не обязательно должна совпадать с частотой подающегося на матрицу памяти сигнала, что мы и увидим на примере памяти DDR.

В современных компьютерах используется так называемая синхронная динамическая оперативная память — SDRAM. Для передачи данных в ней используется особый синхросигнал. При его подаче на микросхему происходит синхронное считывание информации и передача её в выходной буфер.

Представим, что у нас есть микросхема памяти с шириной шины данных 8 бит, на которую с частотой 100 МГц подаётся синхросигнал. В результате за одну транзакцию в выходной буфер по 8-битовому каналу попадает ровно 8 бит или 1 байт информации. Точно такой же синхросигнал приходит на выходной буфер, но на этот раз информация попадает на шину микросхемы памяти. Умножив частоту синхросигнала на ширину шины данных, мы получим ещё один важный параметр — пропускную способность памяти.

8 бит * 100 МГц = 100 Мб/с

Память DDR

Это был простейший пример работы SDR — памяти с однократной скоростью передачи данных. Этот тип памяти сейчас практически не используется, сегодня его место занимает DDR — память с удвоенной скоростью передачи данных. Разница между SDR и DDR заключается в том, что данные с выходного буфера такой ОЗУ читаются не только при поступлении синхросигнала, но и при его исчезновении. Также при подаче синхросигнала в выходной буфер с ядра памяти информация попадает не по одному каналу, а по двум, причём ширина шины данных и сама частота синхросигнала остаются прежними.

Для памяти DDR принято различать два типа частоты. Частота, с которой на модуль памяти подаётся синхросигнал, именуется базовой, а частота, с которой с выходного буфера считывается информация — эффективной. Рассчитывается она по следующей формуле:

эффективная частота = 2 * базовая частота

В нашем примере с микросхемой 8 бит и частотой 100 МГц это будет выглядеть следующим образом.

8 бит * (2 * 100 МГц) = 200 Мб/с

Чем отличаются DDR от DDR2, DDR3 и DDR4

Количеством связывающих ядро с выходным буфером каналов, эффективной частотой, а значит и пропускной способностью памяти. Что касается ширины шины данных (разрядности), то в большинстве современных модулей памяти она составляет 8 байт (64 бит). Допустим, что у нас есть модуль памяти стандарта DDR2-800. Как рассчитать его пропускную способность? Очень просто. Что такое 800? Это эффективная частота памяти в мегагерцах. Умножаем её на 8 байт и получаем 6400 Мб/с.

И последнее. Что такое пропускная способность мы уже знаем, а что такое объём оперативной памяти и зависит ли он от её пропускной способности? Прямой взаимосвязи между этим двумя характеристиками нет. Объём ОЗУ зависит от количества запоминающих элементов. И чем больше таких ячеек, тем больше данных может хранить память без их перезаписи и использования файла подкачки.

Источник

Как работает оперативная память вашего компьютера?

Любые данные в компьютере — это нули и единички. Текст, который вы читаете прямо сейчас, передался с нашего сервера прямо на ваш компьютер и записался в памяти — он представляет собой последовательность нулей и единичек. Прямо сейчас вы смотрите на ваш монитор, который состоит из пикселей и отображает наш сайт. Изображение — это тоже нули и единицы. Видео — это нули и единицы. Музыка — нули и единицы. Любой контент, доступный на вашем компьютере можно представить в виде нулей и единиц. Но как?

Оперативная память — это сложное устройство, и знать его работу будет полезно каждому

Стоит начать с того, что компьютер понимает только двоичную систему счисления. В жизни мы используем десятичную, так как у нас 10 пальцев и нам она попросту удобнее, но у компьютера нет 10 пальцев — он может работать только с логическими устройствами, которые работают только в двух состояниях — включен или выключен, есть подача тока или нет подачи тока. Если логическое устройство активно, значит подача тока есть и бит равен единице, если подачи тока нет, значит бит равен нулю. Бит — это самая маленькая единица измерения. 1 бит может иметь всего два состояния 1 и 0. 1 байт — это 8 бит. Таким образом, если перебрать все возможные комбинации нулей и единиц, получим, что в 1 байте может храниться 256 комбинаций битов или 2 в степени 8. Например, «0000001», «0000010» или «10110010» — любую букву английского алфавита можно представить в виде 8 битов (1 байта).

Двоичный код выглядит именно так!

Благодаря различным кодировкам мы можем представить любую информацию в двоичном виде. То же касается и наших программ, написанных на различных языках программирования. Чтобы запустить какую-либо программу, её необходимо скомпилировать в двоичный код. Таким образом, в двоичном виде можно представлять как данные, так и инструкции (код) для работы с этими данными. Существуют еще и интерпретируемые языки (JavaScript, Python), в этом случае интерпретатор по ходу выполнения программы анализирует код и компилирует его в язык, понятный нашему компьютеру, то есть в последовательность нулей и единиц, и в этом случае нет необходимости компилировать программу каждый раз при желании запустить её.

Как работает процессор?

Нельзя говорить о памяти, не сказав пару слов о процессоре. Процессор и оперативной память довольно похожи, так как в обоих случаях используются логические устройства, которые могут принимать лишь два состояния. Однако процессор выполняет задачи, связанные с вычислениями. Для этого у него имеется устройство управления — именно на него поступают наши инструкции, арифметико-логическое устройство — оно отвечает за все арифметические операции (сложение, вычитание и так далее) и регистры.

Помимо оперативной памяти, в компьютере имеется кэш-память. Если вам интересна эта тема, можете изучить наш недавний материал.

Так как инструкции, поступающие на процессор, работают с данными из памяти, эти данные нужно где-то хранить. Брать их постоянно из оперативной памяти — слишком долго, поэтому в процессоре имеется своя память, представленная в виде нескольких регистров — она является самой быстрой памятью в компьютере.

Что такое регистр? Регистр в процессоре представлен в виде триггера, который может хранить 1 бит информации. Триггер — это один из множества логических элементов в микрочипах. Благодаря своей логике он способен хранить информацию. Вот так выглядит D-триггер:

Это D-триггер и он способен хранить информацию. Каждое простейшее логическое устройство, включая D-триггер, состоит из логических операций. На фото выше можно заметить знак «&» — это логическое И

Таблица истинности для логического «И»

Верхний переключатель «D» в D-триггере меняет значение бита, а нижний «C» включает или отключает его хранение. Вам наверняка интересно, как устроен этот «D-триггер». Подробнее работу триггеров вы можете изучить по видеоролику ниже:

Помимо D-триггера, существуют также RS-триггер, JK-триггер и другие. Этой теме посвящена не одна книга, можете изучить логические устройства микрочипов самостоятельно. Было бы неплохо углубиться еще и в тему квантовых процессоров, потому что очевидно, что будущее именно за ними.

Из чего состоит оперативная память?

Теперь вернемся к нашей памяти, она представляет собой большую группу регистров, которые хранят данные. Существует SRAM (статическая память) и DRAM (динамическая память). В статической памяти регистры представлены в виде триггеров, а в динамический в виде конденсаторов, которые со временем могут терять заряд. Сегодня в ОЗУ используется именно DRAM, где каждая ячейка — это транзистор и конденсатор, который при отсутствии питания теряет все данные. Именно поэтому, когда мы отключаем компьютер, оперативная память очищается. Все драйвера и другие важные программы компьютер в выключенном состоянии хранит на SSD, а уже при включении он заносит необходимые данные в оперативную память.

Вам наверняка будет интересно узнать виды оперативной памяти. На эту тему у нас есть отличный материал

Ячейка динамической оперативной памяти, как уже было сказано выше, состоит из конденсатора и транзистора, хранит она 1 бит информации. Точнее, саму информацию хранит конденсатор, а за переключения состояния отвечает транзистор. Конденсатор мы можем представить в виде небольшого ведерка, который наполняется электронами при подаче тока. Подробнее работу динамической оперативной памяти мы рассмотрели еще 7 лет назад. С тех пор мало что изменилось в принципах её работы. Если конденсатор заполнен электронами, его состояние равно единице, то есть на выходе имеем 1 бит информации. Если же нет, то нулю.

Как компьютер запоминает данные в ОЗУ?

Последовательность битов или 1 байт «01000001», записанный в ОЗУ, может означать что угодно — это может быть число «65», буква «А» или цвет картинки. Чтобы операционная система могла понимать, что означают эти биты, были придуманы различные кодировки для разных типов данных: MP3, WAV, MPEG4, ASCII, Unicode, BMP, Jpeg. Например, давайте попытаемся записать кириллическую букву «р» в нашу память. Для этого сначала необходимо перевести её в формат Unicode-символа (шестнадцатеричное число). «р» в Unicode-таблице это «0440». Далее мы должны выбрать, в какой кодировке будем сохранять число, пусть это будет UTF-16. Тогда в двоичной системе Unicode-символ примет вид «00000100 01000000». И уже это значение мы можем записывать в ОЗУ. Оно состоит из двух байт. А вот если бы мы взяли английскую «s», в двоичном виде она бы выглядела вот так «01110011».

Дело в том, что английский алфавит занимает лишь 1 байт, так как в UTF-кодировке он умещается в диапазон чисел от 0 до 255. В 256 комбинаций спокойно вмещаются числа от 0 до 9 и английский алфавит, а вот остальные символы уже нет, поэтому, например, для русских символов нужно 2 байта, а для японских или китайских символов нам понадобится уже 3 и даже 4 байта.

Вот мы и разобрались с тем, как работает оперативная память и как можно записать в неё данные. Понравился материал? Делитесь им с друзьями и давайте обсудим его в нашем чате.

Источник

# факты | Как работает оперативная память?

Оперативная память (ОЗУ, RAM), самая известная из всех рассмотренных ранее форм компьютерной памяти. Эту память называют памятью «произвольного доступа» («random access»), поскольку вы можете получить доступ к любой ее ячейке непосредственно. Для этого достаточно знать строку и столбец, на пересечении которых находится нужная ячейка. Известны два основных вида оперативной памяти: динамическая и статическая. Сегодня мы подробно рассмотрим принцип «дырявого ведра», на котором основана динамическая память. Некоторое внимание будет уделено и статической памяти, быстрой, но дорогой.

Ячейка памяти подобна дырявому ведру

Подобно подробно рассмотренному ранее микропроцессору, чип памяти является интегральной микросхемой (ИС, IC), собранной из миллионов транзисторов и конденсаторов. Одним из наиболее распространенных видов памяти произвольного доступа является DRAM (динамическая память произвольного доступа, dynamic random access memory). В ней транзистор и конденсатор спарены и именно они образуют ячейку, содержащую один бит информации. Конденсатор содержит один бит информации, то есть «0» или «1». Транзистор же играет в этой паре роль переключателя (свитча), позволяющего управляющей схеме чипа памяти считывать или менять состояние конденсатора.

Конденсатор можно представить себе в виде небольшого дырявого «ведерка», которое при необходимости заполняется электронами. Если оно заполнено электронами, его состояние равно единице. Если опустошено, то нулю. Проблемой конденсатора является утечка. За считанные миллисекунды (тысячные доли секунды) полный конденсатор становится пустым. А это значит, что или центральный процессор, или контроллер памяти вынужден постоянно подзаряжать каждый из конденсаторов, поддерживая его в наполненном состоянии. Подзарядку следует осуществлять до того, как конденсатор разрядится. С этой целью контроллер памяти осуществляет чтение памяти, а затем вновь записывает в нее данные. Это действие обновления состояния памяти осуществляется автоматически тысячи раз за одну только секунду.

Конденсатор динамической оперативной памяти можно сравнить с протекающим ведром. Если его не заполнять электронами снова и снова, его состояние станет нулевым. Именно эта операция обновления и внесла в название данного вида памяти слово «динамическая». Такая память или обновляется динамически, или «забывает» все, что она «помнила». Есть у этой памяти существенный недостаток: необходимость постоянно обновлять ее требует времени и замедляет работу памяти.

Устройство ячейки динамической оперативной памяти (DRAM)

Итак, представим себе тетрадный лист. Некоторые клеточки закрашены красным фломастером, а некоторые остались белыми. Красные клеточки это ячейки, состояние которых «1», а белые — «0».

Только вместо листа из тетради в оперативной памяти используется кремниевая пластина, в которую «впечатаны» столбцы (разрядные линии, bitlines) и строки (словарные шины, wordlines). Пересечение столбца и строки является адресом ячейки оперативной памяти.

Динамическая оперативная память передает заряд по определенному столбцу. Этот заряд называют стробом адреса столбца (CAS, Column Adress Strobe) или просто сигналом CAS. Этот сигнал может активировать транзистор любого бита столбца. Управляющий сигнал строки именуется стробом адреса строки (RAS, Row Adress Strobe). Для указания адреса ячейки следует задать оба управляющих сигнала. В процессе записи конденсатор готов принять в себя заряд. В процессе чтения усилитель считывания (sense-amplifier) определяет уровень заряда конденсатора. Если он выше 50 %, бит читается, как «1»; в остальных случаях, как «0».

Осуществляется также обновление заряда ячеек. За порядком обновления следит счетчик. Время, которое требуется на все эти операции, измеряется в наносекундах (миллиардных долях секунды). Если чип памяти 70-наносекундный, это значит, полное чтение и перезарядка всех его ячеек займет 70 наносекунд.

Сами по себе ячейки были бы бесполезны, если бы не существовало способа записать в них информацию и считать ее оттуда. Соответственно, помимо самих ячеек, чип памяти содержит целый набор дополнительных микросхем. Эти микросхемы выполняют следующие функции:

У контроллера памяти есть и другие функции. Он выполняет набор обслуживающих задач, среди которых следует отметить идентификацию типа, скорости и объема памяти, а также проверку ее на ошибки.

Статическая оперативная память

Статическая оперативная память быстрее, но и стоит дороже. По этой причине статическая память используется в кэше центрального процессора, а динамическая в качестве системной оперативной памяти компьютера. Более подробно о статической памяти написано в разделе «Кэш-память и регистр процессора» материала, посвященного преодолению ограничений компьютерной памяти.

В современном мире чипы памяти комплектуются в компонент, именуемый модулем. Порой компьютерные специалисты называют его «планкой памяти». Один модуль или «планка» содержит несколько чипов памяти. Не исключено, что вам приходилось слышать такие определения, как «память 8×32» или «память 4×16». Разумеется, цифры могли быть иными. В этой простой формуле первым множителем является количество чипов в модуле, а вторым емкость каждого модуля. Только не в мегабайтах, а в мегабитах. Это значит, что результат действия умножения следует разделить на восемь, чтобы получить объем модуля в привычных нам мегабайтах.

К примеру: 4×32 означает, что модуль содержит четыре 32-мегабитных чипа. Умножив 4 на 32, получаем 128 мегабит. Поскольку нам известно, что в одном байте восемь бит, нам нужно разделить 128 на 8. В итоге узнаем, что «модуль 4×32» является 16-мегабайтным и устарел еще в конце минувшего века, что не мешает ему быть превосходным простым примером для тех вычислений, которые нам потребовались.

Тема оперативной памяти настолько обширна, что мы вернемся к ней еще. Нам предстоит узнать о том, какие бывают типы оперативной памяти и как устроен ее модуль. Продолжение следует…

Источник

Краткая история RAM

Без оперативной памяти представить компьютер сложно. Да и не нужно. Без этого компонента обойтись нельзя. Все манипуляции с данными производятся в RAM, после чего передаются на накопитель или отправляются в иное устройство. Или наоборот, какая-то инфа извне поступает в компьютер (а именно в RAM), обрабатывается, и передается еще куда-то.

Даже краткое рассмотрение истории развития RAM – тема отдельного материала. И весьма обширного. Остановлюсь на используемом ныне типе оперативной памяти – DDR.

Аббревиатура расшифровывается как удвоенная скорость передачи данных (Double Data Rate). В отличие от предыдущей SDR данные передавались по обоим фронтам тактирующего сигнала. Это позволило вдвое повысить пропускную способность по сравнению с SDR, у которой использовался только фронт тактового сигнала.

Первый коммерческий чип был выпущен в 1998 году компанией Samsung. Спецификацию такой памяти организация JEDEC опубликовала в июне 2000 года, а спустя пару месяцев появилась первая материнская плата с поддержкой DDR. Память работала на частотах от 100 МГц до 200 МГц. Эффективная частота, учитывая использование фронта и спада тактового импульса, составляла от 200 до 400 МГц. Количество контактов разъема равнялось 184. Напряжение питания – 2.5 В.

В 2004 году свет увидело новое поколение, DDR2. За счет улучшений рабочие частоты лежали в диапазоне 200-600 МГц (эффективные – 300-1 200 МГц). Изменился разъем, у которого стало 240 контактов. Напряжение питания снизилось до 1.8 В.

Следующее поколение, DDR3, появившееся в 2007 году, вновь удвоило частоту работы (рабочая от 400 МГц до 1 200 МГц, эффективная – 800-2 400 МГц). Количество контактов не изменилось, но сам разъем несовместим с DDR2. Напряжение снижено до 1.5 В. Позже выпущена модификация с пониженным напряжением питания, равным 1.35 В. Такие модули помечались как DDR3L.

В 2014 году вышло актуальное на сегодняшний день поколение DDR4. Привычно удвоились частоты (800-1 600 МГц рабочая частота и 1 600-3 200 МГц эффективная), изменился разъем, в котором стало 288 контактов. Напряжение питания – 1.2 В.

В конце 2021 или в начале следующего года должна быть представлена память DDR5. Опять удвоится пропускная способность, уменьшится напряжение на 100 мВ, запланированы другие изменения.

Все поколения памяти несовместимы, т. е. установить DIMM одного поколения в разъем для памяти другого поколения физически невозможно.

Указанные разъемы, количество контактов справедливо для десктопного форм-фактора DIMM, но параллельно выпускались и компактные модули для ноутбуков.

Форм-фактор RAM

Если не учитывать чипы памяти, которые по тем или иным причинам распаяны на материнских платах (например, в некоторых ноутбуках), установлены на платах видеокарт, накопителей или иных устройств, то форм-факторов модулей RAM два:

Первый используется в десктопных ПК, в серверах. Второй предназначен для ноутбуков, компактных материнских плат (например, Asus PRO H410T/CSM), неттопов (Gigabyte GB-BR) и прочих специализированных устройств.

Хотя размер плат модулей памяти фактически не изменялся у разных поколений, они несовместимы, т. е. установить, например, планrу DDR4 в слот DDR3 невозможно. Почему? Во-первых, физически, различается количество контактов, расположение «ключа» разъема. Во-вторых… Впрочем, достаточно и первого.

Причем, не только между поколениями существуют различия. DDR3 также делится на два типа, «просто» DDR3 и DDR3L. У первой напряжение питания 1.5 В, у второй – 1.35 В, и ставить вместо одной другую не стоит.

Чипы DRAM устанавливаются и в некоторые другие устройства, например, SSD среднего и высокого класса. А видеокарты без них вообще обойтись не могут. Объем памяти в 8, 12, 16, а то и больше гигабайт – обычное дело. Отличия только в типе памяти, в основном это GDDR6(X), и в том, что изменить объем видеопамяти нельзя в силу того, что микросхемы DRAM распаяны на платах.

Посему, о форм-факторе можно говорить только применительно к материнским платам, какие бы они ни были – серверные, для настольных ПК, ноутбучные или для встраиваемых устройств.

Устройство RAM

В основе современной DRAM лежит ячейка, выполненная по схеме 1T1C, т. е. один транзистор (Transistor) и один конденсатор (Capacitor). Схема такой ячейки приведена на иллюстрации ниже.

Если на обкладках конденсатора есть заряд, то при обращении к транзистору ячейки напряжение на нем говорит нам, что в ячейке хранится логическая «1». Если же конденсатор разряжен, то напряжение будет равным нулю и, соответственно, ячейка содержит «0».

Ячейки объединены в большие двумерные массивы, или матрицы, а доступ к каждой конкретной ячейке осуществляется при помощи двух шин – строки и столбца.

Выбранная строка ячеек называется страницей, а n-е количество страниц объединены в банки памяти. Каждая страница подключена к системе адресации строк и столбцов. Чип может содержать несколько таких банков – 4, 8 или более.

При чтении на линии выбора столбцов (битовая линия) подается половинное напряжение питания. Предположим, что оно равно 1.2 В, значит, на шинах выбора столбцов будет 0.6 В. Питание подается на короткое время, после чего линия отключается от общего провода («земли»). Каждая линия обладает определенной емкостью, т. е. фактически представляет собой конденсатор. Напряжение на линиях строк при этом равно нулю, управляющие транзисторы ячеек закрыты.

В действительности, у каждого столбца есть не одна, а пара линий шины строк, которые называются «+» и «-», или четные и нечетные. Между этими парами линий перекрестно установлены инверторы, выполняющие роль усилителей. На обеих линиях устанавливается одинаковое напряжение, т. е. те самые 0.6 В.

Теперь контроллер памяти выдает адрес строки и на нужную строку подается высокое напряжение. Транзисторы открываются и происходит считывание из всех ячеек этой строки в блоке памяти. Физически это означает, что транзисторы каждой ячейки строки открываются, и через них начинает идти ток. Если конденсатор ячейки хранил заряд (логическая «1») то ток течет из конденсатора в одну из двух битовых линий. Если конденсатор был разряжен («логический «0»), то в обратную сторону.

И все бы хорошо, но не обходится без проблем. Сама по себе ячейка, представляющая собой пару транзистор-конденсатор, разового действия и короткоживущая. Не в физическом смысле, а в плане хранения данных. Объясню, что это значит.

Процесс считывания информации из ячейки является деструктивным, т. е. разряжает конденсатор, а это приводит к искажению информации (считали значение – разрядили конденсатор, одноразовое действие). Поэтому, если не принять срочных мер, после считывания информации из ячейки там окажется логический «0», даже если до этого была единица. А ведь мы просто читали из ячейки и ничего менять не собирались.

Такой «срочной мерой» является обновление информации в ячейке, т. е. фактически происходит перезапись ее. Занимается этим сам чип RAM под управлением контроллера. Как это происходит?

В зависимости от того, на какой битовой линии увеличивалось напряжение, происходит подзарядка конденсатора ячейки, в которой хранилась «1», или наоборот, разрядка его, чтобы считывался «0». Выбранная ячейка подключается к шине данных и значение передается контроллеру памяти.

Проблемам видимо скучно приходить в одиночку, и помимо разряда конденсатора при чтении есть еще одна неприятность – конденсатор разряжается как сам по себе (саморазряд), так и за счет утечки в транзисторе между стоком и подложкой.

Чтобы компенсировать это, требуется регенерация памяти. Выполняется она регулярно через определенный интервал времени, например, каждые 64 мс или чаще. Во время регенерации обслуживаемые строки памяти недоступны, т. е. никакие операции чтения/записи производить нельзя.

Выполняться эта операция может по-разному. В некоторых системах все строки банков памяти обновляются одновременно. Может использоваться и метод последовательной регенерации строк.

Думаю, достаточно про устройства DRAM, ибо эта тема весьма обширная, и в механизмы работы ячеек, страниц и проч. можно погружаться долго. Важно то, что оперативная память – это не просто полка, куда что-то положили, и оно там лежит, пока не понадобится. В смысле, оно там конечно лежит, но не скучает, а в тайне от нас участвует во множестве процессов, чтобы мы нашли положенное в том же месте целым и невредимым.

Обратимся к характеристикам материнской платы. Для примера возьмем MSI MAG B550 TOMAHAWK. В разделе, посвященном памяти, в частности, видим такие строчки:

И вот о ранге (или ранке, обзывайте как нравится) чуть подробнее. Процессор имеет 64-битную шину данных каждого канала контроллера. Речь про «гражданские» CPU для десктопов. В то же время каждый чип DRAM 8-битный. Чтобы использовать все возможности процессорного контроллера памяти, каждый модуль RAM имеет как минимум 8 чипов DRAM.

Кстати, узнать размер шины можно в командной строке OC Windows:

wmic memorychip get DataWidth,TotalWidth

Должны отобразиться значения «64, 64», т. е. ширина шины в битах. Если же будет указано значение 72, то значит используется память с ECC, но об этом ниже.

Учитывая, что технологически оперативная память масштабируется плохо, и новые техпроцессы практически никак не помогают в решении этой задачи, использование нескольких чипов позволяет увеличить объем каждого модуля.

Распараллеливание работы также позволяет повысить скорость обмена, т. к. в каждую единицу времени имеется доступ только к одному банку данных. Наличие второго, работающего в этот момент в фоновом режиме, дает возможность параллельно готовить к доступу следующий банк.

Одноранговая память – это, по сути, один набор чипов DRAM, к которым осуществляется доступ контроллером памяти. Двухранговая – два независимых набора, каждый из которых также может адресоваться контроллером. Доступ к каждому набору осуществляется отдельно, их нельзя использовать одновременно.

Как обычно, обратимся к конкретным примерам. Возьмем пару модулей: Kingston KVR29N21S8/16 это одноранговый DIMM, а KVR26N19D8/16, на котором чипы распаяны с обеих сторон печатной платы, двухранговый. При одинаковой емкости в 16 ГБ.

Есть ли какой-либо профит от двухранговой памяти? Да, кроме возможности получить более емкий DIMM, скажем, в 32 ГБ или больше, есть разница в производительности по сравнению с одноранговыми. Все же параллельность, все дела…

Однако на многое рассчитывать не стоит. В теории, двухранговые модули действительно могут предоставить больше производительности, но реальность не совсем такова. Прирост чаще всего есть, но от наличия второго набора чипов скорость работы отнюдь не удваивается. Мало того, и 50-процентного увеличения нет. В лучшем случае получите плюс несколько процентов, ну максимум десяток.

Как правило, с разгоном у двухранговых модулей также не все так хорошо, как у одноранговых. Хотя тут могут быть варианты, модулей памяти большое количество, а комбинаций их с материнскими платами, позволяющими «гнать» компоненты, вообще не сосчитать.

Думаю, все же не ошибусь, если скажу, что для рекордов оверклокинга надо искать одноранговые модули. А если разгон вам малоинтересен, а вот объем более актуален, то принципиальной разницы нет, сколько там этих рангов. Может даже двухранговые будут работать чуточку быстрее.

Следует сказать немного про расположение чипов на модуле DIMM. Не следует путать «двухранговый» модуль и «двухсторонний» модуль. Выглядеть они могут одинаково (чипы на обеих сторонах платы), но двухсторонний совсем не обязательно должен быть двухранговым.

Может быть и наоборот. Например, Kingston KF436C18BB/16 – 16-гигабайтный одноранговый модуль, чипы которого распаяны с обеих сторон платы. А, скажем, Samsung M378A2G43MX3-CTD – двухранговый с односторонним расположением микросхем памяти.

Ориентироваться по количеству и расположению чипов, чтобы определить ранговость памяти, не совсем верно. Лучше все же обращаться к спецификациям или хотя бы к маркировке модулей, которую обычно наносят на каждый DIMM.

Скажем, Samsung и Crucial обычно указывают это на модулях, хотя и не всегда. Другие бренды этим не заморачиваются, показывают только емкость, частоту и основные задержки. В любом случае, точные данные предоставят спецификации модуля RAM на сайте производителя, или обзоры, форумы в интернете.

Задержки (тайминги)

Чаще всего в характеристиках на модули памяти указываются 3-4 значения в строке «тайминги», они же задержки, они же латентность, т. е. время, необходимое на выполнение тех или иных операций. Далее мы разберем их чуть подробнее. В реальности разных задержек много, но четыре считаются основными и наиболее важными при выборе RAM, особенно параметр CAS.

Чтобы разбираться конкретно, возьмем конкретный же модуль памяти, например, Crucial Value DDR4 CT8G4DFS8213. Это 8-гигабайтная планка RAM с тактовой частотой 2 133 МГц. Давайте обратимся к ее характеристикам, в частности, к строчке «тайминги», где указано: «17-17-17». Что это за цифры, что означают? Вот с этим и предстоит разобраться.

CAS(CL)

CAS расшифровывается как Column Address Strobe, в спецификациях обычно обозначается «CL». Это задержка между моментом, когда контроллер выдал памяти запрос адреса столбца блока, содержащего данные, и началом поступления первого бита информации. При этом нужная строка блока уже выбрана, и тем самым мы имеем все данные для чтения нужной ячейки памяти.

CAS показывает, сколько тактов длится эта задержка. Тут просится вывод, что чем меньше это значение, тем лучше. Отчасти да, но не совсем.

Прибегнем к аналогии. Есть два (не полтора, а именно два) землекопа. Один может выкопать необходимую ямку за 17 взмахов лопатой, второму понадобится 22 таких же телодвижения. Внимание, вопрос: кто из работников лучше?

Я бы не торопился с ответом, т. к. мы пока еще не получили весь необходимый объем исходных данных. В частности, сколько времени тратит каждый из работников на выполнение задачи. Первый делает свое дело не спеша и с перекурами. Второй работает быстрее и курит меньше.

Теперь есть все основания предполагать, что второй справится с работой быстрее, хотя и затрачивает на нее больше движений. Значит, как исполнитель он выгоднее. Вопросы оплаты труда, условий работы и проч. не учитываем, мы же про аналогии говорим.

Получается, что реальная задержка зависит как минимум от двух параметров – количества тактов и частоты работы. Это приводит нас выводу, что для вычисления реальной задержки нам надо посчитать затрачиваемое на нее время.

Сделаем это. Формула проста, делим 1 на значение реальной частоты (для 2 133 МГц это 1 066) и умножаем на значение CAS, результат будет в наносекундах:

(1/1 066) * 17 = 15.9 нс

Таким образом, на CAS со значением 17 для модуля с частотой 2 133 МГц необходимо чуть меньше 16 нс.

Если возьмем такой же модуль памяти, но с частотой 3 200 МГц (Crucial CT8G4DFRA32A), то CAS у него будет уже равняться 22. Опять посчитаем время задержки:

(1/1 600) * 22 = 13.8 нс

Вот и получается, что второй «землекоп» хоть и будет больше махать лопатой, но выполнит работу немного быстрее.

Если еще учесть, что у более высокочастотного модуля RAM и пропускная способность больше (у выбранных в качестве примеров модулей CT8G4DFS8213 и CT8G4DFRA32A это 17 000 МБ/с и 25 600 МБ/с соответственно), то производительность второго модуля выше, как и стоимость. Главное, чтобы система смогла использовать все возможности установленной RAM.

Расшифровывается как Row Address to Column Address Delay. Это минимальное количество тактов между моментом активации строки банка данных (выдача сигнала на выбор строки RAS) и доступом к столбцу (начало чтения и, соответственно, задержки CAS).

Помните цитату из фильма:

Вот и в данном случае речь именно про «подожди ты». Это количество циклов, в течение которых выбранная строка должна находиться в активном состоянии до того момента, как будет запущена процедура регенерации. Причем это минимальное значение, т. е. если задержка CAS – это фиксированное значение, то tRAS – изменяемая величина.

По сути, это ожидание окончания цикла выборки данных, чтобы начать обновление ячеек. Величину этой задержки можно принять равной tRCD+CL+время на обработку команд и некоторые иные служебные нужды.

Расшифровывается Row Precharge, т. е. минимальное время от получения команды на выполнение зарядки (precharge) банка памяти и получением следующей команды на активацию строки tRCD.

B-die, C-die, E…

Интересующиеся темой (про гуру в разгоне я не говорю) наверняка не раз встречали упоминание чипов DRAM Samsung B-die. А у Micron, например, E-die… Это степпинги памяти, которые могут существенно повлиять на скорость работы и разгонные возможности того или иного DIMM.

У меня нет цели углубляться в вопрос оверклокинга RAM. Да и не получится, ибо тема эта неисчерпаема, что подтверждают многостраничные, порой, на сотни и сотни страниц ветки в тематических форумах.

Важно знать, что каждый производитель чипов DRAM (не производитель модулей памяти, а именно чипов) выпускает несколько версий своих микросхем. Отражается это в маркировке степпинга. Так, у Самсунга это A-die, B-die, C-die и прочие. Примерно так же маркируются чипы Micron.

Легендарными среди «гонщиков» являются в первую очередь B-die от Samsung. На изображении выше показана структура микросхемы DDR4 B-die емкостью 8 Гб K4A8G085WD-BCTD производства Samsung. Модули с ними потенциально наиболее гонибельные. Потенциально, потому что нельзя обеспечить абсолютно одинаковые характеристики чипов в разных партиях.

Вполне может попасться модуль, который разгонится, но не дотянет до частот, которые дались знакомому на таком же модуле и на схожей системе. Просто не очень повезло с конкретными чипами. Даже в наборе из двух модулей на B-die оба будут хороши, но один все же окажется чуть хорошее.

В 2019 году планировалось прекращение производства чипов B-die, но произошло ли это в реальности тогда, или произошло позже, или она производится до сих пор – утверждать не стану. В любом случае, если повезло стать обладателем модулей на этих чипах, то хорошая скорость работы, невысокие задержки и разгонный потенциал входят в стоимость.

У других брендов оверклокерскими считаются: E-die у Micron, Hynix C-die CJR. В каких модулях находятся какие чипы из спецификаций не узнать. Ориентироваться надо на обзоры, отзывы владельцев и данные, выдаваемые различными утилитами. Например, подробную информацию о модулях памяти выдает утилита Thaiphoon Burner.

ECC-память

Как обычно, рассмотрим на примере. Скажем, возьмем модуль памяти Kingston KSM ValueRAM DDR4 KSM29ES8/8HD емкостью 8 ГБ.

Что в нем отличается от рассмотренных выше? Девять, а не восемь чипов. Хотя мы предполагаем, что восемь микросхем по 8 бит и емкостью по 8 Гб каждая дают нам итоговые 8 гигабайт. Зачем нам еще одна микросхема?

Чтобы защититься от спонтанных ошибок, существует специальный вид памяти, с защитой от ошибок. Используется технология контроля четности, а сама память в своей маркировке имеет аббревиатуру ECC (Error-Correcting Code memory, память с коррекцией ошибок). Именно для исправления ошибок и требуется дополнительный чип. Как правило, каждые 8 чипов RAM доукомплектовываются еще одним.

Не буду углубляться в принципы работы ECC, ибо это находится за рамками разговора. Важно то, что использование такой RAM действительно позволяет обезопасить себя от возможных ошибок и повышает надежность системы.

Правда, использование таких модулей в обычных компьютерах или ноутбуках особого смысла не имеет. Материнские платы для таких ПК обычно не поддерживают эти модули, и устанавливать их не следует. Работать не будет. К тому же ECC RAM стоит немного больше, а производительность немного ниже из-за расходов на обеспечение этой самой коррекции ошибок.

Регистровая память

RDIMM (Registered Memory), она же buffered memory. Этот тип RAM используется в серверах. Свое название получила от наличия специальной микросхемы, буфера на каждом DIMM. И вновь обратимся к примеру.

Этот самый чип содержит регистры-буферы данных, передающихся от контроллера памяти модулям и обратно. Эта микросхема позволяет также снизить электрическую нагрузку на контроллер памяти и тем самым подключить больше DIMM к каждому его каналу. Соответственно, можно получить больший объем ОЗУ в системе.

Такой вид RAM не предназначен для разгона, у него обычно более высокие задержки, но высокая стабильность работы, система коррекции ошибок и более высокий потолок максимального объема памяти. Также он стоит дороже, и для поддержки необходимы серверные материнские платы и процессоры. Для домашнего/офисного ПК или ноутбука RDIMM не применяется.

Не следует путать ECC-RAM и регистровую RAM. Это не одно и то же. Модуль памяти может быть ECC, но не являться регистровым, а вот регистровый DIMM всегда еще и ЕСС.

Дальнейшим развитием буферной памяти является FB-DIMM (Fully Buffered DIMM – полностью буферизованная DIMM). По сути, это та же RDIMM, но буферизуются данные и адресные команды.

Используется микросхема Advanced Memory Buffer (AMB), располагающаяся между контроллером памяти и чипами DRAM. Используется последовательная шина между контроллером и AMB. Благодаря этой дополнительной микросхеме контроллер теперь непосредственно не общается с чипами памяти, а делегирует эти функции посреднику, AMB.

Введение дополнительного узла между контроллером памяти и чипами RAM увеличивает задержки, но компенсирует это коррекцией ошибок, стабильной работой, возможностью использовать большой объем памяти.

Версия печатной платы DIMM

Давайте посмотрим на следующую иллюстрацию.

На ней изображены печатные платы, используемые для изготовления модулей DIMM. Несложно увидеть, что они различаются. Эти различия принято называть ревизией (версией) печатной платы.

Ревизия «A0» создавалась для модулей с частотой 2 133 МГц. Сейчас она используется преимущественно для бюджетных DIMM с далеко не рекордными частотами работы. Это худший дизайн платы для высокочастотных DIMM. Для рабочих частот порядка 4 600 МГц он вообще неприменим. К тому же разгон модулей на «A0» до значения в 4 000 МГц и выше весьма проблематичен.

Ревизия A1. Этот дизайн частенько используется OEM производителями как универсальный, позволяющий изготавливать как «обычную» память, так и с поддержкой ECC. Оверклокерские возможности повыше, чем у плат ревизии «A0».

Ревизия «A2» является, по сути, референсным дизайном платы для модулей памяти DDR4 с частотой 2 666 МГц. Правда, никто не запрещает использовать подобную разводку платы для модулей с любой частотой, даже для самых младших с рабочей частотой 2 133 МГц. Это лучший вариант для работы RAM на высоких частотах и для разгона.

От ревизий «A0» и «A1» отличается в первую очередь расположением чипов DRAM. Они распаяны группами по 4 ближе к краям модуля, а также ближе к контактам разъема, тем самым оставляют среднюю часть платы свободной. Это улучшает электрические характеристики прохождения сигналов, снижает помехи, и в конечном счете улучшает производительность.

У ревизии «A2» оказался и еще один приятный бонус. В наш век засилья светодиодов везде, где их только можно разместить, 2-я ревизия платы с ее свободной средней частью и расположением чипов ближе к нижнему края модуля оставляет много места для организации подсветки.

Надо сказать, что представленные выше на иллюстрации дизайны печатных плат совсем не догма, и никто не запрещает внести в них свои изменения. В конце концов, для размещения светодиодов это делать приходится в любом случае.

В частности, в серии модулей Corsair Dominator с подсветкой печатная плата «A2» больше по размеру, в верхней части размещены светодиоды, а между ними и чипами памяти находятся изолирующие проводники.

Насколько я знаю, компания GEIL в своих моделях DDR4 с подсветкой использует только «A2» печатные платы. А, например, модуль памяти Crucial MTA8ATF1G64AZ существует как на платах ревизии «A1», так и «A2».

Память памяти (ROM у RAM)

В процессе загрузки компьютера при прохождении процедуры Power-On Self-Test (POST) система узнает, какие модули памяти установлены и какие у них параметры. Кто им это сообщает?

Давайте присмотримся к модулю Crucial Value DDR4 CT8G4DFS8213. Примерно в середине платы, аккурат над вырезом разъема примостилась небольшая микросхема. Разберемся, для чего она нужна.

Небольшой чип – это SPD (Serial Presence Detect), который хранит информацию о параметрах модуля памяти. Производители тестируют каждую микросхему, проверяя, на какой частоте и с какими таймингами можно получить стабильную работу. Затем чипы со сходными характеристиками собираются вместе и устанавливаются на DIMM модуль.

Частоты работы, тайминги, данные о производителе и некоторая другая информация – все хранится в этой маленькой микросхеме, и все это считывается в процессе запуска компьютера до загрузки операционной системы. Эта информация позволяет точно настроить режим обмена с RAM.

В определенной мере данную микросхему можно сравнить с BIOS материнской платы, правда, с большими ограничениями по объему информации и узкой направленностью для обслуживания исключительно данного DIMM.

Многие модели RAM имеют также поддержку XMP. Это разработанный Intel стандарт работы памяти Extreme Memory Profile (XMP). Как можно догадаться из названия, это некий «экстремальный» режим работы модуля. Так и есть, по сути, это выполненный уже на заводе разгон, которым можно и нужно воспользоваться. В результате увеличится частота памяти, изменятся тайминги, напряжение питания.

Правда, при соблюдении некоторых условий:

Профиль XMP необходимо вручную включить в BIOS материнской платы. По умолчанию установленный DIMM будет работать на некоей штатной частоте, скажем, 2 133 МГц, 2 400 МГц и т. п. Например, комплект из двух модулей Ballistix BL2K8G26C16U4R в штатном режиме работает на частоте 2 666 МГц с таймингами 19-19-19-43, а при активации XMP получаем уже 3 200 МГц при таймингах 16-18-18-36 при напряжении питания 1.35 В.

Значения профиля XMP прописаны в той же микросхеме, что и SPD. При этом никто не запрещает самостоятельно поэкспериментировать с параметрами RAM – изменить частоту, увеличить/уменьшить основные задержки, поиграться с напряжением. Естественно, это на ваш страх и риск с шансом на нестабильную работу, синие экраны и прочие подобные «удовольствия».

Опять-таки при условии, что материнская плата позволяет вручную изменять эти параметры, т. е. в ней используются чипсеты с поддержкой разгона памяти. У AMD это X570, B550, а у Intel это можно делать на Z590, W580, H570, B560.

Получить данные об установленных модулях памяти в вашей систем можно, если в командной строке ОС Windows ввести:

wmic memorychip get Manufacturer,Capacity,PartNumber,Speed,DeviceLocator,ConfiguredVoltage,MemoryType

Вы получите информацию об установленных DIMM. Правда, для DDR4 параметр MemoryType скорее всего отобразит 0.

Радиаторы охлаждения

Если открыть каталог с существующими в продаже модулями памяти, то большАя, если не бОльшая их часть будет иметь радиаторы. Для чего они нужны?

Если отбросить факт, что это очень удобная штука для установки подсветки и вообще улучшения внешнего вида планок памяти, то основное назначение этих железок – охлаждение. И если мы говорим о высокочастотной памяти с низкими таймингами, тем более предназначенной для разгона, то установка радиаторов имеет смысл.

При этом в продаже есть немалое количество DIMM вообще без охлаждения. Значит ли это, что мы имеем дело с бюджетной памятью, которая отлично будет работать на штатных частотах, но почти не поддается разгону?

В каких-то случаях да. Судя по имеющейся информации, например, модули Patriot Memory Signature PSD48G320081 обходятся без радиаторов и не гонятся почти никак. Правда, частота у них изначально не самая маленькая, 3 200 МГц, но вот добиться большего вряд ли получится. Тем более, что и ревизия печатной платы тут «A0».

А бывает и наоборот. Например, можно посмотреть на отзывы счастливых владельцев 8-гигабайтных модулей Samsung M378A1K43BB2-CRC, которые разгоняют их со штатных 2 400 МГц или 2 666 МГц до 3 200 МГц и выше. И без всяких радиаторов. Хотя это не значит, что не надо организовывать нормальную вентиляцию корпуса.

Поэтому если изначально идет речь о приобретении высокоскоростного модуля памяти, да еще и с перспективой серьезного разгона до частот порядка 4 000 МГц и выше, то металлический радиатор лишним точно не будет.

Если же речь про штатные частоты в районе 3 000 МГц, а разгон и, особенно, световые шоу в корпусе совсем не интересуют, то отсутствие радиатора отнюдь не причина отказываться от рассмотрения той или иной модели DIMM без дополнительного охлаждения чипов памяти.

Корпусировка чипов RAM

Выше я частенько призывал посмотреть на количество чипов, распаянных на DIMM, и сделать какие-то из этого выводы. Надо признаться, что простой подсчет количества чипов памяти не всегда отражает реальную емкость данного модуля или его конфигурацию.

Приведу пример. Модули Patriot Memory Signature PSD48G320081 и PSD416G240081 имеют по восемь чипов. При этом объем первого 8 ГБ, а второго 16 ГБ. Дело в том, что внутри корпуса микросхемы может располагаться несколько кристаллов памяти.

Отсюда следует вывод, что первый взгляд на модуль следует подкрепить данными из спецификаций, чтобы начать делать выводы об интересности для вас этого DIMM для покупки.

Заключение. Анатомия RAM – сложный маленький организм

Если эстетическая составляющая внутреннего мира системного блока не пустой звук, то к перечисленным выше параметрам следует добавить наличие красивого радиатора с разноцветной подсветкой.

Сложнее с любителями разгона. Здесь в большей степени интересует анатомия RAM. Какой степпинг чипов и кем произведены, ранговость, какая версия печатной платы. Надо учесть платформу, для которой подбирается RAM, тайминги, возможность разгона. Желательно ознакомиться со статистикой результатов оверклокинга данных модулей у коллег по цеху.

В результате, оперативная память хоть и является одним из самых компактных компонентов в ПК (если сравнивать с видеокартами, жесткими дисками, кулерами и т. п.), но не так проста по сути. Знание тонкостей поможет сделать правильный выбор и позволит получить дополнительные FPS в играх, уменьшить время тех или иных расчетов, да и просто сделать компьютер более отзывчивым.

Источник