Для чего нужна ram

Что нужно знать при выборе оперативной памяти для компьютера

Что такое оперативная память

Оперативная память (озу, ram, оперативка) — это запоминающее устройство в виде планки с микросхемами для компьютера или микросхемы для других устройств, которое предназначено для хранения данных, исполняемых в текущий момент программ, игр, приложений и другого программного кода, который обрабатывает процессор.

Является энергозависимой, что означает, при отключении питания — все данные на ней стираются. На английском расшифровывается полностью — Random Access Memory. Скорость чтения и записи у ОЗУ намного выше, чем у не энергонезависимой ПЗУ, например, чем у жесткого диска.

Немного теории

Аббревиатура ОЗУ расшифровывается как — оперативное запоминающее устройство. По сути, это оперативная память, которая в основном используется в ваших компьютерах. Принцип работы любого типа ОЗУ построен на хранении информации в специальных электронных ячейках. Каждая из ячеек имеет размер в 1 байт, то есть в ней можно хранить восемь бит информации. К каждой электронной ячейке прикрепляется специальный адрес. Этот адрес нужен для того, чтобы можно было обращаться к определенной электронной ячейке, считывать и записывать ее содержимое.

Также считывание и запись в электронную ячейку должна осуществляться в любой момент времени. В английском варианте ОЗУ — это RAM. Если мы расшифруем аббревиатуру RAM (Random Access Memory) — память произвольного доступа, то становится ясно, почему считывание и запись в ячейку осуществляется в любой момент времени.

Информация хранится и перезаписывается в электронных ячейках только тогда, когда ваш ПК работает, после его выключения вся информация, которая находится в ОЗУ, стирается. Совокупность электронных ячеек в современной оперативке может достигать объема от 1 ГБ до 32 ГБ. Типы ОЗУ, которые сейчас используются, носят название DRAM и SRAM.

Для чего нужна оперативная память

Оперативная память предназначена для быстрого доступа к данным исполняемых в текущий момент процессов — программ, игр, файлов и т.д.

Так, чем больше будет установлено оперативки на компьютере или другом устройстве, например, телефоне — тем больше в ней сможет хранится информации и тем быстрее будет к ней доступ. Это даст намного более быструю работу и производительность в работе приложений и самой ОС.

Как работает ОЗУ — RAM

Любая программа, приложение, ядро операционной системы и другие исполняемые файлы, при их загрузке вначале попадают в оперативку, оттуда их обрабатывает процессор и возвращает обратно. Т.е. все обрабатываемые данные хранятся именно в ней.

Только после того, как вы нажмете на «Сохранить» если этого не предусматривает сама программа, данные будут записаны на жесткий диск или SSD.

Т.е. все, что вы видите на своем экране в данный момент должно находиться в оперативной памяти, это и открытые окна, программы, вкладки в браузере, да практически вся операционная система. Также это работает и на смартфонах под управлением IOS и Android.

Оперативная память — виды

Каждый год виды оперативок обновляются и улучшаются. Но есть два основных — это:

DRAM разделяется на несколько подвидов, рассмотри два наиболее известных:

Каждое поколение таких планок добавляет к названию одну букву. Так, на данный момент самой последней ОЗУ вида DDR является DDR4. А для графического адаптера — GDDR6.

По интерфейсу подключения ОЗУ также бывают разных типов:

Объем

Определить роль оперативки в компьютере несложно. Нашей главной вычислительной единице, процессору, для беспрерывной работы необходима постоянная подпитка данными. Все дровишки сложены на винчестере, но кристаллу он сродни огромному складу, находящемуся за тысячу километров. Информация с него идет слишком медленно и не может удовлетворить потребности камня. И вот чтобы дорогая штука не простаивала, существует оперативная память, локальный сарайчик, в который заранее завозятся нужные материалы и по мере надобности отправляются к ЦП на запредельной для обычного жесткого диска скорости.

Что же хранится в сарайчике? Да все подряд. Если интересно, нажмите прямо сейчас Ctrl+Alt+Delete и посмотрите на цифры в «Диспетчере задач». Гигабайта полтора занимает десяток открытых в браузере вкладок, около сотни мегабайт кушает антивирус, понемногу заполняет пространство системное ПО. И пока остается свободное место, выглядит это мирно и буднично. Ключевое слово — «пока».

Запуск ресурсоемкого приложения или даже открытие особо «тяжелой» странички в Google Chrome — и памяти как не бывало. С точки зрения бестолковой железки, все нормально. Ну нет быстрого хранилища, и фиг с ним: закинем файлы в «своп» (кусочек HDD, выделяемый на подобные случаи) и будем работать дальше. Для нас же такое решение оборачивается адом: тормоза, зависания и разбитые мышки с клавиатурами.

Бороться с ахтунгом можно тремя способами. Первый — перестать нервно кликать по иконкам и пойти пить чай. Рано или поздно система разберется с творящимся ужасом, перераспределит нагрузку и вернется к нормальному состоянию. Второй — следить за запущенными программами и не допускать переполнения памяти: заранее закрывать ненужные вкладки в браузере, завершать работу с Word, фотографиями и графическими редакторами. Ну и третий — самый простой — наращивать объем оперативки.

Сколько брать?

Сколько понадобится системе — зависит от ваших потребностей. Для офисной работы и активного интернет-серфинга достаточно 4 ГБ. Любителям посмотреть онлайн-видео лучше обзавестись 8 ГБ. Ну а людям творческих профессий, не мыслящих себя без фото/аудио/видеоредакторов, может не хватить и 128 ГБ.

Что же касается игр, то вы будете приятно удивлены. На fps объем практически не сказывается. Мы проверили BioShock Infinite и «тяжелейший» Metro: Last Light на стенде с 2, 4, 8 и 12 ГБ оперативки. Между первым и последним вариантами разница составила всего 3%! Конечно, свою роль тут сыграла «чистота» операционки, но общая тенденция понятна: при ограниченном бюджете деньги разумнее вкладывать в видеокарту, а не «лишние» гигабайты, результат будет ощутимее.

Куда сложнее определиться, какие именно планки ставить. Наиболее распространенные — по 2/4/8 ГБ, хотя бывают и раритеты по 1 ГБ или даже по 512 МБ. Казалось бы, самое простое — взять модель потолще и не забивать голову ерундой. Но многих подобная легкомысленность пугает: «А как же двухканальность?» Да, есть такая штука.

Каналы

Как мы уже успели объяснить, память забирает данные с жесткого диска и передает их процессору. Работать по воздуху она не умеет и пользуется шиной данных, за глаза называемой каналом. За такт он может передать до 64 бит информации, а благодаря некоторым особенностям оперативки и все 128 бит (что и зашифровано в названии — Double Data Rate (DDR)). Цифры эти, надо сказать, более чем внушительные и для DDR3-1066 МГц обеспечивают пропускную способность в 8528 МБ/с (та самая маркировка PC-8500). Проблема одна: канал используется всеми модулями по очереди, а отсюда падение производительности.

Решить задачу взялись с выпуском Pentium 4 — пришпандорили материнке еще одну шину, повесили на нее каждую вторую планку и ввели понятие двухканальности. Последнее означало следующее: если поставить два идентичных модуля в слоты разных каналов, то компьютер их воспримет как одну, особо жирную плашку памяти и будет общаться с ней на скорости 256 бит за такт. То есть увеличит пропускную способность с 8528 до 17 056 МБ/с.

Звучит многообещающе, но только в теории. По нашим тестам в Everest, прибавка от дополнительной дорожки составляет всего 3 ГБ/с, которые в играх выражаются в «плюс 2-3%» к счетчику fps (смотрите наши таблички). Конечно, с учетом сравнимой стоимости 2х2 ГБ и 1х4 ГБ — бонус приятный, жертвовать им не стоит, но есть нюанс.

Материнская плата поддерживает строго определенное количество памяти. В ТТХ записано «4х DDR3 до 16 ГБ»? Значит, чипсет может принять четыре модуля объемом до 4 ГБ каждый. Возьмете версии меньшей емкости — в будущем, при апгрейде, не сможете реализовать весь потенциал своей системы.

Если денег сразу на две рекомендуемые модели не хватает, ничего страшного. Берите одну, потом докупите еще планку и организуете двухканалку. Особых проблем с этим сейчас нет, главное — придерживаться правила одинакового объема и скорости, о которой мы расскажем отдельно.

За скоростью

Стандартом для оперативки сегодня считается 1333 МГц. Однако есть планки гораздо быстрее и заметно дороже. Зачем они нужны? Да все для того же — увеличения пропускной способности.

Рассчитывается она просто: частоту модуля умножаем на ширину шины (64 бит) и делим на восемь для перехода к байтам. Из этой формулы вытекает логичное заключение: скорость напрямую влияет на пропускную способность, а значит, ведет к прибавке fps. Только вот если отталкиваться от тестов двухканальности, то для еще одной пары кадров частоту надо повысить в два раза. То есть купить вместо DDR3-1333 МГц версию на 2600 МГц, которая в полтора раза дороже. Стоит ли оно того — решать вам.

В случае положительного ответа не забудьте проверить, поддерживает ли материнка выбранные модели: доступные варианты отмечаются в той же графе, что и максимальный объем. Ну и обратите внимание на тайминги планок. Записываются они в виде четырех чисел — например, «9-9-9-24». Каждая цифра указывает, сколько тактов нужно модулю для перехода к следующей строчке или столбцу с данными. Чем меньше значения, тем лучше для производительности. Как правило, с поднятием частоты тайминги увеличиваются, а это приводит к росту нежелательных задержек.

Классификация и виды SDRAM в современных компьютерах

Наиболее распространенным подвидом памяти DRAM является синхронная память SDRAM. Первым подтипом памяти SDRAM является DDR SDRAM. Модули оперативной памяти DDR SDRAM появились в конце 1990-х. В то время были популярны компьютеры на базе процессов Pentium. На изображении ниже показана планка формата DDR PC-3200 SODIMM на 512 мегабайт от фирмы GOODRAM.

Приставка SODIMM означает, что память предназначена для ноутбука. В 2003 году на смену DDR SDRAM пришла DDR2 SDRAM. Эта память использовалась в современных компьютерах того времени вплоть до 2010 года, пока ее не вытеснила память следующего поколения. На изображении ниже показана планка формата DDR2 PC2-6400 на 2 гигабайта от фирмы GOODRAM. Каждое поколение памяти демонстрирует все большую скорость обмена данными.

На смену формата DDR2 SDRAM в 2007 году пришел еще более быстрый DDR3 SDRAM. Этот формат по сегодняшний день остается самым популярным, хоть и в спину ему дышит новый формат. Формат DDR3 SDRAM сейчас применяется не только в современных компьютерах, но также в смартфонах, планшетных ПК и бюджетных видеокартах. Также память DDR3 SDRAM используется в игровой приставке Xbox One восьмого поколения от Microsoft. В этой приставке используется 8 гигабайт ОЗУ формата DDR3 SDRAM. На изображении ниже показана память формата DDR3 PC3-10600 на 4 гигабайта от фирмы GOODRAM.

В ближайшее время тип памяти DDR3 SDRAM заменит новый тип DDR4 SDRAM. После чего DDR3 SDRAM ждет судьба прошлых поколений. Массовый выпуск памяти DDR4 SDRAM начался во втором квартале 2014 года, и она уже используется на материнских платах с процессорным разъемом Socket 1151. На изображении ниже показана планка формата DDR4 PC4-17000 на 4 гигабайта от фирмы GOODRAM.

Пропускная способность DDR4 SDRAM может достигать 25 600 Мб/c.

Как определить тип оперативки в компьютере

Определить тип оперативной памяти, которая находится в ноутбуке или в стационарном компьютере можно очень легко, используя утилиту CPU-Z. Эта утилита является абсолютно бесплатной. Загрузить CPU-Z можно с ее официального сайта www.cpuid.com. После загрузки и установки, откройте утилиту и перейдите ко вкладке «SPD». На изображении ниже показано окно утилиты с открытой вкладкой «SPD».

В этом окне видно, что в компьютере, на котором открыта утилита, установлена оперативная память типа DDR3 PC3-12800 на 4 гигабайта от компании Kingston. Таким же образом можно определить тип памяти и ее свойства на любом компьютере. Например, ниже изображено окно CPU-Z с ОЗУ DDR2 PC2-5300 на 512 ГБ от компании Samsung.

А в этом окне изображено окно CPU-Z с ОЗУ DDR4 PC4-21300 на 4 ГБ от компании ADATA Technology.

Данный способ проверки просто незаменим в ситуации, когда нужно проверить на совместимость память, которую вы собираетесь приобрести для расширения ОЗУ вашего ПК.

Как узнать имеющуюся оперативную память:

Правой кнопкой по надписи (значку) Компьютер (Мой компьютер), затем выбираем Свойства, в появившемся окне можно узнать сколько оперативной памяти установлено и задействовано.

Как узнать разрядность операционной системы:

В том же окне, и по той же инструкции можно узнать тип операционной системы (разрядность).

Расположение чипов

Перед тем, как приобрести оперативную память, рекомендую ознакомиться с мануалом к вашей материнской плате. Зачастую пользователь, приобретая и устанавливая новую память, сталкивается с такой проблемой, как синий экран с ошибкой или черный экран. Этому, как правило, служит два случая: расположение чипов памяти на модуле озу и тайминги. О втором опишу ниже, в следующем подзаголовке.

Существуют модули озу с распайкой чипов на одной стороне и с двух сторон. Например, зачастую планка памяти DDR3 с чипами лишь с одной стороны — не подходит на материнские платы старых поколений (с сокетами Intel 775, 1156 и тд, AMD AM2, AM3, FM2 и тд), а с двухсторонней распайкой чипов являются универсальными и поддерживаются всеми материнскими платами.

Вот как выглядят модули оперативной памяти с распайкой чипов с одной стороны (рис. А) и с двух сторон (рис. Б).

Оперативная память с распаянными чипами с одной стороны
Оперативная память с распаянными чипами с двух сторон

Тайминги

На что следует обратить внимание перед покупкой, так это на частоту и тайминги. Подбирайте тайминг тот же, что и у вас на установленной планке памяти. Если поддерживаемые тайминги разнятся, то вы получите черный экран.

У оперативных памятей с одинаковыми, на первый взгляд, характеристиками, могут быть отличия с таймингами. Например, озу Goodram GR1333D364L9/2G [DDR3, 2 ГБ, 1333 МГц, PC10600] имеет тайминги 9-9-9-24, а Kingston ValueRAM KVR13N9S6/2 [DDR3, 2 ГБ, 1333 МГц, PC10600] 9-9-9-36. Старайтесь подбирать одинаковые поддерживаемые тайминги, в этом случае, вероятность, что компьютер выдаст черный экран, сводится к минимуму.

Что делает RAM

Итак, теперь мы знаем, что эти флешки на материнской плате вашего ПК являются системной оперативной памятью и работают как кратковременная память, но что всё это означает на практике? Что ж, когда вы выполняете действия на своём компьютере, например, открываете текстовый документ, компьютеру требуется доступ к данным, содержащимся в этом файле. Когда вы не работаете с этим документом или нажимаете кнопку «Сохранить», последняя копия этого файла сохраняется на жёстком диске в долговременном хранилище.

Однако когда вы работаете с файлом, самые свежие данные хранятся в ОЗУ для более быстрого доступа. Это верно для электронных таблиц, текстовых документов, веб-страниц и потокового видео.

Это не просто данные документов. В ОЗУ также могут храниться файлы программ и ОС, чтобы приложения и ваш компьютер продолжали работать. Однако RAM — не единственный источник краткосрочной памяти. Например, графическая карта имеет собственное графическое ОЗУ, и центральный процессор имеет небольшую оперативную память в виде кэша данных.

Тем не менее RAM является ключевым местом для данных, которые активно используются системой.

Что такое DDR?

В настоящее время наиболее распространённой формой оперативной памяти является DDR4. Это четвёртая версия синхронной динамической оперативной памяти с двойной скоростью передачи данных (DDR SDRAM). «Двойная скорость передачи данных» означает, что данные могут передаваться дважды за такт, а не только один раз. По сути, это означает, что вы удваиваете пропускную способность памяти, а также означает, насколько быстро данные могут быть перемещены в ОЗУ и из неё.

До DDR4 компьютеры использовали (сюрприз, сюрприз!) DDR3. Компьютеры нередко используют оперативную память DDR3. DDR4 вышла в конце 2014 года и стала самым распространенным типом оперативной памяти лишь несколько лет спустя.

Накопители RAM имеют «ключ», чтобы различать поколения и не путать их. Если вы посмотрите, например, на карту RAM, показанную выше, вы увидите небольшую выемку в нижнем ряду. На DDR4 этот разделитель находится в другом месте, поэтому (наряду с другими различиями) невозможно вставить карту памяти DDR3 в слот DDR4.

ОЗУ также бывает двух типов: DIMM и SODIMM. DIMM используется в настольных ПК и серверах в корпусе Tower, в то время как SODIMM используется в небольших устройствах, таких как ноутбуки и компактные настольные компьютеры. Некоторые готовые компьютеры (особенно ноутбуки) также могут иметь модули оперативной памяти, непосредственно припаянные к материнской плате. Если у ноутбука отсутствует дополнительный разъём RAM, то добавление или обновление памяти невозможно.

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