Dram что это на материнской

Что под капотом чипа DRAM, этапы развития технологии

“Всем знаком закон Мура, описывающий уменьшение размеров транзисторов в логических схемах. Для того, чтобы он продолжал работать, технологам приходится идти на все новые и новые ухищрения, однако их работу несколько усложняет то, что все чипы очень разные по структуре. А что было бы, если бы можно было оптимизировать технологию под конкретный дизайн микросхемы? Ответ на этот вопрос может дать динамическая память.”

Классический пример работы закона Мура — ячейка статической памяти. Ее схема давно известна и широко используется, занимая десятки процентов площади современных микропроцессоров и систем на кристалле. Именно площадь ячейки статической памяти стали использовать как мерило плотности упаковки новых технологий, когда стало понятно, что длина канала транзистора больше не может быть эталоном проектных норм. Учитывая важность статической памяти, технологи стараются подбирать параметры процессов так, чтобы не только в принципе увеличивать плотность упаковки элементов на кристалле, но и заботиться конкретно о статической памяти. Однако, на чипе всегда есть множество других схем, и если очень сильно упираться в оптимизацию именно памяти, это может выйти боком. Но что было бы, если бы технологию можно было полностью подчинить нуждам схемотехники? Ответ на этот вопрос может дать динамическая память.

В отличие от шеститранзисторной ячейки статической памяти, элемент динамической памяти состоит из всего двух частей — одного МОП-транзистора и одного конденсатора. Это позволяет разместить на одном чипе большое количество информации. Но емкости памяти, как золота, никогда не бывает достаточно, а чипы DRAM обычно содержат только DRAM и производятся такими тиражами, что переделывать технологию под дизайн — вполне состоятельная идея.

Самая первая динамическая память появилась еще во Вторую мировую войну, в вычислительной машине Aquarius, одной из многих, при помощи которых англичане вскрывали немецкие шифры. Впрочем, до широкого внедрения динамической памяти пришлось ждать еще двадцать лет. Эти двадцать лет основным типом памяти в вычислительных устройствах была память на магнитных сердечниках — громоздкая, прожорливая и очень дорогая из-за большого количества кропотливого ручного труда при сборке. Все изменилось, когда в 1966 году Роберт Деннард, работая со статической памятью на МОП-транзисторах, придумал альтернативный подход, позволивший сэкономить на количестве элементов. В честь Деннарда, кстати, названо деннардовское масштабирование, которому должны следовать параметры КМОП-микросхем для того, чтобы работал закон Мура, так что его вклад в увеличение плотности упаковки микросхем поистине огромен.

На этой фотографии Роберт Деннард изображен вместе с ничем иным как схемой и разрезом ячейки DRAM.

Идея Деннарда была гениальна в своей простоте: сердце МОП-транзистора — это конденсатор, образованный затвором, подзатворным диэлектриком и подзатворной областью транзистора. Так почему бы не использовать этот конденсатор… как конденсатор? Если конденсатор заряжен — это логическая единица, если разряжен — логический ноль.

Как видите, все действительно очень просто, и эта простота стала основной коммерческого успеха одной всем известной компании с синим логотипом, первой коммерциализировавшей DRAM в начале семидесятых, а потом запустившей в качестве сайд-проекта микропроцессор 8008. Впрочем, с внедрением гениально идеи пришлось немного подождать, и ячейка самой первой динамической памяти, Intel 1103, содержала не один, а целых три транзистора, а на чипе было размещено 1024 таких ячейки. Почему целых три? Три все еще лучше, чем шесть, а изящная схема с одним транзистором требует наличия на борту относительно сложного усилителя чтения. В распоряжении Intel в 1970 году был процесс с только pMOS-транзисторами (длина канала 8 микрон), поэтому им пришлось сделать раздельные линии для записи и чтения данных.

С появлением КМОП-технологий стало возможно поместить на чипе усилители чтения, и тогда ячейка стала однотранзисторной.

Разрез простейшей ячейки DRAM. Слева транзистор доступа, справа МОП-конденсатор. Два варианта различаются режимом работы МОП-конденсатора, емкость которого на самом деле нелинейна и зависит от приложенного напряжения.

В “обычной” ячейке DRAM чтение происходит следующим образом: битовая линия заряжается до половины питания, после чего замыкается ключ доступа. Если напряжение на запоминающем конденсаторе выше половины питания, напряжение на битовой линии медленно пойдет вверх в результате перетекания в нее заряда из конденсатора. Если на конденсаторе ничего нет, то наоборот, заряд из битовой линии потечет в ячейку памяти, и напряжение на битовой линии начнет падать. К битовой линии подключен специальный усилитель, способный определить, стало напряжение на битовой линии уменьшаться или увеличиваться. Такие усилители способны измерить маленькую разницу в напряжениях, так что не нужно дожидаться полной зарядки или разрядки конденсатора ячейки памяти.

У этой идеи есть только один недостаток — разного рода неидеальности приводят к тому, что конденсатор медленно, но верно разряжается, и данные теряются. В статической памяти эта проблема решается тем, что ячейка содержит обратную связь, подкачивая в себя заряд взамен утекшего — но эта обратная связь как раз и стоит лишних транзисторов. Что же делать, если мы все еще хотим сохранить схему из двух элементов? Время от времени считывать все данные в памяти и перезаписывать их заново. Как часто это нужно делать? Чем реже — тем лучше, чтобы не помешать нормальной работе памяти. Но для того, чтобы конденсатор разряжался медленно, он должен быть большим. Но большой конденсатор — это большая площадь, то есть меньше памяти на таком же чипе. Но если конденсатор маленький, то сохраненный в нем заряд не сможет повлиять на напряжение линии доступа, у которой тоже есть емкость. Правильно разрешить все эти дилеммы и выбрать подходящий размер конденсатора — это работа проектировщиков динамической памяти, не всегда тривиальная и сильно зависящая от особенностей конкретной технологии производства.

График, показывающий изменение ключевых параметров DRAM — площади чипа, площади ячейки и емкости ячейки.

Как видно из рисунка выше, требования к емкости конденсатора в ячейке статической памяти таковы, что она очень мало уменьшается от поколения к поколению. В обычном планарном исполнении конденсатор уже занимал большую часть площади ячейки, и этого было достаточно для памяти первых поколений — все чипы памяти объемом от 4 килобит до 512 килобит были произведены по такой технологии, а также довольно много чипов объемом 1 Мегабит. Объемы памяти росли вместе с уменьшением проектных норм, от 8 микрон в самой первой DRAM до 1.2-1.3 микрона в последних планарных DRAM середины восьмидесятых. И все же, довольно рано стало ясно, что бесконечно наращивать плотность упаковки просто при помощи уменьшения проектных норм не удастся, и нужно искать новые технологические решения, которые смогли бы поддержать емкость на том же уровне при сокращающихся размерах ячейки памяти. Так как же увеличить плотность упаковки?

Удивительно, но разработчики КМОП-технологий задались тем же вопросом намного позже и дотянули обычные планарные транзисторы аж до 28 нанометров. После этого они придумали принципиально вариант транзистора при переходе от проектных норм 28 нм к 22 нм, создав FinFET. Идея FinFET состоит в том, что канал транзистора размещается на подложке не горизонтально, а вертикально, позволяя разместить на одной и той же площади в несколько раз больше транзисторов такого же по сути размера.

Обычный планарный транзистор, планарный транзистор на FDSOI и FinFET. Желтым выделен подзатворный диэлектрик.

С конденсаторами в DRAM случилась точно такая же история, но на пару десятков лет раньше. Причем, если слой транзисторов в микросхеме всегда один (по крайней мере, в прошлом, сейчас и в ближайшем будущем), то конденсатор можно разместить в разных частях кристалла, не обязательно в том же слое, что и транзисторы. Возможных варианта, собственно, два: расположить конденсатор выше или ниже транзистора, и оба этих варианта нашли применение в реальных чипах памяти.

Отдельно стоит рассказать о том, что конкуренция в области DRAM в то время была крайне жестокой, и разработчики постоянно находились под колоссальным прессингом. Ключевыми клиентами были производители мэйнфреймов, от контрактов с которыми зависел не только финансовый успех поставщиков DRAM, но и их репутация: мэйнфреймы считались продуктами высокой надежности, и попадание в них было своеобразным знаком качества. Производители мэйнфреймов, разумеется, пользовались таким положением дел и нещадно давили как по ценам, так и по срокам разработки. Например, широко известен случай, когда компания Hitachi, бывшая одним из лидеров рынка DRAM в конце эпохи плоских ячеек, отказалась от доработок уже имевшихся у них опытных образцов объемных ячеек для чипов емкостью 1 Мбит, потому что оценочные затраты времени на исследования составляли полгода. Вместо этого Hitachi решили делать и 1 Мбит на плоских ячейках и, выиграв в краткосрочной перспективе, все равно оказались позади конкурентов уже довольно скоро после этого решения.

Конденсатор над транзистором

Разрез ячейки памяти с конденсатором, расположенным над транзистором.

Для того, чтобы расположить конденсатор над транзистором, потребовалось добавить в технологию два проводящих слоя и тонкий диэлектрик между ними. По технологическим причинам оказалось удобнее сделать проводящие слои не металлическими, а поликремниевыми — точно так же, как из поликремния делаются затворы транзисторов. Применение поликремниевых конденсаторов позволило уменьшить площадь ячейки памяти в два раза. Это, в сочетании с дальнейшим прогрессом в проектных нормах, позволило не только успешно освоить чипы с 1 Мбит на кристалле, но и довести емкость чипов памяти до 4 Мбит.

Примерно в это же время наметилось и важное изменение не только во внутренней структуре чипов DRAM, но и в том, как они использовались. Во-первых, стал стремительно расти рынок персональных компьютеров — появились дешевые и мощные процессоры, такие как Motorola 68000 и Intel 80286. Во-вторых, если ранние чипы памяти выпускались просто в корпусах для поверхностного монтажа и впаивались в платы мэйнфреймов, то производители и пользователи персональных компьютеров хотели большей гибкости. Так появились модули и разъемы SIMM, одним из пионеров коммерциализации которых на растущем рынке ПК стала основанная в 1987 году компания Kingston Technology.

На 4 Мбит на кристалле аппетиты пользователей, разумеется, не закончились, но ужимать площадь конденсаторов стало уже некуда. Выходом стало не горизонтальное, а вертикальное расположение конденсатора, показанное на рисунке ниже. Принципиально это почти такая же структура из двух слоев поликремния и диэлектриком между ними, но только не плоская, а в виде воронки.

Встроенная DRAM Nintendo Wii, проектные нормы транзисторов — 45 нм.

Изменений хватило для того, чтобы разместить на кристалле до 64 Мбит памяти, но и этого тоже в конечном счете оказалось мало. “Воронки” конденсаторов в конечном счете превратились в высокие тонкие цилиндры, занимающие минимум места не только в длину, но и в ширину.

Вот так выглядят эти цилиндрические конденсаторы.

Когда перестало хватать и этого, технологи научились делать поверхность обкладок не гладкой, а зернистой, таким образом, в несколько раз увеличивая ее площадь. Эта технология называется HSG — hemispherical grain (полусферические зерна). Дальше в ход, как и у транзисторов, пошли high-k диэлектрики, позволившие увеличить емкость за счет большей диэлектрической проницаемости и сделать еще несколько шагов, к емкостям уже в несколько Гигабит на кристалле.

Разрез цилиндрического конденсатора с полусферическими зернами.

У продолжающегося роста плотности упаковки, тем временем, сменился главный драйвер — после мэйнфреймов и персональных компьютеров пришло время мобильных устройств, чрезвычайно требовательных не только к функциональным характеристикам памяти, но также и к ее физическому объему, энергопотреблению и тепловыделению. Все эти факторы еще повысили важность дальнейшего совершенствования DRAM, хотя казалось, что важнее уже некуда.

Конденсатор под транзистором

Параллельно развивалось и другое направление, предполагающее размещение конденсатора под транзистором. Точнее, не “под”, а все еще рядом, но только не горизонтально, а вертикально. В кремнии рядом с транзистором формируется углубление, по-английски называемое “trench”, а по-русски “канавка”. Поверхность этой канавки покрывается тонким слоем оксида, а потом весь объем заполняется проводящим поликремнием, подключенным к земле. Вторая обкладка конденсатора — это сток транзистора доступа.

Создание большой вертикальной структуры потребовало значительного прогресса во многих технологиях микроэлектронного производства. Например, крайне нетривиальной задачей и сейчас является создание отвесной, а не наклонной стенки, а также равномерного тонкого слоя оксида на ее поверхности. Кроме того, возникли и схемотехнические сложности в виде дополнительных путей утечки, причем на этот раз не просто в землю, а из одного бита в другой — по подложке, имеющей довольно высокое, но ненулевое сопротивление. Тем не менее, после некоторой доводки такая структура позволила довести емкость чипов памяти аж до 64 Мбит. Дальше продвинуться не удалось, потому что более близкое расположение канавок сильно увеличивает утечки и не позволяет полноценно реализовать преимущества такой технологии.

Появилась и еще одна, совершенно неожиданная проблема. Свинцовый припой, используемый для корпусирования чипов, содержит, как это ни удивительно, свинец. А свинец всегда содержит небольшие примеси урана, являющегося источником альфа-излучения. Альфа-частицы в тех количествах, в которых их производит свинец, не опасны, в том числе потому, что они имеют очень короткую длину пробега и не выходят за пределы корпуса микросхемы. А вот внутри корпуса они способны достигать активного слоя кремния и, при взаимодействии с ним, генерировать электрический заряд, то есть перезаписывать информацию в ячейках памяти, оказавшихся на пути. Звучит весьма экзотически, но эта проблема оказалась серьезным препятствием при разработке и коммерциализации уже самой первой памяти с канавочными конденсаторами, и в дальнейшем борьба с ней привела к дальнейшим технологическим изменениям в ячейке. И от свинцового припоя в корпусах, разумеется, тоже стали избавляться.

Встроенная DRAM процессора IBM Power 7+. Обратите внимание, насколько глубоки канавки конденсаторов и насколько велик их технологический разброс.

Решением проблем и альфа-частиц, и утечек из одного конденсатора в другой стало перемещение заземленной линии из внутренней части канавки во внешнюю. Таким образом, заземленной линией стала подложка кристалла, а утечки из земли в землю не страшны, равно как и появление в линии земли “лишнего” заряда от альфа-частиц. Платой за такое элегантное решение стала необходимость отделить от подложки транзистор доступа, но к тому времени уже появились технологии с тремя карманами и эпитаксиальными слоями, так что больших сложностой не было. Ячейки подобного вида до сих пор в ходу, начиная от чипов емкостью 64 Мбит и до самых новых кристаллов, содержащих уже 16 Гбит!

Мы в Kingston тоже не остаемся в стороне от прогресса и уже начали внедрение самых современных чипов емкостью 16 Гбит. Kingston начала поставки модулей RDIMM емкостью 64 ГБ в декабре прошлого года, а в июле 2020 года также обновила всю линейку продуктов Server Premier, добавив в неё решения на базе 16-гигабитной памяти общей емкостью 16 или 32 Гигабайта.

Что дальше?

Переход на чипы с емкостью 16 Гбит — это важный шаг, но он далеко не последний, несмотря на то, что как и с обычной КМОП-технологией, плотность упаковки DRAM уже приближается к физическим пределам. На рисунке ниже вы можете видеть все основные конструкции ячейки динамической памяти.

В “первой фазе” развития DRAM ячейка была полностью плоской, и память принципиально не отличалась от обычной КМОП-технологии. Во второй фазе ученые и технологи приложили множество усилий, исследовав и внедрив, кажется, все возможные варианты трехмерного конденсатора — но чип памяти при этом, как и в первой фазе, содержит один слой транзисторов и один слой конденсаторов. Таких технологий хватит еще на какое-то время, но уже не за горами третья фаза, в которой плотность упаковки должна будет еще вырасти. Станет ли транзистор вертикальным? Появятся ли на одном чипе несколько слоев ячеек памяти? Этого мы пока не знаем, но точно понятно, что менее интересно не станет!

Для получения дополнительной информации о продукции Kingston обращайтесь на официальный сайт компании.

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