Компьютерная память

Современные технологии RAM

SPD (Serial Presence Detect)

SPD — это небольшой чип, находящийся на модуле памяти и хранящий некоторые его параметры (рабочее напряжение, число банков, тип, емкость, время доступа и т. д.) . Информация записывается в микросхемы EEPROM, позволяющие запоминать 2048 бит. Первые 128 байт не могут быть перезаписаны и отводятся под некоторую специальную информацию производителя, а оставшееся место доступно пользователю и содержит данные модуля. На модулях «безымянного» производства, как правило, SPD отсутствует, хотя некоторые материнские платы требуют его наличия (например, платы на чипсете 440LX). Возможно, это сделано, чтобы исключить использование «левой» продукции или чтобы избавить пользователя от необходимости делать вручную настройку памяти в BIOS.

Virtual Channel Memory

VCM использует архитектуру виртуального канала, позволяющую более гибко и эффективно передавать данные с использованием каналов регистра на чипе. Данная архитектура интегрирована в SDRAM. VCM, помимо высокой скорости передачи данных, совместима с существующими SDRAM, что позволяет делать апгрейд системы без значительных затрат и модификаций. Это решение также нашло поддержку у некоторых производителей чипсетов.

Конструктивные исполнения DRAM

Различные корпуса DRAM. Сверху вниз: DIP, SIPP, SIMM (30-контактный), SIMM (72-контактный), DIMM (168-контактный), DIMM (184-контактный, DDR)

Модуль SDRAM в 72-контактном корпусе SO-DIMM

Модуль DDR2 в 200-контактном корпусе SO-DIMM

Память типа DRAM конструктивно выполняют и в виде отдельных микросхем (в корпусах типа DIP, SOIC, BGA), и в виде модулей памяти (типов SIPP, SIMM, DIMM, RIMM).

Первоначально микросхемы памяти выпускались в корпусах типа DIP (к примеру, серия К565РУхх), позднее стали выпускаться в корпусах, более технологичных для применения в модулях.

На многих модулях типа SIMM и на большинстве модулей типа DIMM устанавливалась SPD (англ. serial presence detect) — небольшая микросхема памяти EEPROM. На SPD записывались параметры модуля (ёмкость, тип, рабочее напряжение, число банков, время доступа и т. п.). Параметры были доступны для чтения оборудованию, использовались для автонастройки, могли быть прочитаны программно (производителем или пользователем).

SIPP

SIPP (англ. single in-line pin package) — модули памяти, представляющие собой прямоугольные платы с контактами в виде ряда маленьких штырьков. Этот тип конструктивного исполнения уже практически не используется, так как был вытеснен модулями типа SIMM.

SIMM

SIMM (англ. single in-line memory module) — модули памяти, представляющие собой длинные прямоугольные платы с рядом контактных площадок вдоль одной из сторон платы. Модули фиксируются в разъёме (слоте, от англ. slot — щель, прорезь) с помощью защёлок путём установки платы под некоторым углом и нажатия на неё до приведения в вертикальное положение. Выпускались модули на 256Кбайт, 1, 4, 8, 16, 32, 64, 128 Мбайт. Наиболее распространены 30- и 72-контактные модули SIMM.

DIMM

DIMM (англ. dual in-line memory module) — модули память, представляющие собой длинные прямоугольные платы с рядами контактных площадок вдоль обеих сторон платы. Устанавливаются в разъём подключения вертикально и фиксируются по обоим торцам защёлками. Микросхемы памяти на них могут быть размещены как с одной, так и с обеих сторон платы.

SO-DIMM

SO-DIMM (англ. small outline DIMM) — модули памяти, отличающиеся небольшими размерами и предназначенные для применения в портативных и компактных устройствах (на материнских платах форм-фактора Mini-ITX, в ноутбуках, таблетах и т. п.), в принтерах, в сетевой и телекоммуникационной технике и т. п. Широко применяются конструктивно уменьшенные модули DRAM (как SDRAM, так и DDR SDRAM), представляющие собой аналоги модулей DIMM в компактном исполнении для экономии места. Существуют в 72-, 100-, 144-, 200- и 204-контактном исполнении.

RIMM

RIMM (англ. rambus in-line memory module) — модули памяти, применяемые парами. Мало распространены. Выпускаются с памятью типа RDRAM, со 168 или 184 контактами. Из-за особенностей конструкции должны устанавливаться на материнские платы только в парах, в противном случае в пустые разъёмы должны устанавливаться специальные модули-заглушки. Также существуют 242-контактные PC1066 RDRAM модули RIMM 4200, не совместимые со 184-контактными разъёмами, и SO-RIMM — уменьшенные модули памяти, аналоги RIMM, предназначенные для применения в портативных устройствах.

Виды оперативной памяти

На сегодняшний день выпущено четыре вида оперативной памяти: DDR, DDR2, DDR3, DDR4. Они также делятся на 2 форм фактора: DIMM – для компьютеров, SO-DIMM – для ноутбуков. Эти два типа абсолютно разные, их невозможно спутать, для компьютеров они вытянутые, для ноутбуков – короткие. Рассмотрим каждое поколение ОЗУ в отдельности.

DDR – первый тип памяти, ему более 20 лет. Использует напряжение 2.6В. Спецификации DDR SDRAM:

DDR2 – второе поколение оперативной памяти, впервые появилась в 2003 году. Использует напряжение 1.8В. Спецификации DDR2:

DDR3 – это третье поколение, и оно делится на три типа с различным напряжением: DDR3 – 1.5В, DDR3L – 1.35В, DDR3U – 1.25В. Выпуск всех модификаций с 2007 по 2010 год. Спецификации DDR3:

DDR4 – это последнее поколение на сегодняшний день, в массовое производство поступила в 2014 году. Потребляемое напряжение 1.2В. Имеет большее количество различных таймингов. Спецификации DDR4:

Как вы наверное заметили, каждое последующее поколение меньше потребляет энергии, но выдает более высокую производительность. Что придает эффективность в работе и минимальные энергозатраты.

Тайминги

Обычно на микросхеме памяти или в документации к ней есть надпись из четырёх цифр вида 3-4-4-8 или 5-5-5-15. Это сокращенная запись основных таймингов памяти. Тайминг — это задержка, устанавливающая время, необходимое на выполнение какой-либо команды, то есть время от отправки команды до ее выполнения. А каждая цифра обозначает какое именно время необходимо. Схема таймингов включает в себя задержки CL-Trcd-Trp-Tras. Для работы с памятью необходимо для начала выбрать чип, с которым мы будем работать. Делается это командой CS# (Chip Select). Затем выбирается банк и строка. Перед началом работы с любой строкой необходимо ее активировать. Делается это командой выбора строки RAS# (при выборе строки она активируется). Затем нужно выбрать столбец командой CAS#, которая и инициирует чтение. Затем считать данные и закрыть строку, совершив предварительный заряд (precharge) банка.

Модуль So-DIMM производства Samsung

История

Дополнительные сведения: Прямой доступ к памяти

Ранние модели компьютеров, чтобы осуществить функции основной памяти ёмкостью сотни или тысячи бит, использовали реле, память на линиях задержки или различные виды вакуумных трубок.

Триггеры, построенные сперва на вакуумных триодах, а позднее на дискретных транзисторах, использовались для меньших по размеру и более быстрых блоков памяти, таких, как регистры и регистровые хранилища прямого доступа. До разработки интегральных микросхем память прямого доступа (или только для чтения) часто создавалась из матриц полупроводниковых диодов, управляемых дешифраторами адреса.

Ситуация в принципе изменилась с изобретением запоминающих устройств с произвольной выборкой, стала реализуемой разрядно-параллельная память, в которой все разряды слова одновременно считываются из памяти и обрабатываются АЛУ.

Первой коммерческой ЭВМ, использующей новую организацию памяти, стала созданная в 1953 году IBM 701, а первой массово продаваемой (150 экземпляров) — выпущенная в 1955 году IBM 704, в которой были реализованы такие новшества, как память на ферритовых сердечниках и аппаратное средство вычисления чисел с плавающей запятой.

Внешние устройства IBM 704 и большинства компьютеров того времени были очень медленны (например, лентопротяжное работало со скоростью 15 тыс. символов в секунду, что было гораздо меньше скорости обработки данных процессором), а все операции ввода-вывода производились через АЛУ, что требовало принципиального решения проблемы низкой производительности на операциях ввода-вывода.

Одним из первых решений стало введение в состав ЭВМ специализированной ЭВМ, называемой каналом ввода-вывода, которое позволяло АЛУ работать независимо от устройств ввода-вывода. На этом принципе, путём добавления в состав IBM 704 ещё шести каналов ввода-вывода, построена IBM 709 (1958 год).

Первый широко распространённый тип перезаписываемой памяти прямого доступа был запоминающим устройством на магнитных сердечниках, разработанным в —1952 годах, и впоследствии использовался в большинстве компьютеров вплоть до разработки статических и динамических интегрированных каналов оперативной памяти в конце 1960-х — начале 1970-х.

Для построения ЗУПВ современных персональных компьютеров широко применяются полупроводниковые запоминающие устройства, в частности, широко применяются СБИС запоминающих устройств оперативной памяти, по принципу организации подразделяемые на статические и динамические. В ОЗУ статического типа запоминающий элемент представляет собой триггер, изготовленный по той или иной технологии (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП и др.), что позволяет считывать информацию без её потери. В динамических ОЗУ элементом памяти является ёмкость (например, входная ёмкость полевого транзистора), что требует восстановления записанной информации в процессе её хранения и использования. Это усложняет применение ОЗУ динамического типа, но позволяет реализовать больший объём памяти. В современных динамических ОЗУ имеются встроенные системы синхронизации и регенерации, поэтому по внешним сигналам управления они не отличаются от статических.

Принцип действия

Принцип действия чтения DRAM для простого массива 4×4

Принцип действия записи DRAM для простого массива 4×4

На физическом уровне память DRAM представляет собой набор ячеек, способных хранить информацию. Ячейки состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти. Конденсаторы заряжают при записи в ячейку единичного бита и разряжают при записи в ячейку нулевого бита.

При прекращении подачи электроэнергии конденсаторы разряжаются, и память обнуляется (опустошается). Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов (для сохранения данных) конденсаторы необходимо периодически подзаряжать. Подзарядку выполняют путём подачи на конденсаторы напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Необходимость постоянной зарядки конденсаторов (динамическое поддержание заряда конденсаторов) является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM.

Важным элементом памяти типа DRAM является чувствительный усилитель-компаратор (англ. sense amp), подключённый к каждому из столбцов «прямоугольника». При чтении данных из памяти усилитель-компаратор реагирует на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, и считывает одну строку целиком. Чтение и запись выполняются построчно; обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен.

Регенерация

В отличие от статической памяти (памяти типа SRAM (англ. static random access memory), конструктивно более сложной, более дорогой, более быстрой и применяемой в основном в кеш-памяти), медленная, но дешёвая динамическая память (DRAM) изготавливается на основе конденсаторов небольшой ёмкости. Такие конденсаторы быстро теряют заряд, поэтому во избежание потерь хранимых данных конденсаторы приходится подзаряжать через определённые промежутки времени. Этот процесс называется регенерацией памяти, осуществляется специальным контроллером, установленным либо на материнской плате, либо на кристалле центрального процессора. На протяжении времени, называемого шагом регенерации, в DRAM перезаписывается целая строка ячеек, и через 8—64 мс обновляются все строки памяти.

Процесс регенерации памяти в классическом варианте существенно тормозит работу системы, поскольку во время его осуществления обмен данными с памятью невозможен. Регенерация, основанная на обычном переборе строк, в современных типах DRAM не применяется. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса: расширенный, пакетный, распределённый. Наиболее экономичной является скрытая (теневая) регенерация.

Среди новых технологий регенерации — PASR (англ. partial array self refresh), применяемая некоторыми компаниями в чипах памяти SDRAM, отличающихся низким уровнем энергопотребления. Регенерация ячеек выполняется только в период ожидания в тех банках памяти, в которых имеются данные. Одновременно с этой технологией применяется технология TCSR (англ. temperature compensated self refresh), предназначенная для регулирования периода регенерации в зависимости от рабочей температуры.

RAMBUS (RIMM)

RAMBUS (RIMM) — это вид памяти, который появился на рынке в 1999 году.Он основан на традиционной DRAM, но с кардинально измененной архитектурой.Дизайн RAMBUS делает обращение к памяти более «разумным», позволяя получать предварительный доступ к данным, немного разгружая центральный процессор.

Основная идея, использованная в этих модулях памяти, заключается в получении данных небольшими пакетами, но на очень высокой тактовой частоте.Например, SDRAM может передавать 64 бит информации при частоте 100 МГц, а RAMBUS — 16 бит при частоте 800 МГц.

Эти модули не стали успешными, так как у Intel было много проблем с их внедрением.Модули RDRAM появились в игровых консолях Sony Playstation 2 и Nintendo 64.

Перевод: Владимир Володин

DDR3

DDR3 SDRAM (синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, третье поколение) — это тип оперативной памяти, используемой в вычислительной технике в качестве оперативной и видео-памяти.Пришла на смену памяти типа DDR2 SDRAM.

У DDR3 уменьшено на 40% потребление энергии по сравнению с модулями DDR2, что обусловлено пониженным (1,5 В, по сравнению с 1,8 В для DDR2 и 2,5 В для DDR) напряжением питания ячеек памяти.

Снижение напряжения питания достигается за счёт использования 90-нм (вначале, в дальнейшем 65-, 50-, 40-нм) техпроцесса при производстве микросхем и применения транзисторов с двойным затвором Dual-gate (что способствует снижению токов утечки).

Модули DIMM с памятью DDR3 механически не совместимы с такими же модулями памяти DDR2 (ключ расположен в другом месте), поэтому DDR2 не могут быть установлены в слоты под DDR3 (это сделано с целью предотвращения ошибочной установки одних модулей вместо других — эти типы памяти не совпадают по электрическим параметрам).

Характеристики памяти DRAM[править]

Основными характеристиками DRAM являются тайминги и рабочая частота.
Для обращения к ячейке, контроллер задаёт номер банка, номер страницы в нём, номер строки и номер столбца, на все запросы тратится время, помимо этого довольно большая затрата уходит на открытие и закрытие банка после самой операции. На каждое действие требуется время, называемое таймингом. Основными таймингами DRAM являются: задержка между подачей номера строки и номера столбца, называемая временем полного доступа (англ. RAS to CAS delay), задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки, называемая временем рабочего цикла (англ. CAS delay), задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки (англ. RAS precharge). Тайминги измеряются в наносекундах, и чем меньше величина этих таймингов, тем быстрее работает оперативная память. Рабочая частота измеряется в мегагерцах, и увеличение рабочей частоты памяти приводит к увеличению её быстродействия.

DDR3 SDRAM

В таблицах указываются именно пиковые величины, на практике они могут быть недостижимы.
Для комплексной оценки возможностей RAM используется термин пропускная способность памяти. Он учитывает и частоту, на которой передаются данные и разрядность шины и количество каналов памяти.

Пропускная способность = Частота шины x ширину канала x кол-во каналов

Для всех DDR — количество каналов = 2 и ширина равна 64 бита.
Например, при использовании памяти DDR2-800 с частотой шины 400 МГц пропускная способность будет:

(400 МГц x 64 бит x 2)/ 8 бит = 6400 Мбайт/с

Каждый производитель каждому своему продукту или детали дает его внутреннюю производственную маркировку, называемую P/N (part number) — номер детали.
Для модулей памяти у разных производителей она выглядит примерно так:

• Kingston KVR800D2N6/1G
• OCZ OCZ2M8001G
• Corsair XMS2 CM2X1024-6400C5

На сайте многих производителей памяти можно изучить, как читается их Part Number.

Так же советую почитать немного об USB портах и типах.

Физические принципы

Эта классификация повторяет соответствующую классификацию ЗУ.

Разновидности полупроводниковой памяти

• NOR
• NAND
• NVRAM
• SRAM
• DRAM
• FB-DIMM
• EEPROM
• Flash

Разновидности магнитной памяти

• Память на магнитной ленте (англ. magnetic tape memory) — представляет собой пластиковую узкую ленту с магнитным покрытием и механизм с блоком головок записи-воспроизведения (БГЗВ). Лента намотана на бобину, и последовательно протягивается лентопротяжным механизмом (ЛПМ) возле БГЗВ. Запись производится перемагничиванием частиц магнитного слоя ленты при прохождении их возле зазора головки записи. Считывание записанной информации происходит при прохождении намагниченного ранее участка плёнки возле зазора головки воспроизведения.
• Память на магнитных дисках (англ. magnetic disk memory) — представляет собой круглый пластиковый диск с магнитным покрытием и механизм с БГЗВ. Данные при этом наносятся радиально, при вращении диска вокруг своей оси и радиальном сдвиге БГЗВ на шаг головки. Запись производится перемагничиванием частиц магнитного слоя диска при прохождении их возле зазора головки записи. Считывание записанной информации происходит при прохождении намагниченного ранее участка возле зазора головки воспроизведения.
• Память на магнитной проволоке (англ. plated wire memory) Использовалась в магнитофонах до магнитной ленты. В настоящее время по этому принципу конструируется большинство авиационных т. н. «чёрных ящиков» — данный носитель имеет наиболее высокую устойчивость к внешним воздействиям и высокую сохранность даже при повреждениях в аварийных ситуациях.
• Ферритовая память (англ. core storage) — ячейка представляет собой ферритовый сердечник, изменение состояния которого (перемагничивание) происходит при пропускании тока через намотанный на него проводник. В настоящее время имеет ограниченное применение, в основном в военной сфере.

Разновидности оптической памяти

Фазоинверсная память (англ. Phase Change Rewritable storage, PCR) — оптическая память, в которой рабочий (отражающий) слой выполнен из полимерного вещества, способного при нагреве менять фазовое состояние (кристаллическоеаморфное) и отражающие характеристики в зависимости от режима нагрева. Применяется в перезаписываемых оптических дисках (CD-RW, DVD-RW).

Редко используемые, устаревшие и экспериментальные виды

SDR SDRAM

Первый стандарт SDRAM с появлением последующих стандартов стал именоваться SDR (Single Data Rate — в отличие от Double Data Rate). За один такт принималась одна управляющая команда и передавалось одно слово данных. Типичными тактовыми частотами были 66, 100 и 133 МГц. Микросхемы SDRAM выпускались с шинами данных различной ширины (обычно 4, 8 или 16 бит), но как правило, эти микросхемы входили в состав 168-контактного модуля DIMM, который позволял прочитать или записать 64 бита (в варианте без контроля чётности) или 72 бита (с контролем чётности) за один такт.

SDR SDRAM 168-pin модуль памяти (20 Pins 60 Pins 88 Pins)

Использование шины данных в SDRAM оказалось осложнено задержкой в 2 или 3 такта между подачей сигнала чтения и появлением данных на шине данных, тогда как во время записи никакой задержки быть не должно. Потребовалась разработка достаточно сложного контроллера, который не позволял бы использовать шину данных для записи и для чтения в один и тот же момент времени.

Управляющие сигналы

Команды, управляющие модулем памяти SDR SDRAM, подаются на контакты модуля по 7 сигнальным линиям.
По одной из них подается тактовый сигнал, передние (нарастающие) фронты которого задают моменты времени, в которые считываются команды управления с остальных 6 командных линий.
Имена (в скобках — расшифровки имен) шести командных линий и описания команд приведены ниже:

• CKE (clock enable) — при низком уровне сигнала блокируется подача тактового сигнала на микросхему. Команды не обрабатываются, состояние других командных линий игнорируется.
• /CS (chip select) — при высоком уровне сигнала все прочие управляющие линии, кроме CKE, игнорируются. Действует как команда NOP (нет оператора).
• DQM (data mask) — высокий уровень на этой линии запрещает чтение/запись данных. При одновременно поданной команде записи данные не записываются в DRAM. Присутствие этого сигнала в двух тактах, предшествующих циклу чтения, приводит к тому, что данные не считываются из памяти.
• /RAS (row address strobe) — несмотря на название, это не строб, а всего лишь один командный бит. Вместе с /CAS и /WE кодирует одну из 8 команд.
• /CAS (column address strobe) — несмотря на название, это не строб, а всего лишь один командный бит. Вместе с /RAS и /WE кодирует одну из 8 команд.
• /WE (write enable) — вместе с /RAS и /CAS кодирует одну из 8 команд.

Устройства SDRAM внутренне разделены на 2 или 4 независимых банка памяти. Входы адреса первого и второго банка памяти (BA0 и BA1) определяют, какому банку предназначена текущая команда.

Принимаются следующие команды: