Оперативная память ПЭВМ

Оперативная память.

Память - один из основных компонентов любого компьютера, будь то карманный ПК или мощный сервер. По мере дальнейшего увеличения быстродействия микропроцессоров эффективное быстродействие элементов памяти часто становится узким местом компьютерных систем. Обычно рассматривают модель четырехуровневой иерархии памяти: кэш-память первого уровня (сверхоперативная L1), кэш-память второго уровня (сверхоперативная L2), основная (оперативная) и внешняя память (жесткие диски). В качестве основных критериев при таком делении выступают быстродействие и цена; последняя, в свою очередь, влияет на типичные размеры конкретного вида памяти.

Принцип работы динамической памяти.

Каждый бит динамической памяти представляется как наличие (или отсутствие) заряда на конденсаторе, входящем в структуру полупроводникового кристалла. Единственный способ выяснить, заряжен или разряжен конденсатор, - попытаться разрядить его. Если конденсатор до проверки был заряжен (т. е. хранил единичный бит), то после разряда его, разумеется, надо снова подзарядить. Ячейки памяти динамического типа конфигурируются обычно в матрицу строк и столбцов, причем процесс считывания организуется таким образом, что содержимое целой строки переносится в некий буфер. После считывания соответствующего бита содержимое буфера перезаписывается в ту же строку ячеек динамической памяти, т. е. происходит перезарядка конденсаторов, которые до считывания были в заряженном состоянии. Время хранения заряда конденсатором ограничено (из-за паразитных утечек). Чтобы не потерять имеющиеся данные, необходимо периодически восстанавливать записанную информацию, что и выполняется в циклах регенерации.

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

Базовые понятия.

Цикл обращения (access cycle) - время между двумя последовательными операциями записи-чтения. Различают полные и сокращенные циклы. При полном цикле обращения к памяти идут по случайным адресам, при сокращенном - по последовательным.

Время доступа (access time) - время, необходимое на полный цикл обращения к информации, хранящейся по случайному адресу.

Страница (page) - набор доступных адресов (столбцов) при фиксированном адресе строки. Размер страницы равен числу столбцов матрицы памяти.

Асинхронный режим (asynchronous mode) - режим работы, при котором выполнение каждой последующей операции начинается после приема сигнала, указывающего на окончание предыдущей.

Синхронный режим (synchronous) - режим, при котором выполнение каждой операции начинается в фиксированные моменты времени, определяемые специальным тактовым сигналом.

Ширина шины (bus width) - количество разрядов, которые можно передать по шине одновременно.

Банк памяти (bank) - 1) блок, область памяти; 2) группа модулей памяти, которые должны быть установлены на системной плате компьютера. Число таких модулей определяется отношением ширины шины данных микропроцессора к ширине шины данных модуля.

Чередование (interleave) – способ ускорения работы памяти, основанный на предположении, что чтение информации происходит по последовательным адресам. Вся память делится на четное количество банков (2N), а адресное пространство распределяется таким образом, что последовательные адреса находятся в разных банках. При последовательном обращении к данным в режиме чередования возможно получить до 2N обращений за обычный цикл. Обращения к банкам идут, разумеется, с небольшим временным сдвигом.

Пакетный режим (burst mode) – режим, при котором на запрос по конкретному адресу возвращаются не только данные, хранящиеся по этому адресу, но и пакет данных по нескольким последующим адресам.

Конвейерный режим (pipeline) – метод доступа к данным, при котором можно продолжать операцию чтения по предыдущему адресу в процессе запроса по следующему.

Микросхемы памяти

Микросхемы памяти – устройства, предназначенные для хранения данных и программ. На сегодняшний день практически любое устройство обладает запасом собственной, единолично адресуемой памяти. Это может быть оперативная память устройства, используемая им в целях внутренней обработки данных, или же, например, кэш (cache) – память для буферизации доступа.

Варианты использования памяти.

ROM (Read Only Memory, память только для чтения, ПЗУ) – постоянная память, информацию из которой можно только считывать. На такую память в компьютере, например, помещена BIOS (Basic Input/Output System, Базовая Система Ввода/Вывода).

RAM (Random Access Memory, оперативная память, ОЗУ) – временная, непосредственно адресуемая центральным процессором память, заполняемая программным кодом и данными для их обработки процессором. Данные содержатся в этой памяти только пока компьютер включен. Оперативная память компьютера устанавливается в специальные разъемы на материнской плате.

Cache (кэш-память) – состоит из относительно быстрых элементов памяти и призвана синхронизировать работу устройств относительно медленных с более быстрыми путем удерживания наиболее часто используемой информации. Такая память может присутствовать практически в любом устройстве: в материнской плате для увязывания работы процессора с оперативной памятью, в процессоре – для взаимодействия с материнской платой как с устройством более медленным, а, например, в винчестере или CD-ROM – с той же материнской платой как с устройством более быстрым.

Flash (флэш-память или флэш-диск) – устройство на энергонезависимых элементах, выполненных по технологии Flash (см. NVRAM), используемое как альтернатива традиционным механическим устройствам хранения данных. Как следует из определения, она может удерживать информацию даже при отсутствии питания, также ее отличает невосприимчивость к вибрациям, устойчивость к ударам и широкий диапазон рабочих температур. Диапазон использования таких ус-тройств весьма широк – это цифровые камеры, радиотелефоны, блокнотные компьютеры и так далее, одним словом, компактные устройства, предъявляющие относительно небольшие требования к объему постоянно сохраняемых данных и, наоборот, высокие – к физическим размерам.

Типы памяти

DRAM (Dynamically RAM) – динамическая память – наиболее распространенный тип памяти, использующий в качестве элемента хранения конденсатор. Свое название этот тип получил в связи с функциональной необходимостью постоянного "освежения" конденсаторов (refresh) во избежание их разряжения (и утери хранящихся данных). Такая регенерация осуществляется постоянно через равные промежутки времени, требуя постоянного расхода энергии и, естественно, снижает производительность системы. Однако простота устройства делает его производство относительно недорогим. В сущности, все описанные в этом разделе типы памяти, за исключением SRAM и NVRAM, относятся к динамической памяти и являются ее модификациями. DRAM используется в качестве оперативной памяти и видеопамяти.

SDRAM (Synchronous DRAM) – стандарт модулей памяти, в которых все операции синхронизированы с тактовой частотой процессора. Это дает возможность сократить время, затрачиваемое на передачу данных за счет исключения циклов ожидания. Оперативная память SDRAM в модулях типа DIMM стандарта PC100 поддерживает работу системной шины на частоте 100MHz, а PC133 – соответственно 133MHz. SDRAM используется в качестве оперативной памяти и видеопамяти.

EDO RAM (Extended Data Output RAM) – память с расширенным выводом данных – cтандарт модулей памяти, применяемых в PC с CPU Pentium. Отличается от обычной памяти наличием дополнительных регистров, за счет которых увеличивается поток выводимых из нее данных. Ускорение по сравнением с обычной, неEDO, памятью достигает 10-15%.

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) – память с ускоренным страничным режимом. Это тот самый тип памяти, который использовался в последних версиях PC с 486-м процессором, скорее всего именно его вам предложат как "неEDO".

SRAM (Statically RAM) – статическая память – память, не требующая регенерации. Несмотря на явное преимущество перед DRAM, она имеет значительно большую стоимость и, как результат, используется для выполнения специальных задач, в основном, в качестве кэш-памяти. На SRAM также на-ходятся значения изменяемых настроек BIOS.

CDRAM (Cached DRAM) – буферизированная DRAM. Комбинированный вариант статической и динамической памяти, в котором первая служит кэшем для второй.

NVRAM (Non Volatile RAM, постоянная память) – энергонезависимая память, сохраняющая информацию длительное время при полном отсутствии питания, выполненная по технологии flash, разработанной компанией Intel. Стоимость 1 Мb памяти на такой микросхеме колеблется от 10 до 24 долларов, что заметно выше, чем в устройствах с динамической организацией памяти. Существенным является то, что скорость записи на такой памяти весьма невелика – до 500 Кb в секунду.

FeRAM (Ferroelectric RAM) – ферроэлектрическая память. Данная память является энергонезависимой (аналогично флэш-памяти), что обеспечивает хранение данных без использования источников энергии. В настоящее время опытные образцы FeRAM имеют время доступа 60 нс. Данный тип памяти найдет свое применение в качестве оперативной памяти и в качестве памяти видеоадаптеров.

DRDRAM (Direct RAMBus DRAM) – этот тип памяти отличается наличием собственной внутренней шины (RAMBus Channel) с высокой пропускной способностью. Является возможным претендентом на широкое применение в будущем в качестве оперативной памяти. Новшеством для технологии памяти стало использование в DRDRAM четырех режимов энергопотребления - активного (Active), ожидания (Standby), экономного (Nap) и сна (PowerDown). В первом режиме DRDRAM может мгновенно обработать запрос на передачу данных. Естественно, этот режим характеризуется самым высоким энергопотреблением. Режим Standby - это обычное состояние ожидания запроса. В нем находятся все устройства, не принимающие участия в передаче. В отличие от обычных систем памяти на основе DRAM, где все устройства, входящие в банк, потребляют энергию во время операций записи-чтения, в памяти типа Rambus это происходит только с одним устройством - остальные переходят в режим ожидания, являющийся основным. Режимы Nap и PowerDown еще более экономны. Между собой они разнятся уровнем потребления и скоростью перехода в активное состояние.

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) – синхронная память с удвоенной передачей данных. Является улучшенным вариантом архитектуры SDRAM. Память этого типа имеет большую ширину полосы пропускания, но только в случае передачи длинных пакетов данных. Максимальная величина ширины полосы пропускания может достигать 1.6Gb/sec при частоте шины 100MHz. Основным достоинством этого типа памяти с точки зрения пользователя является возможность установки этих модулей в обычные разъемы DIMM вместо памяти SDRAM (в отличие от технологии RAMBus).

ESDRAM (Enhanced SDRAM – улучшенная SDRAM) – более быстрый вариант архитектуры SDRAM. Отличается значительно меньшим временем доступа к основному массиву памяти и наличием встроенного блока кэш-регистров SRAM. Обеспечивается более высокая производительность, чем у SDRAM и даже DDR SDRAM. ESDRAM совместима со стандартными модулями SDRAM, но требует наличия специального контроллера. FCRAM (Fast Cycle RAM) – RAM с быстрым циклом. Имеет существенные отличия от DRAM. По скорости работы этот тип памяти близок к SRAM, а по объему не отличается от SDRAM.

MRAM (Magnetic RAM) – магнитное ОЗУ. Технология хранения информации в MRAM заключается в размещении элемента, содержащего молекулы платины и кобальта, между двумя магнитопроводящими слоями. Запись и чтение производится путем изменения магнитной активности в управляющих слоях. Цикл чтения данного типа памяти составляет всего 6 нс.

Типы памяти по способу объединения носителей в форм-фактор: DIP (Dual In-line Package). Это типичная микросхема с двумя рядами ножек по бокам, как у сороконожки. В прежние времена, когда человеческий гений еще не додумался до "симов", половина поверхности материнской платы была покрыта такими микросхемами, составляющими целый мегабайт оперативной памяти. Возможности добавления памяти при этом оказывались весьма ограниченными.

SIMM (Single In-line Memory Module). Представляет собой печатную плату с установленными на ней совместимыми микросхемами памяти (обычно DIP), имеющую один ряд двусторонних выводов и устанавливаемую в устройство как единый модуль, так называемая SMT-технология (Surface Mounting Technology, технология поверхностного монтажа). Существуют SIMM-модули с 30 и 72 контактами.

SIP (Single In-line Package). Устаревший вариант 30-контактного SIMM, у которого вместо контактов типа "вилка" использовался контакт типа "штырек".

DIMM (Dual In-line Memory Module). Плата памяти, сходная по внутренней архитектуре с SIMM, но отличающаяся от нее более широкой шиной, благодаря которой достигается повышение скорости обмена данных. DIMM-модули имеют 168 контактов.

1, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512Mb – объем памяти. В настоящее время повсеместным стандартом стал объем оперативной памяти 64Mb. Минимально необходимые условия функционирования современных систем обеспечиваются при объеме оперативной памяти 32Mb. Для комфортной работы со сложными графическими приложениями желательно иметь память объемом 128Mb.

Характеристики современных модулей памяти.

Максимальная рабочая частота.

Измеряется в мегагерцах. Определить её просто. На каждом конкретном модуле должен быть наклеен ярлычок с указанной маркировкой модуля PC100 или PC133, что означает частоту 100 или 133МГц соответственно.

Рис. 1: наклейки на модулях памяти NCP и M.Tec

Время доступа.

Измеряется в наносекундах, (нс.) Этот параметр неразрывно связан с предыдущим. По времени доступа можно определить максимальную частоту, на которой будет работать память, разделив 1 секунду (1 млрд. нс.) на время доступа. Например, память со временем доступа 10 нс., будет работать на максимальной частоте 100 МГц. Соответственно, определим максимальные частоты, для чипов с другими временами доступа:

1c. / 5 нс. = 200 МГц. (вот бы такую оперативную память иметь :-);

1c. / 6 нс. = 166 МГц. (на сегодня, для оперативной памяти это лучшее что можно найти);

1c. / 7,5 нс. = 133 МГц. (неплохо);

1c. / 8 нс. = 125 МГц. (обычное время доступа для современных модулей PC100).

Время доступа обычно указывается на самой микросхеме памяти. Для иллюстрации этого утверждения, посмотрим на рисунок.

Рис. 2: Маркировка на микросхемах памяти NCP и M.tec, с указанием времени доступа.

Возможность работать с минимальными таймингами.

Тут можно выделить три установки, в наибольшей степени влияющие на быстродействие памяти: CAS Latency - задержка CAS; CAS to RAS Delay - задержка между CAS и RAS и RAS Precharge - предварительный заряд RAS. Одноименные опции можно найти в BIOS, наиболее вероятно в разделе Chipset Features Setup. Для определения физического адреса определенной ячейки необходим адрес строки и столбца. Соответственно сигналы RAS (Row Access Strobe) и CAS (Column Access Strobe) и определяют их выбор, определяя ячейку памяти в запоминающем массиве.

К вопросу о репутации производителя

При покупке любого товара следует всегда обращать внимание на имя производителя, так как, известная компания дорожит своей репутацией и не будет выпускать плохой товар. Тот же принцип действует и в случае с оперативной памятью. Из-за того, что недобросовестная фирма не заботится о качестве, ее продукция получается гораздо дешевле, и производитель с именем вынужден снижать цену для того, чтобы удержать рынок. Как раз одним из вариантов решения такой проблемы является лицензирование производства, когда для выпуска продукции требуется иметь лицензию от патентодержателя.

Пример — память RDRAM от Rambus Inc. Из-за необходимости иметь лицензию цена на эту память получается существенно выше, чем на обычную SDRAM память. Практически же существует не так уж много производителей, выпускающих чипы памяти. Из этих чипов затем собираются модули памяти на печатных платах, которые тоже могут иметь своего собственного производителя. В конечном итоге готовый продукт, произведенный в соответствии с существующими стандартами, проходит тестирование и получает соответствующую маркировку, после чего поступает на прилавок. В конечном итоге, с практической точки зрения представляет интерес не то, какая вообще память бывает, а то, как по маркировке чипов определить производителя, а также память какого именно производителя лучше всего приобретать. В Интернете можно найти немало руководств о том, как именно расшифровывается маркировка на чипах памяти

Производители чипов.

Существует очень много фирм, производящих модули памяти. Практически может оказаться, что чипы произвела одна фирма, печатную плату, на которой собран модуль, — другая, и сам модуль — третья. Есть компании, которые специализируются именно на производстве печатных плат и наносят на них свой логотип. Вследствие того, что такие платы часто делаются универсальными под любой вид памяти, может оказаться, что на конечном продукте имеются «пустые» места, куда производитель «забыл» впаять ту или иную микросхему. Но такая плата, как правило, работает не хуже других.

Всех производителей можно разделить на brand-name и generic-производителей (безымянных). Это вовсе не значит, что модуль, произведенный generic-производителем, не будет работать. Дело в том, что все крупнейшие производители (brands или просто major) имеют свое кремниевое производство. Они сами производят кремний, из которого изготавливают микросхемы памяти, сами их «упаковывают» (помещают в корпус с выводами), и сами выпускают модули памяти. Помимо этого они продают свои чипы другим фирмам, которые продолжают технический процесс. Есть фирмы, которые «упаковывают» чужой кремний и ставят свой логотип на чипе. Также есть major-производители, которые создают свои филиалы под другими названиями и выпускают чипы из низкокачественного кремния по гораздо более низкой цене с очень высоким процентом брака. Покупатели чипов об этом прекрасно осведомлены, но почему-то не всегда доносят эту информацию до покупателей модулей памяти, «склеенных» из таких деталей.

На микросхемах, составляющих модуль памяти всегда имеется маркировка, включающая в себя наименование или товарный знак фирмы изготовителя, дату выпуска памяти, обозначение емкости и другие характеристики. По приведенной ниже таблице можно определить производителя микросхем памяти, если конечно, он является так называемым major (или очень известным) производителем, Производители, которые собирают свои модули из микросхем известных фирм называются – «generic».

Дату выпуска памяти определить легко. На подавляющем числе микросхем памяти (и не только памяти) имеется, например, обозначение 0046, что соответствует 2000-му году и 46-й неделе выпуска.

Буквенное обозначение продукции некоторых major - производителей:

Заключение.

В качестве иллюстрации текущей ситуации на рынке приведу январский обзор рынка модулей оперативной памяти опубликованном на портале http://www.3dnews.ru

На рынке модулей затишье, разве что традиционно неугомонная OCZ не дает ему уснуть окончательно. Компания разродилась сразу парой новых модулей, начав его с PC-4200 EL Platinum, с более чем неплохими для такой скорости таймингами 2.5-3-3-8, а закончив PC-3200 Voltage eXtreme Gold Edition, доведя тайминги до вообще уж минимально возможных значений при этой частоте - 2-2-2-8. Интересно, что же дальше сможет предложить OCZ в качестве нового модуля PC3200?



Отдельно стоит упомянуть то, что пополнился лагерь компаний, не словом, а делом поддерживающих весьма привлекательную технологию FB (full buffered) DIMM. Вслед за Infineon, следующим производителем модулей, освоившим выпуск FB-DIMM, стал Samsung - компания обещает начать производство 1 Гбайт вариантов в первой половине 2005 года. Одно только снижение количества сигнальных линий с 240 до 69 чего стоит (в плане разводки материнской платы), не считая и увеличения производительности по сравнению с традиционными модулями. Хочется надеяться, что в следующем году FB DIMM начнет поддерживаться не только в серверных платформах.



Затишье и в области DDR2, а, собственно, что там может измениться в ближайшее время? Планка в 800 МГц определена, выше пока что не прыгнешь ни по техническим показателям, ни просто-напросто не зачем. Хороший пример - Elpida, которая в ноябре представила свой 1 Гбит DDR2-800 чип, но на рынок его выпускать пока не торопится, ввиду отсутствия такой необходимости. Жаль, что производители процессоров не в состоянии загрузить возможные сегодня пропускные способности памяти, с другой стороны - когда такая необходимость появится, DDR2-800 будет уже достаточно дешева, ведь производители памяти все это время будут совершенствовать ее. Пока же пусть окрепнет DDR2-667, модули на базе которой только-только начали поступать в продажу. Так на прилавках была замечена соответствующая продукция Crucial, розничного подразделения Micron, по цене около $150 за 256 Мбайт. Недешево, но и здесь есть время для снижения - реально сегодня ни один чипсет для PC, вплоть до новенького i925XE, DDR2-667 в официальном режиме не поддерживает. Упоминание о чипсетах под Athlon 64, пожалуй, и вовсе будет лишним. Впрочем, еще интереснее отметить тот факт, что даже DDR2-533, которая поддерживается во всех последних чипсетах Intel, тоже не спешит прийти на рынок. Выход годных чипов у производителей еще слишком мал (относительно DDR), цены, разумеется, в результате заметно выше, так что пользователи по-прежнему предпочитают использовать старый добрый DDR. Тем более, что 533 МГц модулей DDR в продаже сегодня - более чем достаточно. И по вполне разумным ценам.

Кстати, о ценах. А они в течение всего месяца продолжали спокойно падать, который год, опровергая прогнозы тех, кто еще верит в какой-то подъем перед Рождеством. Ситуация давно изменилась: техпроцессы, применяемые при производстве DDR, отлажены как часы, производители последние годы безостановочно вводят в строй все новые 300 мм фабрики, а вот спрос... Объем рынка PC растет явно куда меньшими темпами, чем объем все увеличивающихся производственных мощностей, а количество памяти, установленной в среднем PC, также растет отнюдь не так быстро, как хотелось бы производителям памяти - скажем спасибо Microsoft за задержку Longhorn. Средняя цена 256 Мбит чипа DDR-400 упала с 4.45 до $3.95 за штуку. На уровне минимального спроса. Может и правильно поступила Vanguard, заявив о планах покинуть рынок оперативной памяти - сразу после подведения итогов года. И без того все еще слишком много компаний занимаются производством этих чипов, даже, несмотря на то количество игроков, которое покинуло рынок за последний десяток лет, изрядно изменив первую пятерку поставщиков. Samsung, конечно, остается неизменным уверенным лидером, еще подняв свою долю рынка - до 31.4 процентов, а вот за второе место разразилась нешуточная борьба, учитывая, что Hynix упала с 16.7 до 15.2 процентов (Незачем было так демпинговать - снижение цен в этом месяце во многом как раз на совести этой компании. Как и обычно.), тогда как Micron вырос с 14.9 до... 15.2 процентов мирового рынка DRAM. Хотя, iSupply чуть более оптимистична в оценках Micron, считая, что Hynix занимает третье место с 1040 миллионами долларов продаж, тогда как американцы, со своими 1066 - второе. Однако, и по мнению iSupply в обоих случаях это дает одинаковую долю рынка - на сей раз 15.9 процентов.

Впрочем, в обозримом будущем Hynix в любом случае предпримет шаги для увеличения своей доли рынка. Не последнюю роль здесь будет играть и пресловутая совместная с STM китайская фабрика, слухи о которой ходят уже около полугода. В середине ноября слухи стали официальной правдой - компании заявили о начале строительства 300 мм фабрики в 2005 году, и вводе ее в строй - в 2006. Неплохая для Hynix новость, как и то, что штаб-квартира ВТО подтвердила "доброкачественность" банковских займов для Hynix, позволивших ей в свое время удержаться на плаву (активно занимаясь демпингом). Так что заградительные пошлины могут быть сняты, хотя и не факт что так оно и будет.

Возвращаясь к пятерке лидеров. Еще один интересный момент, связанный с ней - это то, что вернувшаяся на пятое место с 6.6 процентами рынка Eplida, выбила с него тайваньский PowerChip. Тот, впрочем, не сдается: в октябре он вывел свою 300 мм фабрику на пиковую мощность в 40 тысяч пластин, а весной начнется уже установка оборудования на второй 300 мм фабрике компании. Вообще же Powerchip намерен иметь четыре таких завода, что позволило бы ему, по прикидкам руководства компании, рассчитывать на завоевание третьей строчки в таблице лидеров рынка. Где-нибудь в течение ближайших лет десяти.

Литература

1. Энди Ратбон, Модернизация и ремонт ПК для «чайников», 6-е издание, Москва, 2003 год. (Andy Rathbone, Upgrading & Fixing PCs for Dummies, 6^th edition, Wiley Publishing.inc, 2002)

Также использованы материалы следующих интернет – ресурсов:

1. www.allmemory.ru Компания AllMemory-официальный дистрибьютор одного из крупнейших производителей памяти, компании Transcend Information Inc.,

2. www.kingston.com - крупнейший мировой производитель блоков памяти.

3. www.rambit.ru - специализированный портал об оперативной памяти.

4. www.citiforum.ru - on-line библиотека свободно доступных материалов по информационным технологиям на русском языке.

5. www.3dnews.ru -3DNews Daily Digital Digest - независимое Российское on-line издание, посвященное компьютерным технологиям

6. www.baytemag.ru - интернет версия журнала «Байт» (журнал для It-проффесионалов)

7. www.stolica.ru - Агентство "Компьютерная Столица"