Кратко об оперативной памяти: форм-факторы, частоты, тайминги
RAM — это кратковременная память вашего компьютера. Именно здесь ваш компьютер отслеживает программы и данные, которые вы используете прямо сейчас. Вы, наверное, уже знаете, что больше ОЗУ лучше, но, возможно, вы хотите установить больше ОЗУ сейчас.
Покупки для оперативной памяти могут быть запутанными, хотя. В чем разница между DDR3 и DDR4? DIMM и SO-DIMM? Есть ли разница между DRR3-1600 и PC3-12800? Важны ли задержка и время оперативной памяти?
Продолжайте читать для объяснений о различных видах RAM, как читать спецификации RAM, и как именно работает RAM.
Что такое оперативная память?
ОЗУ означает «Память с произвольным доступом». Он служит средним звеном между небольшим, сверхбыстрым кешем в вашем процессоре и большим, очень медленным хранилищем вашего жесткого диска или твердотельного накопителя (SSD). Ваша система использует оперативную память для временного хранения рабочих частей операционной системы и данных, которые ваши приложения активно используют. ОЗУ не является формой постоянного хранения.
Думайте о своем компьютере как о офисе. Жесткий диск — это шкаф в углу. Оперативная память похожа на всю офисную рабочую станцию, а кэш-память процессора — на рабочую область, где вы активно работаете с документом.
Чем больше оперативной памяти у вас есть, тем больше вещей вы можете иметь быстрый доступ в любое время. Точно так же, как большой стол может вместить на нем больше кусочков бумаги, не становясь грязным и громоздким (а также требуя больше поездок обратно в шкаф для реорганизации).
Однако, в отличие от офисного стола, ОЗУ не может выступать в качестве постоянного хранилища. Содержимое ОЗУ вашей системы теряется, как только вы выключаете питание. Потеря власти — это как чистка стола с каждого документа.
RAM обычно означает SDRAM
К сожалению, для сверхтонких и легких ноутбуков наблюдается растущая тенденция к тому, чтобы оперативная память припаивалась к материнской плате непосредственно в целях экономии места. Тем не менее, это жертвует модернизацией и ремонтопригодностью.
Форм-факторы оперативной памяти
По большей части оперативная память бывает двух размеров: DIMM (Dual In-Line Memory Module), который используется в настольных ПК и серверах, и SO-DIMM (Small Outline DIMM), который используется в ноутбуках и других компьютерах малого форм-фактора.
Хотя оба форм-фактора ОЗУ используют одну и ту же технологию и работают одинаково, вы не можете смешивать их. Вы не можете просто вставить DIMM-флешку в слот SO-DIMM, и наоборот (контакты и слоты не совпадают!).
Когда вы покупаете RAM, первое, что нужно понять, это ее форм-фактор. Ничто не имеет значения, если палка не подходит!
Что означает DDR?
Оперативная память, используемая на вашем компьютере, работает с использованием двойной скорости передачи данных (DDR). Оперативная память DDR означает, что две передачи происходят за такт. Новые типы ОЗУ являются обновленными версиями той же технологии, поэтому модули ОЗУ имеют метки DDR, DDR2, DDR3 и т.д.
DDR2
DDR2 — это самый старый вид оперативной памяти, с которым вы можете столкнуться сегодня. Он имеет 240 контактов (200 для SO-DIMM). DDR2 был хорошо и действительно заменен, но вы все равно можете купить его в ограниченном количестве, чтобы обновить старые машины. В противном случае DDR2 устареет.
DDR3
DDR3 был выпущен еще в 2007 году. Хотя он был официально заменен DDR4 в 2014 году, вы все равно найдете множество систем, использующих более старый стандарт RAM. Зачем? Потому что только в 2016 году (два года после запуска DDR4) системы с поддержкой DDR4 действительно набирали обороты. Кроме того, оперативная память DDR3 охватывает огромный диапазон процессоров: от сокета Intel LGA1366 до LGA1151, а также AMD AM3/AM3 + и FM1/2/2+. (Для Intel это от введения линейки Intel Core i7 в 2008 году до 7- го поколения Kaby Lake!)
Оперативная память DDR3 имеет такое же количество контактов, что и DDR2. Тем не менее, он работает с более низким напряжением и имеет более высокие тайминги (больше на таймингах оперативной памяти в данный момент), поэтому не совместимы. Кроме того, модули DDR3 SO-DIMM имеют 204 контакта по сравнению с 200 контактами DDR2.
DDR4
DDR4 появился на рынке в 2014 году, но еще не полностью контролировал рынок оперативной памяти. Длительный период исключительно высоких цен на оперативную память приостановил модернизацию многих пользователей. Но по мере снижения цен все больше людей переключаются, тем более что последние поколения процессоров AMD и Intel используют исключительно оперативную память DDR4. Это означает, что если вы хотите перейти на более мощный процессор, вам нужна новая материнская плата и новая оперативная память.
DDR4 еще больше понижает напряжение ОЗУ, с 1,5 В до 1,2 В, увеличивая число контактов до 288.
DDR5
DDR5 должен выйти на потребительские рынки в 2019 году. Но учитывая, сколько времени обычно занимает распространение нового поколения RAM, ожидайте услышать больше об этом в 2020 году. Производитель RAM, SK Hynix, ожидает, что DDR5 будет занимать 25% рынка в 2020 г. и 44% в 2021 г.
DDR5 продолжит дизайн с 288-контактным разъемом, хотя напряжение ОЗУ упадет до 1,1 В. Ожидается, что производительность оперативной памяти DDR5 удвоит самый быстрый стандарт предыдущего поколения DDR4. Например, SK Hynix раскрыл технические подробности модуля оперативной памяти DDR5-6400, максимально быстрый из всех возможных по стандарту DDR5.
RAM термины: тайминги, задержка и многое другое
Вы познакомились с SDRAM, DIMM и DDR. Но как насчет других длинных цепочек чисел в модели RAM? Что они имеют в виду? В чем измеряется ОЗУ? А что насчет ECC и Swap? Вот другие термины спецификации RAM, которые вы должны знать.
Число, соединенное после DDR, относится к числу мегатрансферов в секунду (МТ/с). Например, оперативная память DDR3-1600 работает на скорости 1600 МТ/с. ОЗУ DDR5-6400, о котором говорилось выше, будет работать со скоростью 6400 МТ/с — намного быстрее! Число в паре после ПК относится к теоретической пропускной способности в мегабайтах в секунду. Например, PC3-12800 работает со скоростью 12 800 МБ/с.
Разгон ОЗУ возможен так же, как разгон процессора или видеокарты. Разгон увеличивает пропускную способность оперативной памяти. Производители иногда продают предварительно разогнанную оперативную память, но вы можете разогнать ее самостоятельно. Просто убедитесь, что ваша материнская плата поддерживает более высокую тактовую частоту RAM!
Вы можете быть удивлены, можете ли вы смешивать модули оперативной памяти с разными тактовыми частотами. Ответ в том, что да, вы можете, но все они будут работать на тактовой частоте самого медленного модуля. Если вы хотите использовать более быструю оперативную память, не смешивайте ее со старыми, более медленными модулями. Теоретически вы можете смешивать бренды RAM, но это не рекомендуется. У вас больше шансов встретить синий экран смерти или других случайных сбоев, когда вы смешиваете марки RAM или разные тактовые частоты RAM.
Тайминг и задержка
Иногда вы увидите модули оперативной памяти с рядом цифр, например, 9-10-9-27. Эти цифры называются таймингами. Синхронизация ОЗУ — это измерение производительности модуля ОЗУ в наносекундах. Чем ниже цифры, тем быстрее ОЗУ реагирует на запросы.
Первое число (в примере 9) — это задержка CAS. Задержка CAS относится к числу тактовых циклов, необходимых для того, чтобы данные, запрошенные контроллером памяти, стали доступными для вывода данных.
Вы можете заметить, что DDR3 RAM обычно имеет более высокие тактовые номера, чем DDR2, а DDR4 обычно имеет более высокие тактовые номера, чем DDR3. Тем не менее, DDR4 быстрее, чем DDR3, который быстрее, чем DDR2. Странно, правда?
Мы можем объяснить это, используя DDR3 и DDR4 в качестве примеров.
Минимальная частота работы ОЗУ DDR3 составляет 533 МГц, что означает тактовую частоту 1/533000000 или 1,87 нс. При задержке CAS в 7 циклов общая задержка составляет 1,87 x 7 = 13,09 нс. («Нс» означает наносекунды.)
Принимая во внимание, что самая низкая скорость ОЗУ DDR4 составляет 800 МГц, что означает тактовую частоту 1/800000000, или 1,25 нс. Даже если он имеет более высокий CAS из 9 циклов, общая задержка составляет 1,25 x 9 = 11,25 нс. Вот почему это быстрее!
ОЗУ с исправлением ошибок (ECC) — это особый тип модуля памяти, который предназначен для обнаружения и исправления повреждения данных. ECC ram используется на серверах, где ошибки в критически важных данных могут быть катастрофическими. Например, личная или финансовая информация хранится в оперативной памяти при манипулировании связанной базой данных.
Бытовые материнские платы и процессоры обычно не поддерживают ECC-совместимую оперативную память. Если вы не создаете сервер, который специально требует ОЗУ ECC, вы должны держаться подальше от него.
Сколько оперативной памяти вам нужно?
Давно прошли те времена, когда «640K должно хватить на всех». В мире, где смартфоны регулярно поставляются с 4 ГБ ОЗУ или более, а браузеры, такие как Google Chrome, играют быстро и свободно со своим распределением памяти, экономность ОЗУ — вещь прошлое. Средний объем установленной оперативной памяти также увеличивается на всех типах оборудования.
Для большинства людей 4 ГБ — это минимальный объем оперативной памяти, необходимый для компьютера общего пользования. Операционные системы тоже имеют разные спецификации. Например, вы можете запустить Windows 10 только на 1 ГБ ОЗУ, но ваш пользовательский опыт будет вялым. И наоборот, многочисленные дистрибутивы Linux работают очень хорошо с меньшими объемами оперативной памяти.
Если вы обнаружите, что одновременно открыты шесть документов Word, не можете заставить себя закрыть эти 60 вкладок в Google Chrome, возможно, вам понадобится как минимум 8 ГБ ОЗУ. То же самое происходит, если вы хотите использовать виртуальную машину.
16 ГБ ОЗУ должно превышать потребности большинства. Но если вы продолжите работу утилит в фоновом режиме, с множеством вкладок браузера и всего остального, вы по достоинству оцените дополнительную емкость ОЗУ. Очень немногие люди нуждаются в 32 ГБ ОЗУ, но, как говорится, чем больше, тем больше.
Обновление ОЗУ, безусловно, является одним из самых простых способов мгновенного повышения производительности. максимально повысить производительность.
Понимание об оперативной памяти
Теперь вы знаете разницу между оперативной памятью DDR2, DDR3 и DDR4. Вы можете сказать DIMM от SO-DIMM, и вы знаете, как определить RAM с более высокими скоростями передачи и более высокой пропускной способностью. На этом этапе вы, по сути, являетесь экспертом в области ОЗУ, поэтому в следующий раз вы не будете испытывать перегрузку, пытаясь купить больше ОЗУ или совершенно новую систему.
Действительно, если у вас правильный форм-фактор и соответствующее поколение ОЗУ, вы не ошибетесь. И если есть сомнения, больше ОЗУ лучше, чем быстрее ОЗУ важнее.
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.
| Тип DRAM | Обычная частота чипа | Тактовый сигнал ввода-вывода | Частота передачи данных |
| SDR | 100 МГц | 100 МГц | 100 MT/s |
| DDR | 100 МГц | 100 МГц | 200 MT/s |
| DDR2 | 200 МГц | 400 МГц | 800 MT/s |
| DDR3 | 200 МГц | 800 МГц | 1600 MT/s |
| DDR4 | 400 МГц | 1600 МГц | 3200 MT/s |
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.
| Тип DRAM | Обычная частота памяти | Тактовый сигнал ввода-вывода | Частота передачи данных |
| GDDR | 250 МГц | 250 МГц | 500 MT/s |
| GDDR2 | 500 МГц | 500 МГц | 1000 MT/s |
| GDDR3 | 800 МГц | 1600 МГц | 3200 MT/s |
| GDDR4 | 1000 МГц | 2000 МГц | 4000 MT/s |
| GDDR5 | 1500 МГц | 3000 МГц | 6000 MT/s |
| GDDR5X | 1250 МГц | 2500 МГц | 10000 MT/s |
| GDDR6 | 1750 МГц | 3500 МГц | 14000 MT/s |
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:
| Название тайминга | Описание | Обычное значение в DDR4 |
| tRCD | Row-to-Column Delay: количество циклов между активацией строки и возможностью выбора столбца | 17 циклов |
| CL | CAS Latency: количество циклов между адресацией столбца и началом передачи пакет данных | 15 циклов |
| tRAS | Row Cycle Time: наименьшее количество циклов, в течение которого строка должна оставаться активной перед тем, как можно будет выполнить её pre-charging | 35 циклов |
| tRP | Row Precharge time: минимальное количество циклов, необходимое между активациями разных строк | 17 циклов |
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.