Оперативная память напоминает рабочий стол. Вы можете разложить больше документов, папок и инструментов прямо сейчас, не залезая в шкаф каждый раз. RAM обработывает данные, необходимые процессору в настоящее время, такие как открытые вкладки браузера, запущенная игра или документ, с которым вы работаете. Если она отсутствует, компьютер будет постоянно «копаться в шкафу» — например, на медленном жестком диске или SSD — и любое действие займет очень долгое время.
Почему ее не можно просто заменить на что-то более дешевое? Это потому, что она выполняет особую, почти магическую функцию — быть не хранилищем, а мгновенным буфером. Это достигается за счет сложной электронной структуры, состоящей из миллиардов микроскопических конденсаторов и транзисторов, которые могут быстро менять свое состояние, записывая нули и единицы, подобно жесткому диску с вращающейся пластиной.
Когда вы покупаете планку оперативной памяти, вы платите не просто за гигабайты, а за частичку одной из самых сложных и дорогих технологий, которые существуют в мире. Создание чипов памяти — это ювелирная работа на атомном уровне, и производство чипов, также известных как фабы, требует новых прорывов в науке и огромных инвестиций.
- Зачем компьютерам оперативная память
- Как устроен модуль оперативной памяти DRAM
- Как информация попадает из DRAM в CPU
- Зачем нужны каналы в оперативной памяти
- Как устроены чипы RAM и где находятся ячейки памяти
- Как устроены ячейки RAM
- Как информация попадает в ячейки RAM
- DRAM бывает нескольких видов: для ПК, графики и мобильных
Зачем компьютерам оперативная память
Оперативная память может называться RAM, DRAM или ОЗУ.
DRAM значит Dynamic Random Access Memory или Динамическая оперативная память, а ОЗУ – оперативное запоминающее устройство. Смысл у них один: компонент постоянно обновляет данные во время работы компьютера, а не хранит долгосрочно.
Хотя компьютер выполняет миллионы операций в секунду, копирование данных из постоянного хранилища во временную память является наиболее распространенной операцией.
Хотя программы хранятся на HDD или SSD, их части должны перейти в DRAM, прежде чем процессор сможет их обработать. Небольшое количество этого позволяет нам наблюдать за экранами загрузки игр и задержками между кликом по программе и запуском.
Скорость переноса данных — это причина, по которой нельзя использовать только один тип памяти.
До 200 МБ/с на HDD, 7000 МБ/с на SSD и 70 400 МБ/с на DRAM.
Кроме того, несмотря на разницу в десять раз между SSD и DRAM по сухим данным, задержка также является причиной.
При этом HDD и SSD хранят память без питания, тогда как DRAM требует энергии для работы, чтобы хранить и обновлять информацию в памяти. Это объясняет разницу в скорости.
SSD и DRAM используют совершенно разные чипы для хранения информации.
Чип SSD состоит из триллионов наложенных друг на друга ячеек памяти в трехмерном пространстве, каждая из которых может хранить от 1 до 5 бит информации, что делает его самой стабильной формой трёхбитной памяти на данный момент.
Я очень подробно и наглядно объяснил процесс разработки SSD здесь.
‣ DRAM имеет две измерения, поэтому миллиарды ячеек памяти находятся на одной плоскости. Каждая ячейка содержит только один бит данных. Таким образом, у нас более низкая плотность памяти. Покажу это позже.
Вначале рассмотрим, как работает связь между DRAM и CPU.
Как устроен модуль оперативной памяти DRAM
DIMM-карта. Несмотря на то, что восемь чипов не является обязательным вариантом, это обычный вариант.
Слот DIMM на материнской плате
Оперативная память в настольных ПК устанавливается в виде плашек, дизайн которых называется DIMM, Dual In-line Memory Module или модуль памяти с двойным расположением выводов.
Они распаяны на восемь чипов DRAM.
На материнской плате обычно есть четыре DIMM-слота, которые напрямую соединены с двумя параллельными каналами памяти к CPU для уменьшения задержки.
Контакты, которые вставляются в DIMM-слоты и находятся на DIMM-плашках, являются не только источником данных, но и источником питания. Есть чипы для управления этим питанием, помимо DRAM-чипов на плашках.
Фиолетовый раздел «контроллера памяти» необходим для связи с RAM.
В CPU есть мoдули, предназначенные для внешней связи с SSD, DRAM, GPU и другими компонентами. Процессор определяет, какие данные загрузить из SSD в DRAM и из DRAM в низкоуровневые ячейки кэша в самом CPU.
Я рассказал больше о том, как ускорить CPU здесь.
Оперативная память (RAM) — это быстрый временный буфер процессора, в котором хранятся данные, с которыми он работает в настоящее время, такие как открытые программы, вкладки в браузере и файлы. Если она отсутствует, компьютер будет тормозить, потому что жёсткий диск и даже SSD слишком медленные для выполнения текущих задач. RAM работает так быстро, потому что она состоит из миллионов крошечных ячеек, которые почти мгновенно передают и принимают данные. Однако из-за высокой скорости и сложности производства она продолжает оставаться дорогой. В настоящее время нет доступных и быстрых заменителей.
Как информация попадает из DRAM в CPU
Шины позволяют битам DRAM попасть в CPU.
Шина представляет собой «мост» из контактов и контроллеров памяти внутри плашки и внутри CPU. Количество бит, которые будут переданы в течение одного цикла RAM с частотой 1 Гц, указано в Шине.
Все современные компьютеры имеют ширину шины 64 бита, которая состоит из следующих частей:
А. Информация из DRAM передается в CPU через 64 параллельных контакта, распаянные на материнской плате.
B. Еще 21 контакт передает данные на CPU о том, где хранятся данные для чтения и записи в DRAM.
C. Оставшиеся семь контактов передают команды процессора и памяти для операций с данными.
Один из самых абстрактных терминов для потребителя — каналы.
Зачем нужны каналы в оперативной памяти
DDR5 — это последнее поколение оперативной памяти DRAM.
Многие люди знают, что плашки на материнской плате должны быть установлены в определенном порядке, чтобы CPU могла передавать данные по двум параллельным каналам.
Благодаря работе в двух каналах контроллер CPU получает и обрабатывает данные в среднем на 15% быстрее.
В результате DDR5 разделяет каждый канал шириной 64 бита на два независимых параллельных субканала по 32 бита каждый.
Четыре чипа в каждом 32-битовом субканале DDR5 работают параллельно, используя один набор адресов и инструкций ячеек. В результате каждый чип записывает или считывает по 8 бит каждый раз.
Это увеличивает пропускную способность ядра RAM, одновременно снижая задержку доступа к памяти.
Давайте рассмотрим архитектуру и внешний вид этих чипов.
Как устроены чипы RAM и где находятся ячейки памяти
Структура чипов RAM значительно отличается от структуры SSD, CPU и GPU.
SSD состоит из сетки трёхмерных ячеек памяти, состоящей из особых транзисторов, способных хранить данные.
CPU и GPU состоят из простых транзисторов на двухмерной плоскости. Из транзисторов изготовлены различные ядра, которые соединены друг с другом в порядке от простого к сложному.
RAM имеет свои собственные ячейки памяти на двухмерной плоскости. Простая сетка состоит из нескольких ячеек, каждая из которых состоит из транзисторов, взятых прямо из CPU, и специальных конденсаторов, которые кратковременно способны удерживать заряд.
Чип RAM из кремния состоит из четырех частей: массива шариков BGA в базе, двух слоев матричной подложки и микросхемы DRAM из кремния, на которой выполняются все операции по вычислению и хранению информации.
Каждая микросхема состоит из восьми групп банков с четырьмя банками памяти в каждой.
В каждом банке находится почти 537 миллионов ячеек, каждая из которых имеет более 65 000 столбцов в длину и более 8 000 в ширину.
Каждая ячейка способна хранить только один бит данных.
Для распределения данных по этим ячейкам центральная микросхема связывает их все линиями передачи данных.
В общей сложности можно получить более 17 миллиардов ячеек; это примерно достаточно для 2 ГБ памяти в плашке объёмом 16 ГБ, состоящей из 8 чипов, с четырьмя субканалами по четыре ячейки.
Как устроены ячейки RAM
Ранее мы упомянули, что RAM использует специальные ячейки памяти, состоящие из транзистора и конденсатора. Этот тип ячейки известен как 1T1C.
Конденсатор и транзистор отвечают за предоставление заряда для записи и чтения, а транзистор отвечает за краткосрочное хранение заряда.
В конденсаторе 1 бит указывается на наличие заряда, а 0 бит указывается на отсутствие заряда.
Стандартный полевой транзистор MOSFET, также известный как МОП-транзистор, используется в качестве транзистора. Точно такие же элементы составляют вычислительные блоки и ядра в CPU и GPU.
Формой конденсатор напоминает глубокую выемку внутри кремниевой пластины, которая почти в шесть раз больше длины транзистора (от 360 нм до 64 нм).
Конденсатор состоит из двух проводящих токов поверхности, разделенных непроводящим током разделителем толщиной примерно 30 атомов. Этот барьер позволяет электронам захватываться, но не препятствует захватам электронных полей.
Когда конденсатор накапливает заряд до 1 вольта, он принимает 1 бит, а когда заряд опускается до 0 бит.
Как информация попадает в ячейки RAM
Когда компьютер включается, каждая ячейка сначала получает заряд 0,5 вольта. Это позволяет системе быстрее опустишить конденсатор или пополнить его электронами до нужного значения.
К транзистору идут два контакта, которые никогда не соприкасаются друг с другом, чтобы доставить или освободить заряд:
Линия выбора ячейки подключается к затвору транзистора, что позволяет ему активироваться, чтобы добавить или уменьшить заряд в ячейке.
А контакт линии передачи данных подключен к каналам передачи данных транзистора. Заряд может попасть непосредственно в конденсатор или выйти из него в зависимости от инструкций CPU.
Тем не менее, размеры ворот транзистора (24 нм) делают его непригодным для длительного удержания заряда конденсатора даже в выключенном состоянии.
Поскольку утечка происходит почти моментально, состояние ячеек обновляется каждый цикл подачи энергии. В результате RAM не имеет возможности хранить данные в течение длительного периода времени. Однако из-за простоты конструкции он может работать синхронно с CPU на той же частоте.
DRAM бывает нескольких видов: для ПК, графики и мобильных
Три вида оперативной памяти являются самыми популярными.
В ПК установлен тип памяти DDR, в видеокартах GDDR (Graphics DDR), а в смартфонах LPDDR (Low-Power DDR)
Многие вещи влияют на то, какой тип выбрать.
DRAM выполняет две основные функции, которые позволяют изменять различную оперативную память в соответствии с конкретными задачами. Пропускная способность определяет количество информации, которую можно одновременно доставить в процессор и из оперативной памяти. Можно доставить 64 бит или 512 бит с частотой 1 Гц. Термин «время доступа» относится к времени отклика, необходимому для доставки информации к процессору. Небольшие объемы информации могут быть переданы реже, но они могут быть переданы очень быстро или очень быстро.
Например, DDR5 может генерировать 38 ГБ/с с задержкой 60 нс, тогда как GDDR7 может генерировать 512 ГБ/с с задержкой 135 нс.
Поскольку она работает синхронно с CPU, DDR сосредоточена на минимизации задержки для быстрого отклика.
Пропускная способность GDDR выше, потому что GPU может компенсировать низкий отклик, обрабатывая большое количество однотипных данных одновременно.
Хотя LPDDR предназначена для обоих целей, она все равно отстает от GDDR в пропускной способности при стоимости того же.
Кроме того, благодаря своей максимальной близости к системе на чипе (SoC), системе на чипе в смартфонах и ноутбуках на ARM, эта память потребляет меньше энергии.
Мы объяснили, как работает оперативная память, которая служит быстрой временной рабочей зоной для процессора. В ней «живут» все данные, с которыми работает компьютер, и она не хранит фотографии или документы навсегда, потому что для этого есть жёсткий диск, а ее задача — мгновенно отвечать на запросы системы.
Почему нельзя просто улучшить программу? Это связано с тем, что это физическое устройство, чип на материнской плате, и его объем и скорость строго определены при производстве. Вы можете добавить дополнительные плашки памяти, если есть свободные слоты, но невозможно изменить технологию работы текущей RAM — это потребует замены «железа».
Оперативная память часто стоит дороже, чем куда более вместительный, но медленный жёсткий диск из-за ее скромных размеров, но ее главная сила и главная слабость заключаются в том, что она может быстро принимать данные, временно их держать и так же быстро отдавать. Это связано с тем, что для достижения таких скоростей необходима сложная и дорогая технология производства микрочипов.
Вот и получается, что оперативная память — это ценное и недолговечное рабочее пространство вашего компьютера. Скорость и объём памяти напрямую зависят от того, насколько быстро система выполняет несколько задач одновременно. Это одна из вещей, которая делает компьютер удобным для использования.
