Tot i que cada ordinador es troba en una placa de circuit especial incrustada en un processador o instal·lada al sistema, té memòria RAM, els dispositius informàtics no poden funcionar sense ella. La memòria RAM és una sorprenent gesta d’enginyeria de precisió, però cada any es produeix en quantitats èpiques. Podeu comptar-hi milers de milions de transistors, però la RAM només utilitza un grapat d'energia. Tenint en compte la importància de la memòria RAM, és convenient una dissecció adequada.

La memòria RAM és una sorprenent gesta d’enginyeria de precisió, però cada any es produeix en quantitats èpiques.

Preparem-nos per la cirurgia, obrim la taula de naixements i anem al teatre. És hora d’excavar a les cel·les que formen la memòria actual i veure com funciona tot.

NOTÍCIES TÈCNIQUES Anatomia del maquinari de la sèrie

Podeu tenir un ordinador d’escriptori a la feina, a l’escola o a casa. Podeu utilitzar-ne una per calcular les declaracions d’impostos o jugar als darrers jocs; fins i tot podeu començar a configurar i editar equips. Però, fins a quin punt coneixeu els components que formen un PC?

On fas art, RAM-eo?

Els processadors han de poder accedir a les dades i a les instruccions molt ràpidament perquè puguin comprimir el programari. Han de fer-ho de manera que el rendiment no es vegi afectat massa si se sol·licita de forma aleatòria o inesperada. Així que la memòria RAM: curta memòria d'accés aleatori - realment important en un ordinador.




Hi ha dos tipus principals de memòria RAM: estàtic ve dinàmico SRAM i DRAM en resum.



Ens centrarem en DRAM, VERGONYA només s'utilitza dins de processadors com la CPU o la GPU. Llavors, on podem trobar DRAM als nostres ordinadors i com funciona?

La majoria de la gent coneix la memòria RAM perquè té un gran tros al costat. Processador. Aquest grup DRAM sol ser-ho Memòria del sistemaperò un millor nom Memòria de la CPUJa que és l’àrea d’emmagatzematge principal de les dades i instruccions de funcionament del processador.






Com podeu veure a la imatge superior, el DRAM s’adapta a petites plaques de circuit que es connecten. placa base. A cada tauler normalment DIMM o UDIMM, mòdul de memòria dual en línia (U entitat tamponsuz). Explicarem què vol dir això més endavant, però per ara aquesta és la memòria RAM més evident de qualsevol PC.

No ha de ser ultra-ràpid, però els ordinadors moderns necessiten molt espai de memòria per gestionar aplicacions grans i processar centenars de processos que s’executen en segon pla.




La següent àrea esportiva de la col·lecció de xips de memòria sol ser targeta gràfica. Necessita el seu propi DRAM súper ràpid perquè la representació 3D dóna com a resultat una gran quantitat d’accés i escriptura de dades. Aquest tipus de DRAM està dissenyat per funcionar d'una manera lleugerament diferent del tipus utilitzat a la memòria del sistema.

Aquí podem veure la GPU envoltada de 12 petites plaques: es tracta de xips DRAM. En concret, es tracta d’un tipus de memòria anomenada GDDR5X, que examinarem més endavant.




Les targetes gràfiques no necessiten tanta memòria com una CPU, però tenen una mida de milers de MB.

No tots els dispositius d’un ordinador requereixen tant: discs durs Es necessita una petita quantitat de RAM, com a mitjana de 256 MB, per agrupar les dades abans d’escriure-les a la unitat.

En aquestes imatges, podeu veure la placa de circuit des d’un disc dur (esquerra) i un altre SSD (dreta), on el xip DRAM es ressalta en els dos exemples. Noteu que només hi ha un xip? Actualment, 256 MB no són molt RAM, de manera que només cal un tros de silici.

Un cop us adoneu que qualsevol component o perifèric de processament requereix memòria RAM, aviat trobareu un punt puntejat sobre l’interior de qualsevol ordinador. Els controladors SATA i PCI Express utilitzen xips DRAM petits; Les impressores i escàners també es troben a la interfície de xarxa i a les targetes de so.

Sembla una mica avorrit quan ho veieu a tot arreu, però després d’entrar en el funcionament intern de la memòria RAM, no El festival del badall!

Lancet. Hisop. Microscopi electrònic.

No tenim accés a les eines que fan servir els enginyers electrònics per aprofundir en els seus dissenys de semiconductors, de manera que no podem separar un xip DRAM real i mostrar-vos el seu interior. No obstant això, a la gent TechInsights Posseïa aquest equip i va produir aquesta imatge de la superfície del xip:

Si creieu que això és com zones de cultiu connectades amb carreteres, no deixareu rastre del que realment va passar allà. En lloc de blat de moro o blat, els camps d’un DRAM consisteixen principalment en dos components electrònics:

Junts, cel·la de memòria i cada emmagatzematge de 1 bit de dades. A continuació es mostra un diagrama de circuits molt aproximat (perdó per a tots els enginyers electrònics):

Les línies blaves i verdes representen connexions que apliquen tensió al MOSFET i al condensador. S’utilitzen per llegir i escriure dades a la cel·la, i la vertical (línia de bits) sempre s’activa primer.

El condensador de trinxera funciona bàsicament com una galleda i es carrega amb una càrrega elèctrica; el seu estat buit / complet proporciona 1 bit de dades: 0 per buit, 1 per complet. Tot i els esforços realitzats pels enginyers, els condensadors no poden mantenir aquesta càrrega per sempre i filtració amb el pas del temps.

Això significa que cada cel·la de memòria necessita actualitzar-se regularment, De 15 a 30 vegades per segonTot i que el procés en si és bastant ràpid: només es necessiten uns quants nanosegons per a una col·lecció de cèl·lules. Malauradament, n’hi ha molt Consisteix en cel·les d’un xip DRAM i no es pot llegir ni escriure mentre es carrega la memòria.

Hi ha diverses cel·les enllaçades a cada fila, tal com es mostra a continuació.

Complet remar a cèl·lules de memòria pàgina i la seva longitud varia entre els tipus i configuracions de DRAM. Una pàgina més llarga té més bits, però requereix més energia elèctrica per executar-la; les pàgines més curtes consumeixen menys energia però tenen menys espai d’emmagatzematge.

No obstant això, hi ha un altre factor important a tenir en compte. Quan llegiu un xip DRAM o escriviu a un xip DRAM, el primer pas del procés és habilitar tota la pàgina. Seqüència de bits (cadena 0s i 1s) memòria intermèdia de filesen realitat és una col·lecció amplificadors i panys en lloc de més memòria. A continuació, s'activa la columna necessària per extreure les dades rellevants d'aquest buffer.

Si la pàgina és massa petita, les files s'han d'activar més sovint per donar cabuda a les sol·licituds de dades; D'altra banda, una pàgina gran ocuparà bàsicament més base, de manera que no cal activar-la amb la mateixa freqüència. Tot i que una línia llarga necessita més energia i és potencialment menys estable, és millor tenir les pàgines més grans que pugueu obtenir.

Unir una col·lecció de pàgines ens dóna una pàgina banc DRAMA. Com passa amb els fulls, la mida i el disseny de files i columnes de cel·les, quantes dades es poden emmagatzemar, quina velocitat es pot executar, consum d'energia, etc.

Aquesta disposició pot consistir en 4.096 files i 4.096 columnes, proporcionant a un banc una capacitat d'emmagatzematge total de 16.777.216 bits, o bé 2 MB. Però no tots els xips DRAM tenen una organització "quadrada" per als seus bancs, ja que és millor tenir pàgines més llargues que no pas pàgines més curtes. Per exemple, una organització de 16.384 files i 1.024 columnes encara proporciona 2 MB d'emmagatzematge, però cada pàgina conté quatre vegades més dades que una mostra quadrada.

Totes les pàgines d'un banc estan connectades a un sistema d'adreces de fila (de manera similar per a les columnes) i es controlen mitjançant senyals d'ordres i adreces de cada fila / columna. Com més files i columnes hi hagi en un banc, més bits es necessiten per utilitzar a l'adreça.

Cada sistema d’adreces requereix 12 bits per a 4.096 x 4.096 bancs, mentre que 16.384 x 1.024 bancs requereixen 14 bits per a l’adreça de fila i 10 bits per a les columnes. Tingueu en compte que tots dos sistemes tenen una mida total de 24 bits.

Si un xip DRAM només hagués ofert una pàgina a la vegada, no funcionaria gaire, de manera que hi ha diversos bancs de cèl·lules de memòria anidades. Depenent de la mida general, el xip pot tenir 4, 8 o fins i tot 16 bancs; el format més comú és tenir-ne 8.

Tots els bancs comparteixen la mateixa comanda, adreça i camins de dades, cosa que simplifica l'estructura general del sistema de memòria. Mentre un banc està ocupat en la seqüenciació d’una comanda, diferents bancs encara poden realitzar altres transaccions.

Tot el xip que conté les files i els autobusos s’empaqueta en una carcassa protectora i després es solda a una placa de circuit. Això inclou l’alimentació de DRAM i traces elèctriques que proporcionen senyals d’ordres, adreces i dades.

A la imatge, un xip DRAM (de vegades mòdulAltres fabricants destacats de Samsung són Toshiba, Micron, SK Hynix i Nanya. Samsung és aproximadament el fabricant més gran que posseeix 40% de la quota de mercat mundial.

Cada fabricant de DRAM utilitza el seu propi sistema de codificació per descriure les seves característiques de memòria, però l’exemple anterior és un xip d’1 Gbit que ocupa 8 bancs de 128 Mbits disposats en 16.384 files i 8.192 columnes.

Nom i soldat de rang!

Les empreses de memòria van agafar diversos xips DRAM i els van col·locar en una sola placa de circuit anomenada DIMM. D, dobleAixò no vol dir que hi hagi dos conjunts de xips, sinó que es refereix als contactes elèctrics a la part inferior de la placa, els dos costats dels quals s'utilitzen per processar els mòduls.

Els propis mòduls DIMM varien en mida i nombre de xips:

Podem veure el PC de sobretaula DIMM estàndard a la imatge superior. SO-DIMM (petit esquema DIMM). El mòdul petit està dissenyat per utilitzar-lo en ordinadors de factor de forma més petits, com ara un ordinador portàtil o un escriptori tot en un. Col·locar-ho tot en un espai més reduït, quantes fitxes es poden utilitzar, quina velocitat s’està executant tot, etc. Límits.

Hi ha tres raons principals per utilitzar diversos xips de memòria en un DIMM:

  • Augmenta l’espai d’emmagatzematge disponible
  • Només es pot accedir a un banc alhora, de manera que tenir altres persones en segon pla millora el rendiment
  • El bus d’adreces del processador que gestiona la memòria és més ample que el bus de dades de DRAM

Això últim és realment important perquè la majoria de xips DRAM només tenen un bus de 8 bits. Els processadors i les GPU són lleugerament diferents: la CPU Ryzen 7 3800X d’AMD té dos controladors de 64 bits, mentre que el Radeon RX 5700 XT té vuit controladors de 32 bits.

Per tant, cada DIMM instal·lat a l’ordinador Ryzen hauria de tenir vuit mòduls DRAM (8 xips x 8 bits = 64 bits). Podríeu pensar que la targeta gràfica 5700 XT tindrà 32 xips de memòria, però només n’hi ha 8.

Els xips de memòria dissenyats per utilitzar-se en escenaris gràfics situen més bancs dins del xip, que solen ser de 16 o 32 perquè la representació 3D necessita accedir a un gran nombre de dades alhora.

Al clúster de mòduls de memòria que "omplen" el bus del controlador de memòria rang i tot i que és possible tenir diversos rangs connectats a un controlador, només pot extreure dades d'un rang a la vegada (ja que tots utilitzen el mateix bus). Això no és un problema, perquè mentre un rang està ocupat responent a una instrucció específica, es pot enviar un nou conjunt d’ordres a un altre rang.

Els mòduls DIMM poden tenir diverses seqüències, i això és particularment útil si necessiteu una gran quantitat de memòria, però només hi ha relativament poques ranures de memòria RAM a la placa base.

Les anomenades configuracions dobles o quàdruples potencialment ofereix un rendiment més global Si s’acumulen piles d’acord amb el que s’indica, la càrrega del sistema elèctric augmenta ràpidament. La majoria d’ordinadors de sobretaula només eliminaran un o dos rangs per a cada controlador. El millor és utilitzar-lo si un sistema necessita molt més que això. memòria intermèdia DIMM: tenen un xip addicional al DIMM que simplifica la càrrega del sistema emmagatzemant instruccions i dades durant diversos cicles abans d’enviar-los.

No totes les seqüències tenen una mida de 64 bits: els mòduls DIMM que s’utilitzen en servidors i estacions de treball solen ser de 72 bits, és a dir, que tenen un mòdul DRAM addicional. El xip addicional no proporciona més emmagatzematge ni rendiment; en lloc de, comprovació i correcció d'errors (ETC).

Recordeu que tots els processadors necessiten memòria per funcionar? En el cas de la memòria RAM ECC, el petit dispositiu que fa la feina rep el seu propi mòdul.

El bus d’aquesta memòria encara té només 64 bits d’amplada, però la fiabilitat de les dades s’ha millorat significativament. L’ús de para-xocs i ECC només suposa una mica el rendiment general, però s’afegeix una mica al cost.

Sento la necessitat, la necessitat de velocitat.

Tots els DRAM tenen un rellotge d’E / S central (entrada / sortida), un voltatge que varia contínuament entre 2 nivells, i s’utilitza per regular tot el que passa al xip de memòria i als busos.

Tornant al 1993, podeu comprar memòria de la següent manera: SDRAM (DRAM sincronitzat) seqüencia totes les transaccions utilitzant el temps en què el rellotge passa d'un estat baix a un estat alt. Com que això passa molt ràpidament, proporciona una forma molt precisa d’indicar quan s’han de produir esdeveniments. Aleshores, SDRAM tenia rellotges d'E / S que típicament oscil·laven entre 66 i 133 MHz i al DRAM se li podia donar una instrucció per a cada cicle de rellotge. En canvi, el xip també pot transferir 8 bits de dades.

El ràpid desenvolupament de SDRAM, liderat per Samsung, va veure aparèixer una nova forma el 1998. Transmissions de dades temporitzades en augmentar i baixar la tensió del rellotge, de manera que es poden enviar i enviar dades per a cada cable d’aquest rellotge. DRAM dues vegades.

El nom d'aquesta emocionant nova tecnologia? Memòria d'accés aleatori dinàmic síncron de velocitat de dades doble. Podeu entendre breument per què tothom l’anomena DDR-SDRAM o DDR.

La memòria DDR es va convertir ràpidament en la norma (va provocar el canvi de nom de la SDRAM original) SDRAM de velocitat de dades únicaSDR-DRAM) i ha estat el pilar de tots els sistemes informàtics durant 20 anys.

Els avenços tecnològics han ajudat l’evolució de la tecnologia, donant-nos DDR2 el 2003, DDR3 el 2007 i DDR4 fins al 2012. Cada actualització proporcionava un millor rendiment mitjançant rellotges d'E / S més ràpids, millors sistemes de senyal i menors requisits d'energia.

DDR2 va introduir un canvi que encara es fa servir avui: el rellotge d'E / S ara s'ha convertit en un sistema independent que es rellotja a partir d'un altre conjunt de rellotges per ser 2 vegades més ràpid. És un procés similar a com les CPU utilitzen el rellotge de 100 MHz per enumerar-ho tot, però els rellotges interns del processador funcionen 30 o 40 vegades més ràpidament.

DDR3 i 4 van actualitzar el joc fent que el rellotge d’E / S s’executés 4 vegades, però, en qualsevol cas, el bus encara utilitza la pujada i la baixada del rellotge d’E / S (és a dir, la doble velocitat de dades) per enviar / rebre informació.

Els xips de memòria no funcionen a velocitats estupidament altes; de fet, es mouen relativament lentament. La taxa de transferència de dades en DRAM moderns (milions de transferències per segon, mesurades en MT / s) és molt alta a causa de l’ús de diversos bancs a cada xip; Si només hi hagués un banc per mòdul, tot seria irremeiablement lent.

Tipus DRAM Rellotge de xip típic Enviament d'E / S Taxa de transferència de dades
DEG 100 MHz 100 MHz 100 MT / s
RDA 100 MHz 100 MHz 200 MT / s
DDR2 200 MHz 400 MHz 800 MT / s
DDR3 200 MHz 800 MHz 1600 MT / s
DDR4 400 MHz 1600 MHz 3200 MT / s

No totes les revisions de DRAM són compatibles amb les versions anteriors, de manera que els mòduls DIMM que s’utilitzen per a cada tipus tenen diferents quantitats de contactes elèctrics, ranures i osques per evitar que algú intenti esprémer la memòria DDR4 en una ranura DDR-SDRAM.

DRAM per a aplicacions gràfiques s’anomenava originalment SGRAM o RAM gràfica síncrona. Aquest tipus de RAM ha experimentat el mateix tipus de desenvolupament i ara s’etiqueta amb el nom de GDDR per fer més clar el seu ús previst. Ara som a la versió 6 i les transferències de dades utilitzen un sistema de velocitat de dades quàdruple, és a dir, 4 fluxos per cicle de rellotge.

Tipus DRAM Rellotge de xip típic Enviament d'E / S Taxa de transferència de dades
GDDR 250 MHz 250 MHz 500 MT / s
GDDR2 500 MHz 500 MHz 1000 MT / s
GDDR3 800 MHz 1600 MHz 3200 MT / s
GDDR4 1000 MHz 2000 MHz 4000 MT / s
GDDR5 1500 MHz 3000 MHz 6000 MT / s
GDDR5X 1250 MHz 2500 MHz 10000 MT / s
GDDR6 1750 MHz 3500 MHz 14000 MT / s

A més de velocitats més ràpides, el DRAM gràfic ofereix funcions addicionals per facilitar el flux de velocitat, com ara la possibilitat d’obrir dues pàgines simultàniament en un banc, els busos d’ordres i adreces que funcionen en DDR o els xips de memòria que funcionen a velocitats de rellotge molt més altes. .

L’inconvenient de tota aquesta tecnologia avançada? Cost i calor.

Un mòdul del GDDR6 és aproximadament el doble del preu d’un xip DDR4 equivalent i, quan s’executa a tota velocitat, fa força calor, de manera que les targetes gràfiques amb una gran quantitat de RAM súper ràpida necessiten un refredament actiu per evitar que els xips s’escalfin.

Hickory Dickory Dock

El rendiment del DRAM es valora generalment pel nombre de bits de dades que pot transmetre per segon. Abans en aquest article, vam veure que el DDR4 que s’utilitzava com a memòria del sistema té xips de 8 bits d’amplada; això significa que cada mòdul pot transferir fins a 8 bits per cicle de rellotge.

Per tant, si la velocitat de transferència de dades és de 3200 MT / s, donarà lloc a un màxim de 3200 x 8 = 25.600 Mbits per segon, o poc més de 3 GB / s. Com que la majoria de DIMM tenen 8 xips, el potencial és de 25 GB / s. Igual que el GDDR6, els seus 8 mòduls tenen uns 440 GB / s.

La majoria de la gent Ample de banda i és un factor important darrere del rendiment de la RAM. No obstant això, això és un teòric perquè tot al xip DRAM no passa al mateix temps.

Mireu la imatge següent per entendre-ho. Una visió general molt simplificada (i poc realista) del que passa quan es demanen dades de la memòria.

La primera etapa consisteix a activar la pàgina que conté les dades necessàries a DRAM. Això es fa notificant a la memòria quin ordre cal primer, després el mòdul corresponent i després el banc específic.

La seva ubicació a tota la pàgina ( adreça de línia) es dóna al xip i respon activant tota la pàgina. Es necessita temps per fer totes aquestes coses i, el que és més important, s’ha de donar prou temps perquè la fila estigui completament activada, per garantir que tota la fila de bits estigui bloquejada abans d’arribar-hi.

A continuació, s’extreu un sol bit d’informació i es defineix la columna corresponent. Totes les dades DRAM esclatsper empaquetar informació en un sol bloc i la mida de la ràfega a la memòria actual és gairebé sempre de 8 bits. Per tant, fins i tot si es rep un sol bit en una columna en un sol cicle de rellotge, aquestes dades no es poden enviar fins que els altres 7 bits siguin retirats d'altres bancs.

I si el següent bit de dades requerit es troba en una altra pàgina, s’ha de tancar l’actual oberta (es diu el procés) Precàrrega) es pot activar el següent. Tot això, per descomptat, requereix més temps.

Es convoquen tots aquests períodes diferents entre l’enviament d’una instrucció i l’acció necessària. temporitzacions de memòria or retards. Com més baix sigui el valor, millor serà el rendiment general perquè dediqueu menys temps a l’espera que passi alguna cosa.

Alguns d’aquests desfasaments tindran noms coneguts pels entusiastes de PC:

Nom de l’horari Explicació Valor típic a DDR4
tRCD Retard de fila a columna: el nombre de bucles entre una fila activada i una columna que es pot seleccionar més endavant 17 bucles
CL Latència CAS: quants cicles entre l'adreça d'una columna i l'inici de la ràfega de dades 15 cicles
Llavors Temps de cicle de fila: el nombre més curt de cicles que una fila ha de romandre actiu abans de carregar-se prèviament 35 cicles
tRP Temps de precàrrega de seqüència: el nombre mínim de cicles necessaris entre diferents activacions de files 17 bucles

Hi ha moltes altres temporitzacions i cal ajustar-les amb cura per garantir que el DRAM funcioni de manera estable al millor rendiment possible sense danyar les dades. Com podeu veure a la taula, el diagrama que mostra els cicles d’acció és molt Més ampli!

Tot i que hi ha molta espera, les instruccions es poden posar a la cua i donar-les fins i tot si la memòria està ocupada fent alguna cosa. Així doncs, veiem molts mòduls de RAM on necessitem rendiment (memòria de la CPU i del sistema a les targetes gràfiques) i només el menys important (als discs durs).

Els temps de memòria són ajustables: no estan rígidament lligats al DRAM, ja que totes les instruccions provenen del controlador de memòria del processador mitjançant RAM. Els fabricants posen a prova tots els xips que fabriquen i els que compleixen els índexs de velocitat específics per a un determinat conjunt de temps s’agrupen i s’instal·len als mòduls DIMM. Els temps s’emmagatzemen en un petit xip que es connecta a la placa de circuit.

Es denomina procés d’accés i ús d’aquesta informació detecció d’actius en sèrie (SPD). És un estàndard de la indústria que permet a la BIOS de la placa base saber quins horaris s’hauria d’establir tot.

Moltes plaques base us permeten canviar aquests temps per augmentar el rendiment o augmentar l'estabilitat de la plataforma, però molts mòduls DRAM també admeten Intel Perfil de memòria extrema (XMP) estàndard. Això no és res més que informació addicional emmagatzemada a la memòria SPD, que es transmet al BIOS.Puc treballar amb aquests horaris no estàndard. " Per tant, en lloc de ficar-vos amb la configuració vosaltres mateixos, feu un simple clic i la feina estarà acabada per vosaltres.

Wham, bam, gràcies RAM!

A diferència dels nostres altres tutorials d'anatomia, aquest no era massa desordenat: hi ha pocs DIMM separats i es necessiten eines especials per als mòduls. Però aquesta manca de coratge i maldestre amaga alguns detalls sorprenents.

Obteniu un llapis de memòria DDR4-SDRAM de 8 GB des de qualsevol PC nou i obtindreu alguna cosa que contingui al voltant de 70 peces mil milions El mateix número de nou per a condensadors i transistors. Cadascun emmagatzema una petita quantitat de càrrega elèctrica i es pot arribar en només un grapat de nanosegons.

Funcionarà amb innombrables instruccions, fins i tot amb un ús diari normal, i la majoria poden fer-ho durant anys sense problemes. I per tot això Menys de 30 dòlars? Això no és una cosa al·lucinant!

DRAM continua evolucionant - DDR5 és a la volta de la cantonada i promet nivell d'ample de banda per mòdul Costarà arribar a dos DIMM complets de DDR4. Serà molt car quan aparegui, però per als servidors i estacions de treball professionals, el salt de rendiment serà molt benvingut.

Com sempre, si teniu alguna pregunta sobre la memòria RAM en general o teniu alguns consells sobre com canviar els temps de memòria, publiqueu-los a la nostra secció de comentaris. Estigueu atents a les funcions de la sèrie d’anatomia encara més.

Crèdit de la imatge de l'article: Harrison Broadbent (Extrem del pal), daniiD (RAM al costat de la CPU)

Dreceres de compres:
  • 16 GB DDR4-3200 CL14 obert Amazon
  • 32 GB DDR4-3200 CL14 obert Amazon