Память является одним из важнейших элементов логических устройств — это справедливо не только для машин, но даже и для работы нашего, человеческого мышления. Невозможно обработать данные, пока у нас нет места, где мы сможем их хранить. Именно поэтому память всегда была ключевым компонентом компьютерных устройств. Говоря о памяти, мы как правило подразумеваем запоминающие устройства с произвольным доступом (Random Access Memory), однако начиналось всё несколько иначе.
Эта статья расскажет о том, по какому принципу работает память, используемая в ОЗУ, а также вкратце опишет этапы развития наиболее популярного типа запоминающих устройств - от ламповых схем до современных модулей SDRAM (такую оперативную память сегодня можно приобрести в любом магазине компьютерной техники).
История вкратце
Первые компьютеры имели значительно отличающуюся от сегодняшней архитектуру и, соответственно, иначе работали с оперативной памятью. Большинство людей, имеющих понятие об истории информационных технологий, наверное, знают, что первоначально в запоминающих устройствах подобного рода использовались вакуумные электронные лампы — схожие с используемыми в старых ЭЛТ телевизорах и мониторах. Однако затем пришла эпоха транзисторов, разработанных лабораторией Bell Labs.
Транзисторы стали главной составляющей всех современных типов памяти, взявшей начало с простейших транзисторных ключей — электрических схем, позволяющих хранить 1 бит информации. Ключи в дальнейшем развились до элементов называемых триггерами, которые могли объединяться в регистры, именно они чаще всего используются сегодня в качестве ячеек постоянных запоминающих устройств. Следующим усовершенствованием стало объединение транзистора и конденсатора, что позволило разработать более компактную динамическую память.
Основные типы памяти: статическая и динамическая память
Говоря о классификации памяти, прежде всего её делят на два типа: статическая память (Static RAM) и динамическая память (Dynamic RAM). Как было сказано выше, в статической памяти используются определённым образом выстроенные транзисторы, образующие триггеры — ячейки памяти. Одна ячейка памяти хранит 1 бит информации. Наиболее современные SRAM ячейки состоят из шести КМОП транзисторов и представляют собой самый быстрый тип памяти в мире.
В противоположность, динамическая память объединяет транзистор и конденсатор для сведения к минимуму размеров ячейки. Недостатком такого устройства является необходимость периодически подзаряжать конденсатор, что обуславливает задержки доступа к памяти (это именно то, что мы называем таймингами).
Хотя DRAM и обладает явным преимуществом в компактности относительно SRAM, её скорость не может и близко сравниться со скоростью, обеспечиваемой SRAM. Именно поэтому сверхбыстрая память (например, кэш центрального процессора) всегда конструируется из SRAM ячеек. Но из-за больших габаритов SRAM является более дорогим типом и не может быть использована повсеместно.
DRAM же максимально компактна и используется в большинстве мест, где более важен объем, чем мгновенный доступ.
Синхронная и асинхронная память
DRAM может быть классифицирована по функциональности. Все знают, что неотъемлемой частью многих электронных устройств является тактовый генератор, генерирующий специальные импульсы, организующие и синхронизирующие работу основных компонентов.
Синхронная память (SDRAM) может принимать или отправлять данные только в момент начала или окончания тактового импульса (мы еще вернёмся к этому далее). К асинхронной же памяти доступ можно получить в любой момент работы системы, и это является весьма значительным преимуществом.
Single Data Rate SDRAM
На данный момент SDR SDRAM является однозначно устаревшей технологией. Это была одна из первых архитектур с поддержкой синхронного доступа. Single Data Rate обозначает что за один цикл может быть передано одно слово (16 бит для архитектуры x86). Этот тип памяти широко использовался в 90-х, вплоть до выхода Intel Pentium III.
Наиболее распространенными стандартами являлись PC-100 и PC-133, которые могли работать на тактовых частотах 100 и 133 МГц соответственно.
Double Data Rate SDRAM
SDRAM с удвоенной скоростью передачи. Для простоты этот тип памяти сегодня называют просто — DDR. Является прямым наследником SDR SDRAM. В новой технологии была использована возможность удвоения скорости передачи данных с помощью следующего трюка: одно слово передаётся по фронту (началу) тактового импульса, другое — по спаду (окончанию). Память DDR использовалась в системах на базе Intel Pentium 4 и AMD Athlon.
В маркетинговых целях DDR SDRAM продвигалась с удвоенной частотой (относительно реальной) в названии. Например, DDR-400 на самом деле работала на тактовой частоте 200 МГц.
DDR2
Стандарт DDR быстро обрёл широкую поддержку и в скором времени был усовершенствован для соответствия требованиям высокопроизводительных систем. Улучшения коснулись пропускной способности, оптимизации тактовых частот и питания. Это привело к значительному улучшению производительности. DDR2 память использовалась в сочетании с Pentium 4 Prescott, Intel Core и AMD Athlon 64.
Популярными стали скорости от DDR2-400 до DDR2-1066 (как и ранее, реальные частоты в названии удваивали).
DDR3
Спецификация этого типа памяти была завершена в 2007 году. Прежде всего улучшения были направлены на максимизацию тактовой частоты, параллельно с уменьшением напряжения питания. Однако, это привело к некоторым негативным последствиям — увеличилась задержка доступа (латентность). В результате прирост скорости по сравнению с DDR2 оказалась не таким уж значительным (всего около 5%). Однако последние на то время платформы AMD и Intel (790/AM3 и X58/P55 соответственно) поддерживали исключительно DDR3.
Новая спецификация включила стандарты вплоть до DDR3-2000.
DDR4
Стала логическим продолжением DDR3: тактовые частоты были еще более повышены, а напряжение питания вновь уменьшилось. Главным отличием от DDR3 стало удвоение количества банков памяти с 8 до 16. Эти и некоторые другие усовершенствования позволили увеличить производительность по сравнению с предыдущим поколением примерно на 50%. Максимальная эффективная (удвоенная) частота на этот раз достигла 3600 МГц.
Поддержка памяти DDR4 (стандарт опубликован в 2014 году) стартовала с выходом в свет процессоров Intel Haswell. На 2016 год данный тип памяти только начинает догонять по популярности DDR3 (убедиться в этом можно, заглянув в любой электронный каталог, например, e-Katalog http://ek.ua).
Графическая память. GDDR5
Название этого типа может ввести в заблуждение, поэтому следует отметить, что данный тип памяти является специфическим: она используется исключительно в графических ускорителях (видеокартах). Это отдельная «ветвь разработки» DDR, являющаяся наследником DDR3 и запущенная в производство в 2010 году.