ЭВМHISTORY
Статьи. Обзоры. Истории
ЭВМHISTORY: история и развитие процессоров, чипсетов, звуковых систем, оперативной памяти, видеоадаптеров и т.д.

Компоненты ПК | Оперативная память (RAM)



ram, random, access, memory, озу, оперативная, память, запоминающее, устройство
Модули ОЗУ для ПК

Оперативная память (англ. Random Access Memory, RAM, память с произвольным доступом; ОЗУ (оперативное запоминающее устройство); комп. жарг. память, оперативка) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.


История развития и принципы работы


Прежде чем мы начнем говорить непосредственно об оперативной памяти, ее развитии и типах, следует разобраться, для чего она предназначена и зачем входит в состав современных компьютеров.

Специалисты, исследующие историю развития вычислительной техники, считают первой вехой на тернистом пути возникновения и развития компьютеров разработку британцем Чарльзом Бэббиджем аналитической машины в Лондоне в далеком 1834 году. Из-за проблем с финансированием и отсутствием необходимых для постройки машины технологий построить её в то время так и не удалось. Несмотря на этот факт, именно аналитическую машину считают первым созданным человеческим разумом автоматическим устройством для хранения и обработки математической информации, то есть первым компьютером.

ram, random, access, memory
Один из элементов аналитической машины, собранный сыном Бэббиджа после его смерти (фото Andrew Dunn)

Совокупность основных узлов и элементов, входящих в состав аналитической машины (и современных компьютеров также), называют архитектурой вычислительной машины. Бэббидж при разработке своего устройства выделил несколько основных частей. Первая - это «мельница», которая занималась обработкой информации (аналог современного процессора). Вторая - устройства ввода-вывода, с помощью которых вводились данные для обработки и с которых снимался затем результат. Третья - «склад», в котором хранились промежуточные результаты вычислений. Четвертая - управляющий элемент, предназначенный для передачи данных между остальными узлами аналитической машины.

Подобную архитектуру имеют все современные компьютеры, состоящие из арифметико-логического устройства (АЛУ), шины передачи данных, оперативной памяти и устройств ввода-вывода. Упрощенно взаимодействие этих элементов можно изобразить с помощью следующей схемы.

ram, random, access, memory
Архитектура компьютера

Назначение всех элементов точно соответствует назначению узлов аналитической машины Бэббиджа. Оперативная память, подобно «складу» в машине британца, отвечает за временное хранение информации, которая содержит входящие, выходящие и промежуточные данные, а также программы и алгоритмы, с помощью которых они обрабатываются.

В информатике оперативную память принято также называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), что более точно отображает суть этого элемента вычислительной машины.


Физическая реализация ОЗУ на разных этапах развития


В машине Бэббиджа для оперативного хранения информации предусматривался сложный массив валов и шестерен, положение которых и соответствовало тому или иному значению информационной единицы. Подобный подход с небольшими изменениями просуществовал довольно долго, пока вычислительные машины представляли собой чисто механические устройства.

Появление электромеханических вычислителей и первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ) привело к созданию более быстрых и надежных методов хранения информации. На первых порах различные исследовательские центры весьма широко экспериментировали с конструкциями и физическими принципами работы запоминающих устройств. Были созданы ОЗУ, работающие на электромеханических реле, на электромагнитных переключателях, на электростатических трубках, на электронно-лучевых трубках. Затем появились различные варианты магнитных запоминающих устройств - магнитные диски и барабаны, в то время как длительное хранение информации осуществлялось на магнитных лентах. Диски и барабаны обеспечивали значительно меньшее время доступа к каждой ячейке данных по сравнению с лентами. А одним из основных требований, предъявляемых к оперативной памяти, было и остается по сей день высокое быстродействие.

ram, random, access, memory
Магнитный барабан (фото из «Википедии»)

Помимо магнитных дисков и барабанов длительное время в качестве быстрой памяти использовались массивы на ферромагнитных сердечниках, которые обеспечивали очень высокую скорость доступа. Основным недостатком подобных массивов была большая энергоёмкость и весьма крупные габаритные размеры ОЗУ.

ram, random, access, memory
Элемент памяти на магнитных сердечниках
конструкции К. Олсена (1964 г.)

Как видим, основными тенденциями при разработке новых типов памяти были и остаются постепенная миниатюризация элементов памяти, что необходимо для увеличения ёмкости хранимой информации, снижение энергопотребления и увеличение быстродействия каждой ячейки и модулей памяти в целом.

Самый серьезный толчок развитию ЭВМ дало создание БИС (больших интегральных схем), состоящих из большого числа полупроводниковых транзисторов, заключенных в один корпус. Скорость обработки информации увеличилась настолько, что быстродействия существовавшей на то время оперативной памяти катастрофически не хватало для обеспечения нормальной работы компьютеров в целом. Понадобилось разработать принципиально новые методы хранения информации, которыми мы пользуемся и до сих пор.


Строение и принцип работы современной оперативной памяти


В современных микросхемах памяти наиболее широко используются два метода хранения информации. Первый основан на широко известном свойстве конденсатора сохранять накопленный заряд достаточно продолжительное время, чтобы его можно было использовать для кратковременного хранения единицы информации. Второй подразумевает использование для хранения каждого бита информации единичного транзисторного триггера. Рассмотрим оба метода более подробно.


Динамическая память


Запись информации в конденсаторную ячейку осуществляется путем заряда этого конденсатора до уровня, соответствующего логическому нулю или единице. Обеспечивает заряд до нужного уровня сопряженный с конденсатором транзистор, который открывается под воздействием управляющего сигнала. Получается, что каждая ячейка хранения бита информации является парой транзистор плюс конденсатор.

ram, random, access, memory
Принципиальная схема ячейки динамической памяти

Основное достоинство - дешевизна производства и малый размер каждой ячейки. Современная элементная база позволяет вмещать миллионы подобных пар на каждый квадратный миллиметр микросхемы памяти.

Основной недостаток подобного метода хранения информации является следствием физических свойств конденсаторов. Как известно, любой конденсатор, насколько бы досконально он ни был разработан и произведен, имеет такой неприятный параметр, как ток утечки. И относительная величина этого тока обратно пропорциональна геометрическим размерам элемента. Соответственно, время, за которое разряжается конденсатор, тем меньше, чем меньше сам конденсатор. В микросхемах памяти размеры каждого ёмкостного элемента исчисляются десятками нанометров, а время их саморазряда составляет миллисекунды. Вполне очевидно, что, для того чтобы информация, записанная в ячейку памяти, хранилась в течение времени, достаточном для ее обработки, ее необходимо обновлять с периодичностью, исключающей потерю от саморазряда конденсаторов. Поэтому в микросхемах памяти, основанных на конденсаторных ячейках, идет постоянный процесс обновления хранимой информации. Этот процесс называют регенерацией, и для его осуществления на модулях памяти предусмотрены специальные контроллеры.

Память подобного типа называют динамической. Процесс постоянной перезаписи приводит к увеличенному расходу энергии и дополнительному нагреву микросхем, а также к ухудшению такого важного параметра, как время отклика.

Еще одним неприятным свойством любого конденсатора является его электрическая инерционность. Изменение ёмкости не является мгновенным процессом, следовательно, чтение единицы информации и ее перезапись занимают какое-то время, необходимое для накопления или сброса электрического заряда.


Статическая память


В триггерных системах памяти хранение каждого бита информации происходит в единичных триггерах, которые фактически представляют собой группы из шести-восьми транзисторов. Так как состояние триггера зависит исключительно от наличия управляющего сигнала и не меняется с течением времени (пока есть питающее напряжение), то такой тип памяти называют статической памятью. Основным достоинством статической ОЗУ является ее чрезвычайно высокое быстродействие, так как переключение триггера происходит практически мгновенно при подаче соответствующего управляющего сигнала на вход элемента.

Недостатки также достаточно очевидны. Первый - значительно более высокая стоимость по сравнению с динамической памятью. Создать на пластинке кремния группу из полудюжины транзисторов значительно сложнее и дороже, чем пару конденсатор плюс транзистор.

Второй недостаток - значительно большие размеры каждой ячейки памяти, что ведет к существенному увеличению размеров каждой микросхемы памяти.


Вместо вывода


На сегодняшний день широко используются и статический, и динамический тип ОЗУ. На более дешевых динамических элементах построены обычные модули памяти, внешний вид которых знаком каждому, кто хоть раз видел раскрытый компьютер. Статическая память используется в первую очередь там, где высокое быстродействие важнее экономии в стоимости и размерах. Это прежде всего процессорная кеш-память. Скорость работы кеша во многом определяет и общую скорость работы современных процессоров, что и обуславливает применение более дорогого и более быстрого ОЗУ.

Отдельного упоминания заслуживает и еще одна особенность современной оперативной памяти - ее энергозависимость. И конденсаторные схемы, и триггеры хранят записанную в них информацию, пока не отключено питающее напряжение. Как только питание отключается, вся информация бесследно стирается. Это является основной причиной того, что любой компьютер после выключения длительное время занят запуском операционной системы, всех служб и резидентных программ. Уже достаточно длительное время в крупнейших исследовательских центрах идет разработка энергонезависимой оперативной памяти, которая будет хранить записанную в нее информацию длительное время и без подачи питающего напряжения. Работающие прототипы уже существуют, но пока еще слишком дороги и ненадежны для массового применения.

С каждым годом компьютеры становятся все мощнее, оперативная память становится все быстрее и надежнее. Увеличивается частота, на которой способны стабильно работать микросхемы ОЗУ, и стремительно растет объем памяти в каждой микросхеме. Каждый производитель старается хоть в чем-то опередить конкурентов, что приводит к бурному развитию элементной базы и росту числа типов и моделей модулей памяти, доступных на рынке сегодня.


Cовременный рынок


Динамическая память - основа построения микросхем привычных нам планок памяти, которые мы видим в материнских платах компьютеров и ноутбуков.

Впервые понятие модуля памяти (или планки памяти) возникло в далеких 1980-х годах с появлением на рынке IBM-PC-совместимых компьютеров. До того времени оперативная память или сразу впаивалась в материнские платы, или же представляла собой отдельные микросхемы с десятками ножек, которые вставлялись в специальные разъемы на плате. Очевидно, что замена этих микросхем была сопряжена с определенными трудностями и выполнялась исключительно специалистами-компьютерщиками.

Появление отдельных модулей в виде легкозаменяемых планок, на которых уже были смонтированы несколько микросхем памяти, стало еще одним существенным этапом к развитию модульности персональных компьютеров и привело к зарождению собственно современного рынка оперативной памяти.

ram, random, access, memory
Оперативная память - от микросхемы до DDR

Первые планки памяти представляли собой девятисантиметровые пластинки с распаянными на них микросхемами и контактной площадкой на тридцать контактов с одной стороны пластинки. Это были модули SIMM, которые имели объем от 4 до 32 Мб. С течением времени число контактов SIMM-памяти выросло до семидесяти двух, появилась технология EDO (Extended Data Out), которая несколько увеличила скорость работы памяти за счет того, что чтение следующего блока памяти начиналось одновременно с отправкой процессору предыдущего в одном такте.

В середине девяностых годов на рынке появился новый стандарт - SDRAM (Synchronous DRAM). Память SDRAM также называли модулями DIMM. Планки существенно подросли в размерах, число контактов выросло до 168, увеличилась частота, на которой работала память. Следовательно, существенно выросла скорость работы ОЗУ, а значит, и скорость работы всего ПК в целом. До 2001 года SDRAM-память занимала господствующее положение на рынке. В конце столетия компания Intel попыталась распространить свою разработку - память RIMM (Rumbus), которая благодаря оригинальной архитектуре имела некоторое преимущество в скорости и надежности работы перед модулями SDRAM. Однако из-за более высокой стоимости RIMM-память достаточно быстро исчезла с рынка ПК, хотя еще какое-то время использовалась в игровых консолях.

Очередное революционное изменение в развитии оперативной памяти произошло в 2001 году с выходом на рынок модулей памяти DDR (Double Data Rate). Прирост производительности был достигнут не за счет простого увеличения тактовой частоты памяти, а благодаря разработке технологии передачи двух пакетов информации за один такт. Планки памяти DDR имели уже по 184 контакта. Дальнейшее развитие оперативной памяти до сих пор происходит за счет увеличения тактовой частоты и снижения энергопотребления. Со временем появился стандарт DDR2, а на сегодняшний день наиболее распространенным является DDR3.

В 2014 году ожидается появление на рынке памяти стандарта DDR4, который также отличается лишь увеличенной тактовой частотой и сниженным энергопотреблением.


Модули памяти ECC


Отдельного упоминания стоит ECC-память (error-correcting code). Эта технология существенно повышает надежность хранения данных за счет введения некоторой избыточности информации. К каждым восьми битам данных добавляется один бит, служащий для контроля наличия ошибки. В случае обнаружения ошибки автоматически происходит восстановление правильного значения бита (инвертирование). При единичных ошибках этот метод обеспечивает стопроцентную надежность хранения информации. Парные же ошибки, не вызванные воздействием сторонних факторов вроде скачков питающего напряжения, механического воздействия и т. п., случаются чрезвычайно редко.

Очевидно, что увеличение количества микросхем на планке памяти приводит к ее удорожанию. Число микросхем на планках ECC-памяти кратно девяти, в отличие от обычных модулей с восемью или шестнадцатью банками памяти.

ram, random, access, memory

В целом применение ECC-памяти оправдано в тех случаях, когда действительно необходимо исключить возможность информационных потерь из-за сбоев памяти. Это в первую очередь серверные решения и различные компьютеры, управляющие оборудованием в режиме реального времени. Для рядового пользователя применение ECC нецелесообразно. По этой причине большинство современных материнских плат не поддерживают работу ECC-памяти на аппаратном уровне.


Память SO-DIMM


У любого производителя оперативной памяти есть модели, которые маркируются обозначением SO-DIMM. Это не обозначение нового стандарта архитектуры или принципа работы. Это всего лишь обозначение формфактора планок памяти, уменьшенного по сравнению со стандартным. Сокращение линейных размеров модулей необходимо для всевозможных малоразмерных устройств - от ноутбуков до малогабаритных ПК всевозможных конфигураций.

ram, random, access, memory
Две планки SO-DIMM рядом с DDR3


Основные характеристики оперативной памяти


Как и любое другое высокотехнологичное устройство, оперативная память имеет ряд параметров, которые необходимо учитывать при выборе конкретных модулей для сборки или апгрейда своего ПК. Рассмотрим их в порядке снижения приоритета.

Тип модулей памяти
Выше мы рассмотрели основные типы памяти. Чтобы выбрать именно тот, который наиболее подходит для вашего ПК, следует обратиться к документации на материнскую плату. В обязательном порядке в руководстве по эксплуатации указываются все поддерживаемые чипсетом (или процессором в случае с чипами AMD) типы памяти с указанием стандарта и максимального объема. В большинстве случаев материнка способна работать с каким-то одним типом оперативки, но существуют и исключения. Нередко при появлении нового стандарта некоторое время выпускаются материнские платы с поддержкой и нового, и старого типа памяти. Но при этом следует учитывать, что работать они могут только по отдельности. Устанавливать в одну материнку одновременно DDR2 и DDR3 нельзя!


Тактовая частота памяти
Частота, на которой может работать оперативная память, варьируется в широких пределах от 133 МГц SDRAM до 2666 МГц DDR3 (стандарт DDR4 предусматривает работу на частотах до 4266 МГц). Очевидно, что чем выше частота, на которой работает память, тем выше скорость ее работы и выше производительность всего компьютера в целом. Узнать допустимые частоты можно также из документации на материнскую плату.

Объем оперативной памяти
С этим параметром проще всего. Рецепт следующий: «Бери больше, кидай дальше!» То есть чем больше оперативной памяти в системе, тем для нее лучше. И это вполне объяснимо: операционная система, значительное число всевозможных резидентных программ, большие объемы обрабатываемой информации (особенно при работе с графикой и мультимедиа) требуют значительного места для своего размещения. Если этого места не будет достаточно в оперативке, система будет искать его в постоянной памяти, то есть очень активно использовать файл подкачки. Как следствие, ждите неприятных сюрпризов в виде заметных тормозов в работе и уменьшения срока службы жёстких дисков.

Но в погоне за гигабайтами не забудьте, что 32-битные операционные системы физически не способны адресовать более 3,5 Гб адресного пространства. Есть, конечно, варианты шаманских танцев с бубном, после которых системе становятся видны все 4 Гб, но в любом случае для работы с объемом оперативной памяти более 4 Гб необходимы 64-битная ОС и соответствующий чипсет материнской платы. Современные материнки все без исключения поддерживают большие объемы памяти, так что будьте внимательны только при апгрейде старых ПК.

Тайминги!
Вот и добрались до одного из самых загадочных параметров оперативной памяти. Все слышали это слово, но его значение для многих так и остается загадкой. Что же это такое?

Слово «тайминг» является жаргонизмом, заменяющим еще более страшное для неспециалистов слово - латентность (англ. latency). На самом деле все достаточно просто. Латентностью называют временнУю задержку сигнала при выполнении тех или иных операций в оперативной памяти. Измеряется эта задержка в числе тактов, необходимых для выполнения этих операций. Записывается, как правило, значение таймингов для каждой модели оперативной памяти в виде ряда целых чисел, разделенных дефисами. Например, 2-2-2 или 2-3-3.

Не будем вдаваться глубоко в теорию, расписывая, каким именно операциям приписываются те или иные значения латентности. Достаточно понимания, что чем меньше тайминги, тем быстрее работает память.

Следует отметить, что погоня за низкими таймингами в современных компьютерах постепенно теряет свой смысл. Если еще полдесятка лет назад память с низкой латентностью давала существенный прирост производительности системы в целом, то сейчас, благодаря наличию в процессорах больших объемов кеш-памяти двух уровней, количество обращений к оперативке значительно снижено и влияние таймингов на скорость передачи данных постепенно нивелируется.


Основные производители оперативной памяти


Бурное развитие рынка оперативной памяти и высокая рентабельность производства в конце прошлого века привели к появлению большого числа производителей микросхем и готовых модулей памяти. Рынок видоизменялся, развивался, и сейчас уже можно сказать, что оставшиеся на виду производители - это те, кто смог удержать достаточный уровень качества при сравнительно невысокой стоимости продукта.

Еще десять лет назад обильно растущие китайские производители выбрасывали на рынки мира огромное количество noname-продукции и подделок под известные бренды весьма сомнительного качества. Попадались и в их массе вполне достойные экземпляры, но в целом надежные решения можно было приобрести только у проверенных поставщиков и под проверенным логотипом.

Первой компанией в мире, которая ввела обязательное тестирование при производстве каждой планки памяти, стала американская компания Kingston Technology Company. Результат не заставил себя ждать - высокая надежность и крайне низкий процент брака создали бренду репутацию, благодаря которой сегодня «Кингстон» является крупнейшим в мире производителем оперативной и флеш-памяти. Также великолепное качество и высокая надежность отличают продукцию таких брендов, как GeIL, Corsair, Hynix, Transcend, Samsung.

Со временем ужесточение борьбы с контрафактной продукцией и переход производства в крайне высокотехнологичный сектор привели к исчезновению noname-памяти с рынка. Повышение требовательности потребителя к качеству продукции привело к банкротству компаний, которые оказались неспособны выдавать продукт достаточно высокого качества. Поэтому сейчас можно сказать, что оперативная память любого представленного на рынке производителя соответствует предъявляемым к ней требованиям.

Сегодня выбор конкретного бренда играет важную роль в первую очередь для энтузиастов разгона системы. Вот тут можно без сомнений порекомендовать обратить внимание на модули памяти GeIL, Corsair, Kingston. Запас надежности изделий от этих производителей позволяет в более широком диапазоне «играть» тактовыми частотами памяти и в результате получить больший прирост суммарной производительности компьютера.

© Юрий Худяков

Источники:

Ram.Poisk-Podbor.Ru: Оперативная память. История развития и принципы работы,
Ram.Poisk-Podbor.Ru: Оперативная память. Современный рынок.


В начало


Компоненты ПК | Оперативная память (RAM)



Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика