Как устроена оперативная память компьютера

Как устроена оперативная память компьютера

З наете ли вы, что такое оперативная память? Конечно, знаете. Это такое устройство, от которого зависит скорость работы компьютера. В общем, так оно и есть, только выглядит такое определение немного дилетантски. Но что в действительности представляет собой оперативная память? Как она устроена, как работает и чем один вид памяти отличается от другого?

Компьютерная память

Оперативная память, ОЗУ она же RAM (англ.) — это энергозависимая часть компьютерной памяти, предназначенной для хранения временных данных, обрабатываемых процессором. Хранятся эти данные в виде бинарной последовательности, то есть набора нулей и единиц. Энергозависимой же она называется потому, что для её работы необходимо постоянное подключение к источнику электрического тока. Стоит только отключить её от питания, как вся хранящаяся в ней информация будет утеряна.

Но если ОЗУ это одна часть компьютерной памяти, тогда что представляет собой её другая часть? Носителем этой части памяти является жесткий диск. В отличие от ОЗУ, он может хранить информацию, не будучи подключён к источнику питания. Жесткие диски, флешки и CD-диски — все эти устройства именуются ПЗУ, что расшифровывается как постоянное запоминающее устройство. Как и ОЗУ, ПЗУ хранят данные в виде нулей и единиц.

Для чего нужна ОЗУ

Тут может возникнуть вопрос, а зачем вообще нужна оперативная память? Разве нельзя выделить на жестком диске буфер для временного помещения обрабатываемых процессором данных? В принципе можно, но это был бы очень неэффективный подход.

Физическое устройство оперативной памяти таково, что чтение/запись в ней производится намного быстрее . Если бы вместо ОЗУ у вас было ПЗУ, компьютер бы работал очень медленно.

Физическое устройство ОЗУ

Физически ОЗУ представляет съёмную плату (модуль) с располагающимися на ней микросхемами памяти. В основе микросхемы лежит конденсатор — устройство, известное уже больше сотни лет.

Каждая микросхема содержит множество конденсаторов связанных в единую ячеистую структуру — матрицу или иначе ядро памяти. Также микросхема содержит выходной буфер — особый элемент, в который попадает информация перед тем, как быть переданной на шину памяти. Из уроков физики мы знаем, что конденсатор способен принимать только два устойчивых состояния: либо он заряжен, либо разряжен. Конденсаторы в ОЗУ играют ту же роль, что и магнитная поверхность жёсткого диска, то есть удержание в себе электрического заряда, соответствующего информационному биту. Наличие заряда в ячейке соответствует единице, а отсутствие — нулю.

Как в ОЗУ записывается и читается информация

Понять, как в ОЗУ происходит запись и считывание данных будет проще, если представить её в виде обычной таблицы. Чтобы считать данные из ячейки, на горизонтальную строку выдаётся сигнал выбора адреса строки (RAS). После того как он подготовит все конденсаторы выбранной строки к чтению, по вертикальной колонке подаётся сигнал выбора адреса столбца (CAS), что позволяет считать данные с конкретной ячейки матрицы.

Характеристика, определяющая количество информации, которое может быть записано или прочитано за одну операцию чтения/записи, именуется разрядностью микросхемы или по-другому шириной шины данных. Как нам уже известно, перед тем как быть переданной на шину микросхемы, а затем в центральный процессор, информация сначала попадает в выходной буфер. С ядром он связывается внутренним каналом с пропускной способностью равной ширине шины данных. Другой важной характеристикой ОЗУ является частота шины памяти. Что это такое? Это периодичность, с которой происходит считывание информации, а она совсем не обязательно должна совпадать с частотой подающегося на матрицу памяти сигнала, что мы и увидим на примере памяти DDR.

В современных компьютерах используется так называемая синхронная динамическая оперативная память — SDRAM. Для передачи данных в ней используется особый синхросигнал. При его подаче на микросхему происходит синхронное считывание информации и передача её в выходной буфер.

Представим, что у нас есть микросхема памяти с шириной шины данных 8 бит, на которую с частотой 100 МГц подаётся синхросигнал. В результате за одну транзакцию в выходной буфер по 8-битовому каналу попадает ровно 8 бит или 1 байт информации. Точно такой же синхросигнал приходит на выходной буфер, но на этот раз информация попадает на шину микросхемы памяти. Умножив частоту синхросигнала на ширину шины данных, мы получим ещё один важный параметр — пропускную способность памяти.

8 бит * 100 МГц = 100 Мб/с

Память DDR

Это был простейший пример работы SDR — памяти с однократной скоростью передачи данных. Этот тип памяти сейчас практически не используется, сегодня его место занимает DDR — память с удвоенной скоростью передачи данных. Разница между SDR и DDR заключается в том, что данные с выходного буфера такой ОЗУ читаются не только при поступлении синхросигнала, но и при его исчезновении. Также при подаче синхросигнала в выходной буфер с ядра памяти информация попадает не по одному каналу, а по двум, причём ширина шины данных и сама частота синхросигнала остаются прежними.

Для памяти DDR принято различать два типа частоты. Частота, с которой на модуль памяти подаётся синхросигнал, именуется базовой, а частота, с которой с выходного буфера считывается информация — эффективной. Рассчитывается она по следующей формуле:

эффективная частота = 2 * базовая частота

В нашем примере с микросхемой 8 бит и частотой 100 МГц это будет выглядеть следующим образом.

8 бит * (2 * 100 МГц) = 200 Мб/с

Чем отличаются DDR от DDR2, DDR3 и DDR4

Количеством связывающих ядро с выходным буфером каналов, эффективной частотой, а значит и пропускной способностью памяти. Что касается ширины шины данных (разрядности), то в большинстве современных модулей памяти она составляет 8 байт (64 бит). Допустим, что у нас есть модуль памяти стандарта DDR2-800. Как рассчитать его пропускную способность? Очень просто. Что такое 800? Это эффективная частота памяти в мегагерцах. Умножаем её на 8 байт и получаем 6400 Мб/с.

И последнее. Что такое пропускная способность мы уже знаем, а что такое объём оперативной памяти и зависит ли он от её пропускной способности? Прямой взаимосвязи между этим двумя характеристиками нет. Объём ОЗУ зависит от количества запоминающих элементов. И чем больше таких ячеек, тем больше данных может хранить память без их перезаписи и использования файла подкачки.

Выбираем оперативную память: руководство Hardwareluxx

Оперативная память является неотъемлемым компонентом любого компьютера, поэтому работать или играть без нее не получится. Но как подобрать быструю и надежную память? Какого объема будет достаточно? На что обращать внимание при выборе памяти? В руководстве мы ответим на эти и другие вопросы, а также поможем подобрать лучшие модули памяти. Наше руководство будет интересно не только новичкам, но и опытным пользователям.

Если вы ничего не знаете об оперативной памяти компьютера, то наше руководство поможет восполнить пробелы. Мы расскажем, для чего нужна память, и какие характеристики наиболее важны. Наше руководство поможет подобрать оптимальные планки памяти на рынке. Но и опытным пользователям руководство пригодится, поскольку мы рассмотрим многие полезные детали. В том числе и разгон памяти.

Для чего нужна память?

В сегменте ИТ оперативную память обычно называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (Random Access Memory). Данные из памяти могут как считываться, так и записываться. Память только для чтения называется ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (Read Only Memory), в качестве примеров можно привести как чип BIOS материнской платы, так и оптические диски Blu-ray. Данные в оперативной памяти, как можно догадаться из названия, хранятся только небольшое время по мере надобности, а так они располагаются в виде файлов на накопителях.

Таким образом, оперативная память выполняет роль своего рода кэша для ускорения выполнения приложений и операционной системы, чтобы минимизировать задержки. По сравнению с накопителем SSD, время доступа к которому составляет меньше одной миллисекунды, у оперативной памяти задержки намного меньше, от десятков до единиц наносекунд. Напомним, что одна миллисекунда (мс) содержит 1 000 000 наносекунд (нс). А классические жесткие диски еще медленнее. По этой причине на объеме оперативной памяти экономить не стоит, иначе ОЗУ будет не хватать, приложениям придется подкачивать данные с SSD/HDD, что приводит к задержкам.

Сохраняются ли данные в ОЗУ после выключения компьютера?

Нет, так как ОЗУ относится к энергозависимой памяти. Когда компьютер выключается, вся оперативная память очищается. После запуска компьютера в оперативную память с накопителей заново загружается операционная система и приложения. Здесь, кстати, будет видна существенная разница между SSD и жестким диском. Да и новые технологии SSD (например, Intel 3D Xpoint) тоже демонстрируют свои преимущества. Если произойдет сбой питания, то все данные в оперативной памяти будут потеряны.

Как давно появилась оперативная память?

История оперативной памяти начинается еще с 1960-х годов, когда мейнфреймы оснащались до 1 Мбайт ОЗУ. С тех пор емкость постепенно увеличивалась, появилось разделение оперативной памяти на синхронную и асинхронную. Асинхронная память не требует постоянного сигнала синхронизации, производительность у нее ниже. В случае синхронной памяти используется сигнал синхронизации, пропускная способность такой памяти выше.

По типу строения память разделяется еще на две категории: статическую и динамическую. Статическая память SRAM (Static Random Access Memory) состоит из триггеров, поэтому она работает быстрее, но стоит дороже в расчете на бит. Динамическая память DRAM (Dynamic Random Access Memory) использует для хранения данных уже конденсаторы, поэтому стоит дешевле, но требует постоянной регенерации ячеек для сохранения заряда.

Первые модули SIMM (Single In-Line Memory Modules) с 30 контактами и шириной шины 8 бит в начале 90-х годов уступили место 32-битным SIMM PS/2 с 72 контактами. Память на модулях SIMM относилась к типу FPM RAM (Fast Page Mode Random Access Memory). Позднее она была заменена стандартом EDO RAM (Extended Data Output Random Access Memory). EDO RAM тоже является стандартом асинхронной динамической памяти, но обеспечивает более высокую пропускную способность чтения по сравнению с FPM RAM.

Прямым наследником памяти FPM/EDO RAM является синхронная SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory), которая появилась в 1997 году. Здесь уже использовался тактовый генератор с сигналом синхронизации, обеспечивший прирост производительности по сравнению с EDO RAM. Память EDO RAM работала на частотах 33-66 МГц, в случае SD-RAM они увеличиваются до 66-133 МГц. То есть мы получаем прирост скорости в два раза, при этом технология предварительной выборки данных (prefetch) тоже увеличивает скорость передачи данных.

Чуть позже появилась память Rambus Dynamic Random Access Memory (RD-RAM), которая активно продвигалась Intel. Но так и не смогла закрепиться на рынке из-за высоких задержек и цены. В конечном итоге новым стандартом стал DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory), представленный в 1999 году. В последующие три года DDR SDRAM занял доминирующую позицию на рынке ПК. DDR SDRAM является дальнейшим совершенствованием SD RAM с приростом производительности.

В 2003 году было представлено второе поколение (DDR2 SDRAM), в 2007 году – третье (DDR3 SDRAM), а с 2014 года доступен нынешний стандарт DDR SDRAM (DDR4 SDRAM). Память DDR4 SDRAM может работать на довольно высоких тактовых частотах, предварительная выборка (prefetch) не изменилась по сравнению с DDR3 SDRAM, но емкость одного модуля DIMM увеличилась сначала до 16 Гбайт, а позднее и до 32 Гбайт. Стандарт DDR5 SDRAM уже готов сменить DDR4 после выхода финальных спецификаций JEDEC (ранее: Joint Electron Device Engineering Council, сегодня: JEDEC Solid State Technology Association).

С каждым поколением DDR SDRAM хорошо прослеживается рост тактовых частот и снижение напряжений, что повышает эффективность работы памяти в целом.

Подписывайтесь на группы Hardwareluxx ВКонтакте и Facebook, а также на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).

Персональный компьютер не может работать без оперативной памяти, но на рынке присутствует большое количество различных модулей, поэтому выбрать оптимальные DIMM нелегко. По этой причине мы рекомендуем наше руководство, которое позволит купить лучшие планки памяти за свои деньги.

Возможные режимы работы

Есть такое понятие, как многоканальность. Суть в том, что два модуля по четыре гигабайта дают большую производительность ноутбуку или ПК, чем одна планка оперативы на 8 ГБ.

Примечание: большинство недорогих материнок поддерживает 2-канальный, а средний класс и топовые платы — четырех-, а то и восьмиканальный режим.

Если в системной плате всего пара гнезд под ОЗУ, но при этом в характеристиках есть поддержка работы в двух каналах, то здесь все просто: нужно лишь установить модули. Если же на таком устройстве четыре слота, тогда планки устанавливаются через одну. Как правило, разъемы разных каналов отличаются по цвету, так что даже новичку будет легко разобраться.

Виды (типы) оперативной памяти

В наше время оперативная память может быть двух типов: статической (SRAM) и динамической (DRAM). Статические ОЗУ по сравнению с динамическими являются более быстрыми из-за своей технологии производства, но в то же время и более дорогими. Такой тип зачастую используется в качестве кэш-памяти процессора. Для массового производства модулей оперативной памяти используют технологию DRAM. И существует несколько типов такой памяти. Те, которые сейчас можно встретить:

• DDR SDRAM — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) первого поколения;
• DDR2 SDRAM — второе поколение DDR SDRAM;
• DDR3 SDRAM — третье поколение DDR SDRAM;
• DDR4 SDRAM — четвертое поколение DDR SDRAM;

Как можно догадаться, DDR SDRAM — это самый старый тип оперативной памяти, который сейчас встретить очень трудно. DDR4 — самый новый. На сегодняшний день самым распространенным является DDR3. Различаются эти типы памяти между собой производительностью и внешним видом.

Для того, чтобы ненароком нельзя было вставить планку с одним типом оперативной памяти в разъем, предназначенный для другого типа, на планке есть специальный ключ (пропил), а в разъеме на материнской платы в том же месте выступ. И у каждого вида памяти он разный.

Кроме того, с помощью этого ключа вы не сможете вставить модуль ОЗУ наоборот.

Накопители высокой плотности

В этих дисках для более точного позиционирования магнитной головки используется лазерный луч. По внешнему виду это 3,5 дюймовые дискеты с более жесткой конструкцией.

• Накопители на флоптических дисках – выполняют обычную магнитную запись, но со значительно большей плотностью размещения дорожек на поверхности диска (емкость до 20,8 Мб);
• Накопители сверхвысокой плотности записи (VHD – Very High Density) используют кроме лазерного позиционирования еще и специальные дисководы, обеспечивающие иную технологию записи/считывания: «перпендикулярного» способа записи вместо обычного «продольного». Выпускают диски емкостью 120-240 Мб и более.

Память Rambus

Также стоит рассказать немного об одной интересной технологии ОЗУ, которая наделала в свое время много шума, однако так и не стала массовой. Речь идет о модулях памяти типа RIMM (Rambus in-line memory module), которые были разработаны компанией Rambus совместно с Intel в конце 90-х гг.

В основу модулей памяти RIMM Rambus положила технологию памяти, которая до этого использовалась в некоторых видеокартах. Технология RIMM до появления DIMM и DDR SDRAM казалась многообещающей и позиционировалась Rambus как замена всем старым форматам памяти. В частности, модули памяти Rambus RIMM в несколько раз превосходили своих конкурентов, предлагая пользователем скорость передачи данных в 1600 МБ/с при тактовой частоте в 400 МГц.

Тем не менее, модули памяти типа RIMM, оказались не лишены и нескольких недостатков. Во-первых, модули RIMM были довольно велики по размеру. Кроме того модули RIMM выделяли слишком много тепла и нуждались в средствах охлаждения. Ну и самое главное, память типа RIMM была отнюдь не дешева.

Поэтому на сегодняшний день ОЗУ, основанное на модулях памяти форм-фактора RIMM, можно встретить лишь в некоторых серверах, а не в персональных компьютерах.

Компоновка модулей

Кстати, давайте рассмотрим из чего же состоит (из каких элементов) сам модуль.

Так как практически все модули памяти, состоят из одних и тех же конструктивных элементов, мы для наглядности возьмем стандарт SD-RAM (для настольных компьютеров). На изображении специально приведено разное конструктивное исполнение оных (чтобы Вы знали не только «шаблонное» исполнение модуля, но и весьма «экзотическое»).

Итак, модули стандарта SD-RAM ( 1 ): DDR ( 1.1 ); DDR2 ( 1.2 ).

1. Чипы (микросхемы) памяти
2. SPD ( Serial Presence Detect ) – микросхема энергонезависимой памяти, в которую записаны базовые настройки любого модуля. Во время старта системы BIOS материнской платы считывает информацию, отображенную в SPD , и выставляет соответствующие тайминги и частоту работы ОЗУ ;
3. «Ключ» – специальная прорезь платы, по которой можно определить тип модуля. Механически препятствует неверной установке плашек в слоты, предназначенные для оперативной памяти;
4. SMD -компоненты модулей (резисторы, конденсаторы). Обеспечивают электрическую развязку сигнальных цепей и управление питанием чипов;
5. Cтикеры производителя – указывают стандарт памяти, штатную частоту работы и базовые тайминги;
6. РСВ – печатная плата. На ней распаиваются остальные компоненты модуля. От качества зачастую зависит результат разгона: на разных платах одинаковые чипы могут вести себя по-разному.

Теперь обощая, упрощая.

Тенденция развития

Сейчас в компьютерах используются модули памяти, которые называются DIMM (Dual-In-line-Memory-Module). Благодаря тому, что эти 168-контактные модули имеют разрядность данных 64 бита (а если модуль с четностью, то 72 бита) , их можно устанавливать в компьютер по одному. Память, которая используется в модулях DIMM называется синхронной (SDRAM). Основное преимущество синхронной памяти перед памятью FPM и EDO, которая использовалась ранее, заключается в том, что память SDRAM “умеет” выполнять операции чтения и записи последовательных данных за один такт системной шины. Память EDO или FPM требует для этого 2 или 3 такта.

Лазерные диски

Лазерные дисководы используют оптический принцип чтения информции. На лазерных CD-ROM и DVD-ROM дисках хранится информация, которая была записанана них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна, что отражено во второй части их названий:ROM(read only memory-только чтение). Производятся такие диски путем штамповки и имеют серебристый цвет. Информационная емкость CD-ROM диска может достигать 650 Мбайт, а емкость DVD-ROM до 17 Гбайт