DRAM

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
типы DRAM памяти

DRAM (англ. dynamic random access memory — динамическая память с произвольным доступом) — тип компьютерной памяти, отличающийся использованием полупроводниковых материалов, энергозависимостью и возможностью доступа к данным, хранящимся в произвольных ячейках памяти (см. запоминающее устройство с произвольным доступом). Модули памяти с памятью такого такого типа широко используются в современных компьютерах в качестве оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), также используются в качестве устройств постоянного хранения информации в системах, требовательных к задержкам.

Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале. В каждой ячейке можно хранить информацию размером от 1 до бит. Совокупность ячеек образует условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Как запоминающее устройство (ЗУ) DRAM представляет собой модуль памяти какого-либо конструктивного исполнения, состоящий из печатной платы, на которой расположены микросхемы памяти, и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.

История[править | править вики-текст]

Впервые динамическая память была реализована в дешифровальной машине «Aquarius», использовавшейся во время второй мировой войны в правительственной школе кодов и шифров в Блетчли-парк. Считываемые с бумажной ленты символы «запоминались в динамическом хранилище. … Хранилище представляло собой блок конденсаторов, которые были либо заряжены, либо разряжены. Заряженный конденсатор соответствовал символу „X“ (логической единице), разряженный — символу „.“ (логическому нулю). Поскольку конденсаторы теряли заряд из-за утечки, на них периодически подавался импульс для подзарядки (отсюда термин динамическая[1].

В 1966 году учёный Роберт Деннард из исследовательского центра имени Томаса Уотсона компании IBM изобрёл современную память DRAM. В 1968 году Деннарду был выдан патент США под номером 3387286. Конденсаторы использовались в более ранних конструкциях памяти, таких как барабан компьютера Атанасова — Берри, трубках Уильямса и селектронах.

Принцип действия[править | править вики-текст]

Принцип действия чтения DRAM для простого массива 4×4
Принцип действия записи DRAM для простого массива 4×4

На физическом уровне память DRAM представляет собой набор ячеек, способных хранить информацию. Ячейки состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти[2]. Конденсаторы заряжают при записи в ячейку единичного бита и разряжают при записи в ячейку нулевого бита.

При прекращении подачи электроэнергии конденсаторы разряжаются, и память обнуляется (опустошается). Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов (для сохранения данных) конденсаторы необходимо периодически подзаряжать. Подзарядку выполняют путём подачи на конденсаторы напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Необходимость постоянной зарядки конденсаторов (динамическое поддержание заряда конденсаторов) является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM.

Важным элементом памяти типа DRAM является чувствительный усилитель-компаратор (англ. sense amp), подключённый к каждому из столбцов «прямоугольника». При чтении данных из памяти усилитель-компаратор реагирует на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, и считывает одну строку целиком. Чтение и запись выполняются построчно; обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен.

Регенерация[править | править вики-текст]

В отличие от статической памяти (памяти типа SRAM (англ. static random access memory), конструктивно более сложной, более дорогой, более быстрой и применяемой в основном в кеш-памяти), медленная, но дешёвая динамическая память (DRAM) изготавливается на основе конденсаторов небольшой ёмкости. Такие конденсаторы быстро теряют заряд, поэтому во избежание потерь хранимых данных конденсаторы приходится подзаряжать через определённые промежутки времени. Этот процесс называется регенерацией памяти, осуществляется специальным контроллером, установленным на либо на материнской плате, либо на кристалле центрального процессора. На протяжении времени, называемого шагом регенерации, в DRAM перезаписывается целая строка ячеек, и через 8-64 мс обновляются все строки памяти.

Процесс регенерации памяти в классическом варианте существенно тормозит работу системы, поскольку во время его осуществления обмен данными с памятью невозможен. Регенерация, основанная на обычном переборе строк, в современных типах DRAM не применяется. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса: расширенный, пакетный, распределённый. Наиболее экономичной является скрытая (теневая) регенерация.

Среди новых технологий регенерации — PASR (англ. partial array self refresh), применяемая компанией Samsung в чипах памяти SDRAM, отличающихся низким уровнем энергопотребления. Регенерация ячеек выполняется только в период ожидания в тех банках памяти, в которых имеются данные. Одновременно с этой технологией применяется технология TCSR (англ. temperature compensated self refresh), предназначенная для регулировки скорости процесса регенерации в зависимости от рабочей температуры.

Характеристики DRAM[править | править вики-текст]

Основными характеристиками DRAM являются рабочая частота и тайминги.

Перед обращением к ячейке памяти контроллер памяти передаёт модулю памяти номер банка, номер страницы банка, номер строки страницы и номер столбца страницы; на эти запросы тратится время. До и после выполнения чтения или записи довольно большой промежуток времени уходит на «открытие» и «закрытие» банка. На каждое действие требуется время, называемое таймингом.

Основными таймингами DRAM являются:

Тайминги измеряются в наносекундах или тактах. Чем меньше величина тайминга, тем быстрее будет работать оперативная память.

Типы DRAM[править | править вики-текст]

На протяжении долгого времени разработчики создавали различные типы DRAM с использованием различных технических решений. Основной движущей силой такого развития были стремление увеличить быстродействие и объём оперативной памяти.

PM DRAM[править | править вики-текст]

PM DRAM (англ. page mode DRAM — страничная DRAM) — один из первых типов DRAM. Память такого типа выпускалась в начале 1990-х годов. С ростом производительности процессоров и ресурсоёмкости приложений требовалось увеличивать не только объём памяти, но и скорость её работы.

FPM DRAM[править | править вики-текст]

FPM DRAM (англ. fast page mode DRAM — быстрая страничная DRAM) — тип DRAM, основанный PM DRAM и отличающийся повышенным быстродействием. Память такого типа работала также, как память типа PM DRAM, а увеличение скорости работы достигалось путём повышения нагрузки на аппаратную часть памяти (доступ к данным на той же странице осуществлялся с меньшей задержкой[3]). Память такого типа была популярна в первой половине 1990-х годов, а в 1995 году[4] занимала 80 % рынка компьютерной памяти. Применялась в основном для компьютеров с процессорами Intel 80486 или аналогичных процессоров других фирм. Могла работать на частотах 25 и 33 МГц с временем полного доступа 70 и 60 нс и с временем рабочего цикла 40 и 35 нс соответственно. В 1996-1997 годах была вытеснена памятью EDO DRAM и SDR SDRAM. В 1997 году доля FPM DRAM на рынке упала до 10 %[4][5].

EDO DRAM[править | править вики-текст]

EDO DRAM (англ. extended data out DRAM — DRAM с усовершенствованным выходом) — тип DRAM, созданный для замены FPM DRAM ввиду неэффективности FPM DRAM при работе с процессорами Intel Pentium. Память такого типа появилась на рынке в 1996 году. Использовалась на компьютерах с процессорами Intel Pentium и выше. По производительности на 10-15 % обгоняла FPM DRAM. Работала на частотах 40 и 50 МГц с времем полного доступа — 60 и 50 нс и с времем рабочего цикла — 25 и 20 нс соответственно. Содержала регистр-защёлку (англ. data latch) выходных данных, что обеспечивало некоторую конвейеризацию работы для повышения производительности при чтении.

SDR SDRAM[править | править вики-текст]

SDR SDRAM (англ. single data rate synchronous DRAM — синхронная DRAM одиночной частоты) — тип DRAM, созданный для замены EDO DRAM в связи с понижением стабильности работы EDO DRAM с новыми процессорами и повышением рабочих частот системных шин. Новыми особенностями памяти этого типа стали использование тактового генератора для синхронизации всех сигналов и использование конвейерной обработки информации. Память такого типа надёжно работала на частотах системной шины 100 МГц и выше.

Если для памяти FPM DRAM и EDO DRAM указывалось время чтения данных из первой ячейки в цепочке (время доступа), то для SDRAM указывалось время чтения данных из последующих ячеек. Цепочка — несколько ячеек, расположенных последовательно. На чтение данных из первой ячейки уходило 60-70 нс независимо от типа памяти, а время чтения последующих ячеек зависело от типа памяти. Рабочие частоты SDRAM могли быть равны 66, 100 или 133 МГц, время полного доступа — 40 и 30 нс, а время рабочего цикла — 10 и 7,5 нс.

Совместно с памятью SDRAM применялась технология VCM (англ. virtual channel memory). VCM использует архитектуру виртуального канала, позволяющую более гибко и эффективно передавать данные с использованием каналов регистра на чипе. Данная архитектура интегрирована в SDRAM. Применение VCM повышало скорость передачи данных. Модули памяти SDRAM, поддерживающие и не поддерживающие VCM, были совместимы, что позволяло обновлять системы без значительных затрат и модификаций. Это решение нашло поддержку у некоторых производителей чипсетов.

ESDRAM[править | править вики-текст]

ESDRAM (англ. enhanced SDRAM) — тип DRAM, созданный для решения некоторых проблем с задержкой сигнала, присущих стандартной DRAM. Память такого типа отличалась наличием в чипе небольшого количества SRAM, то есть, наличием кеша. По существу, представляла собой SDRAM с небольшим количеством SRAM. Кеш использовался для хранения и выборки наиболее часто используемых данных, за счёт чего достигалось уменьшение времени доступа к данным медленной DRAM. Память такого типа выпускалась, например, фирмой «Ramtron International Corporation». При малых задержках и пакетной работе могла работать на частотах до 200 МГц.

BEDO DRAM[править | править вики-текст]

BEDO DRAM (англ. burst EDO DRAM — пакетная EDO RAM) — тип DRAM, основаный на EDO DRAM и отличающийся поддержкой технологии поблочного чтения данных (блок данных читался за один такт). Модули памяти такого типа за счёт поблочного чтения работали быстрее SDRAM, стали дешёвой альтернативой SDRAM, но из-за неспособности работать на частотах системной шины, превышающих 66 МГц, не стали популярными.

VRAM[править | править вики-текст]

VRAM (англ. video RAM) — тип DRAM, разработанный на основе SDRAM специально для использования в видеоплатах. Память такого типа благодаря некоторым техническим изменениям по производительности обгоняла SDRAM на 25 %. Позволяла обеспечить непрерывный поток данных в процессе обновления изображения, что было необходимо для реализации возможности показа изображений высокого качества. Стала основой памяти типа WRAM (англ. windows RAM), которую иногда ошибочно связывают с операционными системами семейства Windows.

DDR SDRAM[править | править вики-текст]

DDR SDRAM (англ. double data rate SDRAM, SDRAM или SDRAM II) — тип DRAM, основанный на SDR SDRAM и отличающийся удвоенной скоростью передачи данных (удвоенной пропускной способностью). Память такого типа первоначально применялась в видеоплатах, позднее стала использоваться и на чипсетах.

У предыдущих версий DRAM линии адреса, данных и управления, которые накладывают ограничения на скорость работы устройств, были разделены. Для преодоления этого ограничения в некоторых технологических решениях все сигналы стали передавать по одной шине. Двумя из таких решений стали DRDRAM и SLDRAM (открытый стандарт). Памяти типа SLDRAM, подобно предыдущей[какой?] технологии, использует оба перепада тактового сигнала. Что касается интерфейса, то SLDRAM перенимает протокол, названный SynchLink Interface, и стремится работать на частоте 400 МГц.

Рабочие частоты памяти типа DDR SDRAM — 100, 133, 166 и 200 МГц, время полного доступа — 30 и 22,5 нс, а время рабочего цикла — 5, 3,75, 3 и 2,5 нс.

Так как частота синхронизации лежит в пределах от 100 до 200 МГц, а данные передаются по 2 бита на один синхроимпульс, как по фронту, так и по спаду тактового импульса, то эффективная частота передачи данных лежит в пределах от 200 до 400 МГц. Модули памяти, работающие на таких частотах, обозначают «DDR200», «DDR266», «DDR333», «DDR400».

RDRAM[править | править вики-текст]

RDRAM (англ. Rambus DRAM) — тип DRAM, разработанный компанией Rambus. Память такого типа отличалась высоким быстродействием за счёт ряда особенностей, не встречающихся в памяти других типов. Работала на частотах 400, 600 и 800 МГц с временем полного доступа до 30 нс и временем рабочего цикла до 2,5 нс. Первоначально стоила очень дорого, из-за чего производители мощных компьютеров предпочли менее производительную и более дешёвую DDR SDRAM.

DDR2 SDRAM[править | править вики-текст]

DDR2 SDRAM — тип DRAM, основанный на DDR SDRAM и выпущенный в 2004 году. Память такого типа по сравнению с DDR SDRAM за счёт технических изменений обладала более высоким быстродействием. Предназначалась для использования на современных компьютерах. Работала на тактовых частотах шины 200, 266, 333, 337, 400, 533, 575 и 600 МГц. При этом эффективная частота передачи данных могла составлять 400, 533, 667, 675, 800, 1066, 1150 и 1200 МГц. Некоторые производители модулей памяти помимо модулей, работающих на стандартных частотах, выпускали модули, работающие на нестандартных (промежуточных) частотах; такие модули предназначались для использования в разогнанных системах, где требовался запас по частоте. Время полного доступа — 25, 11,25, 9, 7,5 нс и менее. Время рабочего цикла — от 5 до 1,67 нс.

DDR3 SDRAM[править | править вики-текст]

DDR3 SDRAM — тип DRAM, основанный на DDR2 SDRAM, отличающийся удвоенной частотой передачи данных по шине памяти и пониженным энергопотреблением. Память такого типа обеспечивает большую пропускную способность по сравнению с ранее существовавшими типами памяти. Работает на частотах полосы пропускания в пределах от 800 до 2400 МГц (рекорд частоты — более 3000 МГц).

DDR4 SDRAM[править | править вики-текст]

DDR4 SDRAM (англ. DDR four SDRAM) — тип DRAM, основанный на технологиях предыдущих поколений DDR и отличающийся повышенными частотными характеристиками, пониженным напряжением питания.

Основное отличие DDR4 от предыдущего стандарта (DDR3) заключается в удвоенном до 16 числе банков (в двух группах банков, что позволило увеличить скорость передачи). Пропускная способность памяти DDR4 в перспективе может достигать 25,6 ГБ/c (в случае повышения максимальной эффективной частоты до 3200 МГц). Надёжность работы DDR4 повышена за счёт введения механизма контроля чётности на шинах адреса и команд. Изначально в стандарте DDR4 был определён диапазон частот от 1600 до 2400 МГц с возможностью увеличения до 3200 МГц.

Массовое производство ECC-памяти DDR4 началось со второго квартала 2014 года, а в следующем квартале начались продажи не-ECC модулей DDR4 вместе с процессорами Intel Haswell-E/Haswell-EP, требующими DDR4.

Конструктивные исполнения DRAM[править | править вики-текст]

Различные корпуса DRAM. Сверху вниз: DIP, SIPP, SIMM (30-контактный), SIMM (72-контактный), DIMM (168-контактный), DIMM (184-контактный, DDR)
Модуль SDRAM в 72-контактном корпусе SO-DIMM
Модуль DDR2 в 204-контактном корпусе SO-DIMM

Память типа DRAM конструктивно выполняют и в виде отдельных микросхем (в корпусах типа DIP, SOIC, BGA), и в виде модулей памяти (типов SIPP, SIMM, DIMM, RIMM).

Первоначально микросхемы памяти выпускались в корпусах типа DIP (к примеру, серия К565РУхх), позднее стали выпускаться в корпусах, более технологичных для применения в модулях.

На многих модулях типа SIMM и на большинстве модулей типа DIMM устанавливалась SPD (англ. serial presence detect) — небольшая микросхема памяти EEPROM. На SDP записывались параметры модуля (ёмкость, тип, рабочее напряжение, число банков, время доступа и т. п.). Параметры были доступны для чтения оборудованию, использовались для автонастройки, могли быть прочитаны программно (производителем или пользователем).

SIPP[править | править вики-текст]

SIPP (англ. single in-line pin package) — модули памяти, представляющие собой прямоугольные платы с контактами в виде ряда маленьких штырьков. Этот тип конструктивного исполнения уже практически не используется, так как был вытеснен модулями типа SIMM.

SIMM[править | править вики-текст]

SIMM (англ. single in-line memory module) — модули памяти, представляющие собой длинные прямоугольные платы с рядом контактных площадок вдоль одной из сторон платы. Модули фиксируются в разъёме (сокете) с помощью защёлок путём установки платы под некоторым углом и нажатия на неё до приведения в вертикальное положение. Выпускались модули на 4, 8, 16, 32, 64, 128 Мбайт. Наиболее распространены 30- и 72-контактные модули SIMM.

DIMM[править | править вики-текст]

DIMM (англ. dual in-line memory module) — модули память, представляющие собой длинные прямоугольные платы с рядами контактных площадок вдоль обеих сторон платы. Устанавливаются в разъём подключения вертикально и фиксируются по обоим торцам защёлками. Микросхемы памяти на них могут быть размещены как с одной, так и с обеих сторон платы.

Применение модулей конструктивного исполнения DIMM
Тип памяти Количество контактов
SDRAM 168
DDR SDRAM 184
DDR2, DDR3, FB-DIMM SDRAM 240

SO-DIMM[править | править вики-текст]

SO-DIMM (англ. small outline DIMM) — модули памяти, отличающиеся небольшими размерами и предназначенные для применения в портативных и компактных устройствах (на материнских платах форм-фактора Mini-ITX, в ноутбуках, таблетах и т. п.), в принтерах, в сетевой и телекоммуникационной технике и т. п. Широко применяются конструктивно уменьшенные модули DRAM (как SDRAM, так и DDR SDRAM), представляющие собой аналоги модулей DIMM в компактном исполнении для экономии места. Существуют в 72-, 100-, 144-, 200- и 204-контактном исполнении.

RIMM[править | править вики-текст]

RIMM (англ. rambus in-line memory module) — модули памяти, применяемые парами. Мало распространены. Выпускаются с памятью типа RDRAM, со 168 или 184 контактами. Из-за особенностей конструкции должны устанавливаться на материнские платы только в парах, в противном случае в пустые разъёмы должны устанавливаться специальные модули-заглушки. Также существуют 242-контактные PC1066 RDRAM модули RIMM 4200, не совместимые[6] с 184-контактными разъёмами, и SO-RIMM — уменьшенные модули памяти, аналоги RIMM, предназначенные для применения в портативных устройствах.

Производители микросхем и сборщики модулей[править | править вики-текст]

В пятёрку крупнейших производителей DRAM по итогам четвёртого квартала 2012 года вошли Samsung, SK Hynix, Elpida, Micron. Samsung занимает 42,0 % рынка производства микросхем DRAM[7]. Лидером по объёму производства готовых модулей DIMM DRAM является американская компания Kingston Technology (45.8 % по состоянию на первую половину 2010 года)[8].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Copeland B. Jack, и др. Colossus: The Secrets of Bletchley Park's Codebreaking Computers. — Oxford: Oxford University Press, 2006. — С. 301. — ISBN 0-19-284055-X.
  2. Circuits. Sequential Logic. Dynamic RAM
  3. Upgrading and Repairing PCs page 432, «Fast Page Mode DRAM»
  4. 1 2 Memory 1996. Complete Coverage of DRAM, SRAM, EPROM and Flash Memory ICs // ICE, ISBN 1-877750-49-2: 2. THE DRAM MARKET DRAM Unit Shipments by Architecture, figure 2-10.
  5. 2 The DRAM market. 1997 год. Figure 2-10. DRAM Shipments by Architecture (Percent).
  6. RDRAM Frequently Asked Questions. What is the difference between 184pin, 168pin, 242pin RIMM modules? (англ.). Rambus. Проверено 24 ноября 2008. Архивировано из первоисточника 11 февраля 2012.
  7. TrendForce: Commodity DRAM Price Rises, DRAM Industry Value Increases by 7% in 4Q12 (англ.). DRAMeXchange.com. Архивировано из первоисточника 11 июня 2013.
  8. Kingston Expands Lead in DRAM Module Business (англ.). iSuppli.com. Архивировано из первоисточника 11 июня 2013.

Ссылки[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. БХВ-Петербург. 2005 год. Глава 5.