5.4 Типы оперативной памяти
Различают следующие типы оперативной памяти:
DRAM
Буква "D" в наименовании этой памяти говорит о том, что она динамическая. На очень старых материнских платах (для CPU 8088 и 80286) микросхемы DRAM устанавливаются отдельными DIP-микросхемами (в виде жука), однако позже были разработаны SIP- и SIMM-модули, получившие более широкую популярность, в виде отдельных плат с уже установленной на них памятью. Со временем SIMM-модули также вытеснили SIP-модули, так как ножки SIP-модулей при их установке и извлечении часто обламывались. DRAM давно.
FPM DRAM
Микросхемы DRAM, реализующие страничный режим, называют FPM (Fast Page Mode) DRAM. FPM DRAM получила широкое распространение во времена расцвета 486-х процессоров, так как время доступа по сравнению с обычной DRAM сокращается на 50%.
EDO DRAM
В компьютерах с процессором Pentium применяется память типа EDO DRAM (память с расширенным выводом данных). За счет наличия дополнительных регистров для хранения данных увеличивается пропускная способность памяти. Это происходит потому, что в этих дополнительных регистрах информация может удерживаться даже в течение следующего запроса к микросхеме, поэтому следующий цикл обращения CPU к ОЗУ может начинаться до того, как закончится предыдущий. Модули EDO RAM работают на 10-15% быстрее, чем FPM DRAM. Особенно заметно преимущество EDO в пакетном режиме.
BEDO RAM
Микросхемы BEDO DRAM (Burst EDO) являются разновидностью памяти EDO DRAM. Здесь выборка четырех операндов, требуемых для передачи, происходит автоматически. Как следствие, BEDO DRAM работает быстрее EDO.
CDRAM, EDRAM, ESDRAM
Со времен CPU 80486 наметилось отставание производительности памяти от производительности центральных процессоров. Одним из способов повышения быстродействия памяти является интегрирование определенного количества ячеек SRAM в обычную DRAM. Например, на одном кристалле могут находиться 4 Mb обычной оперативной памяти и 16 Kb SRAM. Эту технологию можно рассматривать как кэш, встроенный в память.
SDRAM
Синхронная оперативная память (Synchronous DRAM) - первая технология оперативной памяти, разработанная для синхронизации работы памяти с тактами работы центрального процессора с внешней шиной данных. Синхронная работа SDRAM, в отличие от стандартной и асинхронной DRAM, имеет таймер ввода данных, таким образом системный таймер, который пошагово контролирует деятельность центрального процессора, может также управлять работой памяти. Иначе говоря, контроллер памяти знает точный цикл таймера, на котором запрошенные данные будут обработаны. В результате это освобождает процессор от необходимости находится в состоянии ожидания между моментами доступа к памяти.
Ячейки памяти внутри чипа SDRAM разделяются на два независимых банка ячеек. Поскольку оба банка могут быть задействованы одновременно, непрерывный поток данных может обеспечиваться простым переключением между банками. SDRAM также может работать в пакетном режиме. Пакетный режим ускорения - это техника быстрой передачи данных, при которой автоматически генерируется блок данных (серия последовательных адресов) в каждый момент, когда процессор запрашивает один адрес исходя из предположения о том, что адрес следующих данных, которые будут запрошенных процессором, будет следующим по отношению к предыдущему запрошенному адресу (аналогичное предсказание используется в алгоритме работы процессорной кэш-памяти). Пакетный режим может применятся как при операциях чтения, так и при операциях записи в память.
Комбинация указанных выше трех характеристик позволяет получить быстрый и эффективный процесс передачи данных (SDRAM почти в четыре раза быстрее стандартной DRAM). В свое время эта память широко использовалась в видеокартах, но сегодня она не обеспечивает достаточного быстродействия видеосистемы.
SDRAM работает на стандартных частотах, равных 66, 100 или 133 MHz. Эти частоты определяются в спецификациях PC66, РС100 и РС133. Память, соответствующая стандарту РС133, предназначена для использования с верхними моделями Pentium, использующими 133-мегагерцовую шину. В системах на Pentium II и Celeron обычно устанавливается SDRAM типа PC100 (рисунок 16).
Рисунок 16 - DIMM-модуль SDRAM (PC100)
Максимальная емкость модулей SDRAM, доступных в широкой продаже, составляет 256 Mb. Необходимо иметь в виду, что DIMM должен иметь не более 24 чипов. Дело в том, что модули, содержащие большое количество микросхем (обычно 32), часто оказываются неработоспособными с рядом материнских плат. Время доступа обычно таково: 10 ns для SDRAM PC100 и 8 ns для PC133.
Основное отличие SDRAM от остальных видов памяти заключается в том, что все операции в микросхемах памяти синхронизированы с тактовой частотой CPU (память и процессор работают синхронно). Это достигается путем использования внутренней трехступенчатой конвейерной архитектурой микросхемы и чередованием адресов. Технология SDRAM позволяет сократить время, затрачиваемое на выполнение команд и передачу данных, за счет исключения циклов ожидания. Существуют модули SDRAM, предназначенные для работы на частотах 66, 100 и 133 MHz (DIMM-модули, имеют 168 контактов, в то время как память типа EDO/BEDO/FPM DRAM существует в виде 72-контактных SIMM-модулей). Соответственно память может соответствовать спецификациям РС66, РС100 или РС133. С момента появления Pentium III с внешней частотой 133 мегагерца SDRAM типа PC100 постепенно отошла на второй план. До 2000-го года для высокопроизводительных компьютеров была стандартной связка Pentium III/133 MHz - PC133 SDRAM, но, в 2001-м появились процессоры Pentium IV и AMD Athlon c частотами выше 1 GHz, которые списали.
RDRAM
Технология Rambus.
На данный момент существует только один способ повышения пропускной способности любой компьютерной подсистемы - это увеличение частоты коммутации шины или ее ширины (разрядности). Совместное увеличение этих параметров проблематично и имеет скорое насыщение, поскольку влияние электромагнитной интерференции и эмиссий в этом случае быстро возрастает. Это обстоятельство вынуждает разработчиков идти на компромисс. В противовес технологии SDRAM, где используется 64-битная магистраль и частоты до 133 MHz, современная технология Rambus - узкую шину и большую частоту, значительно повышающую эффективность использования памяти, максимально освобождая протокол от временных задержек.
Существует три разновидности RDRAM: Base, Concurrent и Direct RDRAM.
Base RDRAM и Concurrent RDRAM в основном отличаются рабочими частотами: для первой номинальная частота составляет 250-300 MHz, а для второй - 300-350 MHz. Данные передаются по двум фронтам сигнала (два пакета данных за такт), так что результирующая частота передачи получается в два раза больше. Память использует восьмибитную шину данных, что дает пропускную способность в 500-600 Mb/s для BRDRAM и 600-700 Mb/s для CRDRAM.
Direct RDRAM (DRDRAM), в отличие от предыдущих имеет 16-битную шину и функционирует на частоте 400 MHz. Пропускная способность составляет 1.6 Gb/s (с учетом двунаправленной передачи данных). Под эту память Intel создала первый чипсет для Pentium IV - i850 - и активно продвигает ее на рынок вместе с процессором (у которого внешняя частота равна 400 MHz) и самим чипсетом.
Технология Direct Rambus представляет собой высокоскоростную замкнутую систему, которая имеет свою адаптированную логику управления. DRDRAM позволяет достичь больших скоростей передачи данных - до 1.6 Gb/s на один канал и до 6.4 Gb/s при четырех каналах. Вся подсистема состоит из следующих компонентов: основной контроллер (RMC - Rambus Memory Controller), канал (RC - Rambus Channel), разъем для модулей (RRC - Rambus RIMM Connector), модуль памяти (RIMM - Rambus In-line Memory Module), генератор дифференциальных импульсов (DRCG - Direct Rambus Clock Generator), микросхемы памяти (RDRAM - Rambus DRAM).
Рисунок 17 - Технология Direct Rambus
Физические, электрические и логические принципы и согласования, применяемые в системе, жестко определены компанией Rambus и должны строго выполняться всеми производителями для соблюдения абсолютной совместимости ее частей, так как данная память работает на очень большой частоте
Основной особенностью данной технологии является распределение пропускной способности по линиям данных (PBW - Pin Band Width), измеряемой в мегабайтах в секунду на вывод (MBps/P). Этому параметру отводится особая роль, поскольку он характеризует степень загрузки канала ввода-вывода и эффективность его использования. Один канал Direct RDRAM может использовать всего 72 сигнальных вывода. Традиционной 128-битной архитектуре памяти, которая сможет обеспечить полосу пропускания, эквивалентную одному каналу RDRAM, требуется около 240 выводов. Уменьшая количество сигнальных выводов, снижается не только себестоимость конечного продукта, но и время на разработку и проектирование, увеличивается пространство для маршрутизации сигнальных трасс, уменьшается число металлических соединений, перекос активных уровней сигнала, а кроме этого - активная площадь кристалла и размер корпуса самой микросхемы. Если же рассматривать конкретно параметр PBW применительно к архитектурам, то DRDRAM (100 MBps/P) почти в три раза превосходит DDR SDRAM (33.25 MBps/P), функционирующую на частоте 133 MHz, и в восемь раз 100 MHz SDRAM.
Рисунок 18 - Коннектор RRC
Коннектор (RRC) и модуль памяти (RIMM) имеют свои особенности. Габаритные размеры модуля 133.5х31.75х1.37 mm делают его похожим на модуль DIMM, однако они имеют разные монтажные схемы механических ключей. Коннектор, согласно спецификации, изготавливается из черного термопластика, отвечающего требованиям UL 94V-0 и маркируется лазером "RIMM Connector" с указанием на теле позиций A/B (стороны) и ключа начала отсчета выводов. Модуль RIMM проходит сертификацию по UL 94V-0 и маркируется лазером "RIMM Module". Модули RIMM имеют двухсторонний сигнальный интерфейс, четко определяемый требованиями к данному типу памяти. Печатная плата, на которой монтируются микросхемы, помещается в специальный корпус, защищающий от влияния механических воздействий и сторонних ЭМИ.
Рисунок 19 - Модуль памяти RIMM
Согласно спецификации, на материнской плате не должно оставаться пустых разъемов памяти, они должны заполняться заглушками (CRIMM, Continuity RIMM).
Рисунок 20 - Заглушка CRIMM (Continuity RIMM)
Модули RIMM и CRIMM имеют позолоченные контакты, рассчитаны на 24-разовую установку/извлечение, после этого надлежащее состояние контактов не гарантируется.
Существенным недостатком RDRAM является большое время доступа (латентность) - порядка 50 ns, в то время как у SDRAM этот параметр не превышает 10 ns. В результате этого в приложениях, ведущих с памятью интенсивный обмен данными пакетами малого размера (текстовые редакторы, программы просмотра документов и большинство офисных программ), RDRAM показывает производительность уступающую SDRAM. Главным сдерживающим фактором является большая цена на модули, в несколько раз превышающая цену на память SDRAM. Но на приложениях активно работающих с 3D-моделированием и иными ресурсоемкими вычислениями, где используется громадные массивы данных и требуется высокая пропускная способность, RDRAM показывает себя с лучшей стороны.
DDR SDRAM
Технология памяти DDR.
Микросхемы памяти в процессе развития аппаратных средств компьютера не могли угнаться за появлявшимися более быстрыми процессорами. Вначале пытались как-то компенсировать разгоном существующих и оправдавших себя технологий, но возможности такого способа быстро иссякают - уже 166-мегарецевая SDRAM получается слишком дорогой из-за сложности создания соответствующих чипов. На рынке к 2000-му году не оказалось памяти, которая смогла бы обеспечить требуемую производительность.
Но технологии, в который раз пытающиеся залатать SDRAM путем добавления кэша SRAM, вроде ESDRAM, или же путем оптимизации ее работы, вроде VCM SDRAM, не могли уже ничем помочь, во многом опять-таки из-за большой стоимости. На выручку пришла популярная в последнее время в компонентах компьютера технология передачи данных одновременно по двум фронтам сигнала, когда за один такт передаются сразу два пакета данных. В случае с используемой 64-битной шиной это дает 16-байт за такт. Или, в случае с 133 мегагерцами, уже не 1064, а 2128 Mb/s. Чипы DDR SDRAM первыми использовали производители видеокарт. Так что производители видеокарт гораздо раньше воспользовались новой технологией DDR SDRAM (а также DDR).
DDR (Double Data Rate) SDRAM по многим параметрам и способу изготовления мало чем отличается от обычной SDRAM: та же синхронизация шины памяти с системной шиной, энергопотребление, только площадь чипа больше на несколько процентов.
В отличие от спецификаций на SDRAM, в название которых входила тактовая частота шины памяти, маркетинговые отделы компаний, разрабатывавших DDR SDRAM, в рекламных целях избрали ту систему названий, которая позволила получить максимальную цифру - выбрали пиковую пропускную способность в мегабайтах и получили PC1600 для 100 MHz и PC2100 для 133 MHz DDR SDRAM (аналогичное для Direct Rambus DRAM, где цифры в названии означают результирующую частоту, то есть реальную частоту, помноженную на 2). Так как DDR SDRAM основывается на обычной SDRAM, то она имеет сопоставимые латентные характеристики, и поэтому зачастую работает быстрее своего конкурента в лице RDRAM.
Образцы DIMM-модулей с DDR SDRAM появились в конце 2000-го года.
Рисунок 21 - DIMM-модуль DDR SDRAM
Увеличение пропускной способности памяти вдвое сопровождается изменением форм-фактора модулей. При сохранении тех же размеров модуля число контактов увеличилось со 168 до 184. Изменившееся положение ключа не позволит вставить модули DIMM DDR SDRAM в разъемы DIMM, предназначенные для обычной SDRAM-памяти.
Стандарт модулей DIMM DDR SDRAM предполагает использование чипов на скорости до 200 MHz с результирующей частотой 400 МГц и пропускной способностью 3.2 Gb/s - как у двухканальной Direct Rambus DRAM. С момента, когда DDR SDRAM исчерпает свои возможности, должна появится
Лидерство в разработке DDR SDRAM принадлежит корпорации Samsung. Память типа DDR SDRAM может передавать и принимать данные по восходящему и нисходящему уровню сигнала шины, в отличие от обычной памяти типа SDRAM, которая передает данные только по восходящему уровню сигнала (за один такт передается два пакета данных. Большим достоинством DDR SDRAM является ее низкая по сравнению с RDRAM цена.
DDR-II.
Скорость DDR-II чипов, начнется со 100 MHz, но за счет того, что будет передаваться 4 пакета данных за такт, их пропускная способность составить 3.2 Gb/s. Учитывая такой принцип работы (передачу 32 байтов за такт) рост производительности DDR-II чипов при росте тактовой частоты будет максимальным - в 4 раза: 150 MHz дадут 4.8 Gb/s, а 200 MHz - 6.4 Gb/s. Модули на этих чипах будут иметь собственный форм-фактор (230 контактов), и требовать новых чипсетов.