Что такое ОЗУ или RAM в компьютере
Изучая технические характеристики компьютеров, пользователи часто сталкиваются с непонятными аббревиатурами или терминами. Яркий пример, аббревиатуры ОЗУ или RAM. Обычно производители и продавцы компьютеров указывают что-то вроде «ОЗУ – 8 Гб» или «RAM – 8 Гб». При этом данные аббревиатуры никак не расшифровываются и не объясняются, предполагается, что покупатели должны знать, что они означают. Но, это далеко не всегда так. В данной статье мы расскажем о том, что такое ОЗУ или RAM в компьютере и для чего они используются.
Начнем с главного, аббревиатуры ОЗУ и RAM обозначают одно и тоже, а именно оперативную память. ОЗУ расшифровывается как оперативное запоминающее устройство, а RAM как Random Access Memory, что переводится как запоминающее устройство с произвольным доступом и означает тоже самое. Поэтому, если в характеристиках компьютера написано «ОЗУ – 8 Гб» или «RAM – 8 Гб», то это означает что объем оперативной памяти данного компьютера составляет 8 Гб.
Теперь чуть подробней о том, что такое ОЗУ в компьютере и для чего она нужна. ОЗУ или проще говоря оперативная память – это энергозависимая память, в которой хранятся данные и команды, которые обрабатываются процессором. Энергозависимая означает, что она работает только при наличии электропитания. Как только питание пропадает, все данные из оперативной памяти удаляются. Именно поэтому оперативная память не может использоваться для долговременного хранения данных.
За время развития компьютеров появилось не мало различных типов ОЗУ, которые работают на основе разных физических принципов. В современных компьютерах уже достаточно давно используется память типа DDR SD RAM или Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory, что можно перевести как синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных. Сейчас актуальным стандартом является DDR4 – это четвертое поколение оперативной памяти DDR SD RAM и большинство новых компьютеров поставляются именно с DDR4.
Память DDR – это небольшая плата с чипами, которая подключается к специальным слотам на материнской плате компьютера. Обычно такие слоты находятся справа от процессора в количестве двух или четырех штук. На самых продвинутых материнских платах таких слотов может быть шесть или восемь и в этом случае они размещаются по обе стороны от процессора. Модули DDR разных поколений не совместимы друг с другом. Поэтому, установить DDR4 в материнскую плату с поддержкой DDR3 не получится.
На картинке внизу показаны модули оперативной памяти от DDR до DDR4. Как можно заметить, у них есть специальная прорезь (ключ), которая препятствует установке памяти в не подходящую материнскую плату.
Также нужно отметить, что оперативная память для ноутбуков конструктивно отличается от оперативной памяти для настольных компьютеров. Поэтому установить память для ноутбука в настольный компьютер или наоборот также не получится.
RAM и VRAM: в чем между ними разница?
Сборка игрового компьютера вынуждает решать много вопросов, например, сколько RAM поставить и сколько VRAM выбрать. Стоп, а разве это не одно и то же?
Каждый, кто собирал своими руками компьютер под игры, сталкивался с двумя похожими по звучанию терминами – RAM и VRAM. Давайте посмотрим, какое значение имеет каждый из них.
Что такое RAM?
Память с произвольным доступом (она же Random Access Memory, или RAM) – это оперативная память. Она служит для системы чем-то вроде рабочей зоны, где временно находятся активные процессы и запущенное программное обеспечение. Задача оперативной памяти – обеспечить наискорейший доступ к работающим программам, а в играх – прогружать локации и объекты с приемлемой скоростью.
У каждой игры свои требования к объему оперативной памяти. Для Sims 4 и GTA V – это 4 ГБ. Старенькой Worms 3D хватает 0,5 ГБ. Большинство современных игр требуют от 8 ГБ RAM. Это же количество считается критическим минимумом для игрового компьютера в 2021 году.
Большое количество оперативной памяти не повредит. Избыток просто не будет задействоваться.
На готовых системных блоках объем оперативной памяти указан в обязательном порядке. Обычно в них присутствует 2-16 ГБ, хотя в продаже попадаются и игровые машины с 32 и даже 64 ГБ RAM.
Когда нужно много оперативной памяти?
Поскольку оперативная память – это рабочая зона системы, ее дефицит негативно сказывается на производительности ПК. Происходит следующее.
При нехватке RAM система задействует другой тип памяти – виртуальную. Это выделенная часть дискового пространства, которая используется как оперативная память, то есть для временного хранения запущенных процессов. При этом открытые программы, в которые вы некоторое время не заглядывали, при обращении к ним работают значительно медленнее. Будучи незадействованными, они перемещаются в виртуальную память, и системе требуется время, чтобы вернуть их обратно в оперативную, а прежде освободить под них место.
Не стоит думать, что добавив ОЗУ, вы мигом решите все проблемы с производительностью компьютера. Если процессор старый и медленный, много ОЗУ не поможет разогнать его. Большой объем оперативной памяти требуется для того, чтобы держать запущенными много программ и быстро переключаться между ними.
Что такое VRAM?
Видеопамять с произвольным доступом (Video Random Access Memory, VRAM) работает так же, как и оперативная память, но требуется для операций, связанных с отрисовкой графики и вывода изображения на дисплей.
VRAM присутствует во всех аппаратных средствах, передающих изображение на экран. Если в компьютере стоит дискретная видеокарта, временным хранением графических данных занимается VRAM видеокарты. Если дискретной видеокарты нет, графические задачи лежат на встроенном в процессор графическом адаптере, который для своих нужд задействует часть оперативной памяти.
Видеопамять измеряется в ГБ, как и оперативная. Ее объем указывается в характеристиках видеоадаптера.
Когда нужно много VRAM?
Если оперативная память в некоторой степени улучшает быстродействие компьютера, то видеопамять отвечает за скорость вывода информации на дисплей. Поэтому при проблемах с отрисовкой графики рекомендуется увеличивать объем VRAM.
Увеличение VRAM может помочь в тех случаях, когда видеоигры тормозят на высоких настройках, но идут плавно на низких.
Требования к видеопамяти определяются разрешением игры: для игр 1080р требуется 2-6 ГБ VRAM.
Как и оперативная память, VRAM не является единственным фактором, влияющим на производительность ПК. Тип процессора в GPU, его скорость, а также система охлаждения тоже важны.
В чем разница между оперативной памятью и видеопамятью?
Основное различие заключается в предназначении. Если компьютер не в состоянии удерживать в памяти рабочие процессы, это проблема оперативной памяти. Если система не справляется с высокими настройками дисплея и графики, это следствие недостатка VRAM.
Оперативная и видеопамять – это только два компонента игрового компьютера. Иногда проблемы производительности связаны с чем-то иным, например, со скоростью центрального процессора, процессора GPU и пр.
Не стоит рассчитывать, что при добавлении оперативной памяти или VRAM компьютер начнет «летать». Но если вы замечаете, что он перестал справляться с возложенными задачами, увеличение памяти (и той, и другой) скорее всего поможет.
Можно ли заменить оперативную память видеопамятью и наоборот?
Проблему нехватки VRAM нельзя решить за счет оперативной памяти. И наоборот тоже. Дело в том, что у этих видов памяти индивидуальные задачи в системе, и нельзя заставить одну из них выполнять работу другой.
Например, если вы приобрели мощную видеокарту с 8 ГБ VRAM, у вас не получится использовать ее как дополнение к оперативной памяти.
Есть примеры систем, где VRAM используется как обычная оперативная память, например, PlayStation 4, однако обычный ПК на одной только GPU полноценно работать не будет.
Аналогичным образом, не получится играть в 4К на компьютере с 32 ГБ оперативной памяти без GPU. Оперативная память необходима для многозадачности и загрузки программ, но для рендеринга графики она не предназначена.
Впрочем… Выше говорилось, что интегрированные графические процессоры используют для работы часть оперативной памяти. Неужели нельзя поставить в компьютер много RAM и выделить, скажем, 8 ГБ в качестве VRAM?
Нельзя. Причина в следующем. VRAM находится в непосредственной близости от процессора GPU, поэтому перемещение данных из одной области в другую происходит молниеносно. Оперативной памяти требуется гораздо больше времени для этой же операции, поэтому использовать RAM в качестве видеопамяти нецелесообразно. Такой игровой опыт не принесет ничего, кроме разочарования.
Если вы собираете ПК для работы с 3D-графикой или игр, вам понадобится приличный объем оперативной памяти и GPU с высоким объемом видеопамяти. Ни на том, ни на другом экономить нельзя, так как оба вида памяти выполняют индивидуальные задачи.
Такие комплектующие, как процессор, материнскую плату и блок питания тоже следует выбирать тщательно, так как сэкономив на чем-то одном, вы рискуете создать в системе бутылочное горлышко, которое будет тормозить другие компоненты. Следует продумать и систему охлаждения. К счастью, в интернете полно рекомендаций по сборке ПК своими силами, которые подскажут, как обойти все подводные камни. Кое с какими вопросами поможем мы. Листайте ниже.
Что такое оперативная память смартфона (RAM) и сколько нужно Гб
Читайте, что такое оперативная память и сколько ее нужно смартфону, чтобы он справлялся с повседневными задачами. А сколько нужно RAM, чтобы играть в игры на высоких настройках. И нужно ли гнаться за 8 и 12Гб RAM.
Что такое оперативная память (RAM или ОЗУ)
Оперативная память (RAM, ОЗУ – аббревиатуры) – это кратковременное цифровое устройство хранения данных. Смартфоны, как и компьютеры, используют оперативную память в основном для хранения данных, которые используют запущенные приложения. Все потому, что оперативная память очень быстрая. Даже самый быстрый жесткий диск или флэш-накопитель работает медленно по сравнению с ОЗУ.
Сколько RAM бывает в смартфонах
Еще в первые годы появления Android в смартфонах было 512 МБ памяти, а флагманы могли похвастаться даже 1 ГБ. Так началась революция в мире телефонов и смартфонов. Со временем RAM становилось только больше. К 2018 году большинство высокотехнологичных смартфонов имели на борту 3 ГБ оперативной памяти, а в 2018 и 2019 годах 4 ГБ стали фактическим стандартом. Казалось бы, куда еще больше? Но в продаже все больше телефонов с 6 ГБ, 8 ГБ, даже 10 ГБ и 12 ГБ ОЗУ.
Наверняка у вас дома есть ноутбуки под управлением Windows 10 с 4 ГБ оперативной памяти. MacBook имеет 8 ГБ оперативной памяти и может работать с требовательными приложениями, такими как Premiere Pro или Photoshop. Неужели, вы всерьез думаете, что телефону требуется больше оперативной памяти, чем ноутбуку?
Как Android смартфон использует оперативную память
Чтобы понять, достаточно ли смартфону оперативной памяти и сколько ее должно быть, надо разобраться, как она используется.
Когда вы запускаете новое приложение на Android, ядро Linux создает новый процесс. Процесс – это единица исполнения с собственным виртуальным адресным пространством (которое сопоставляется с физической памятью). Ядро Linux управляет ресурсами, необходимыми для этого процесса. Сюда входят: время работы процессора, ввод и вывод данных и физическую память (RAM).
Когда имеется достаточно ресурсов, работа ядра проста. Если процесс требует больше процессорного времени, ядро может легко предоставить ему больше времени на выполнение и больше оперативной памяти.
Однако, когда ресурсы ограничены, все усложняется. Если процессор (CPU) смартфона перегружен, то ядро ждет завершения процесса. И все это время, выделенная оперативная память все еще занята. А если таких процессов много? Они быстро могут скушать всю вашу RAM. И телефон станет ни на что не реагирующим кирпичом.
Linux и Android справляются с этой проблемой двумя способами.
Первый способ, когда Android может выделить часть внутренней памяти (ROM) для файла подкачки. Именно так поступают ОС на компьютерах. При недостатке памяти на диск записываются самые старые и наименее используемые части оперативной памяти. И занимаемая ими RAM становится доступной для других процессов. Если позднее эти данные потребуются, они считываются с диска и записываются обратно в оперативную память.
Второй способ смартфону быть быстрым – “убивать” старые процессы. Обычно это те, что были запущены давно и на данный момент не используются
На самом деле, все телефоны обязательно используют первый и второй способы. Больший объем оперативной памяти позволяет реже использовать “убийство”. Именно поэтому компании-производители увеличивают объем оперативной памяти телефонов буквально каждый год.
Какой вывод можно сделать из этой информации? Производители смартфонов не виновны в постоянном росте оперативной памяти. В конце концов, разработчики мобильных приложений и игр делают их все более тяжелыми и требовательными.
Какой объем RAM используют приложения?
Приложения тоже бывают разные. Есть встроенные (стандартные), без которых работа смартфона не возможна. Например приложение “Телефон”. Есть игры и мультимедийные программы. Браузеры. У всех у них совершенно разные аппетиты.
Стандартные приложения используют от 130 Мб до 400 Мб оперативной памяти. Существуют такие приложения, как YouTube и WhatsApp, а еще казуальные игры, типа Crossy Road и Candy Crush. Также есть “медиа-приложения”, которые загружают большое количество изображений и поэтому используют больше RAM для их отображения. Например, Google Photos и Instagram. Эти приложения используют от 400 Мб до 700 Мб оперативной памяти.
Наконец, появились “огромные” приложения, преимущественно высококлассные 3D-игры. Эти монстры сжирают гигабайты RAM вашего смартфона, как голодный Pac-Man. Например, PUBG Mobile может использовать от 800 МБ до 1152 МБ ОЗУ.
Вы не поверите, но браузер Google Chrome также относится к категории монстров (всего с тремя открытыми вкладками).
Сколько оперативной памяти нужно смартфону?
Объем оперативной памяти, используемой на устройстве, полностью зависит от того, какие приложения у вас запущены. Если вам нравится Instagram и Candy Crush, но не больше, то вы будете использовать чуть больше 1 ГБ оперативной памяти. Если постоянно играете в PUBG и Asphalt 9, вам понадобится 2GB только на игры.
Не забывайте, что еще сама операционная система тоже требует от 500 до 1 ГБ оперативной памяти. Плюс фоновые процессы, которые постоянно висят в памяти. Например, Viber или другой мессенджер. Т.е. не весь объем оперативной памяти вам доступен.
Доступная оперативная память – это объем RAM, свободный для запуска новых приложений без “убийства” предыдущих.
Huawei Mate 8, Google Pixel 3 XL и Samsung Note 8 позволяют вам использовать всего около 50-60% установленной оперативной памяти. Остальную они резервируют на нужды операционной системы и своих фирменных прошивок и приложений.
Смартфоны типа Pixel 3 XL могут хранить в оперативной памяти не менее пяти “стандартных” приложений без удаления. Это означает, что вы можете переключаться между YouTube, WhatsApp, Spotify, Candy Crush и Google Play без проблем.
Если вы запустите больше приложений, Pixel 3 XL начнет более агрессивно использовать файл подкачки, пытаясь освободить память. Это означает, что на самом деле, вы можете запустить около восьми “стандартных” приложений и сохранить их все в памяти и файле подкачки. Переключение на приложение, которое было перенесено из оперативной памяти в подкачку, приведет к небольшой задержке.
Если вы запустите более восьми “стандартных” приложений, одно из предыдущих будет удалено из памяти. И будет запускаться в следующий раз с нуля.
Если приложение выгружается из RAM, это не обязательно плохо. Вы сами не раз с этим сталкивались. Такое приложение будет перезагружаться при включении.
Смартфоны с 6 ГБ оперативной памяти, такие как Samsung Note 8 и 9, отдают пользователю всего около 2,5- 3,5 ГБ RAM. Оба устройства также имеют как минимум файл подкачки в ROM размером 2 Гб. Это означает, что вы можете переключаться между тяжелой игрой (или Chrome), мультимедийным приложением (например, Instagram) и 5 или более стандартными приложениями, и все останется в оперативной памяти. Если вы запустите дополнительные приложения, телефон начнет использовать файл подкачки.
6Гб оперативной памяти в смартфоне – идеальный вариант!
Такой объем RAM означает зону комфорта для пользователя смартфона. Стандартные приложения остаются в памяти в течение длительного периода времени, а многозадачность быстрой. Вы не будете замечать переключения между приложениями и играми.
Телефоны с 6 ГБ оперативной памяти могут переключаться между десятками и более приложений, включая некоторые сверхмощные. И вы даже не заметите перезагрузки некоторых приложений.
Естественно, смартфоны с 8ГБ RAM в плане плавности работы еще лучше. Они могут хранить в памяти, по крайней мере, дюжину приложений без перезагрузки. Даже такие крупные, как PUBG и Google Photo. Переключение между приложениями происходит без проблем.
Зачем нужны смартфоны с 8ГБ и больше RAM?
В отличие от компьютеров, для смартфонов на Android, не делают приложения, которые они не смогут запустить! Даже с 3 ГБ оперативной памяти мы не говорим о том, какие приложения потянет смартфон. Мы всего лишь учитываем, сколько приложений он может одновременно хранить в памяти! Смартфоны с 4ГБ работают хорошо, с 6ГБ отлично, с 8Гб уже, наверно, и слишком. 10 ГБ, 12 ГБ, 16 ГБ – это просто глупость. Это примеры маркетинговых хитростей, которые увеличивает цену и не приносит пользы пользователю или приносит совершенно мало пользы.
Что такое ОЗУ или RAM в телефонах и смартфонах
Изучая технические характеристики телефонов и смартфонов, пользователи часто задаются вопросом, что такое ОЗУ или RAM и на что оно влияет. Если вас также интересуют эти вопросы, то предлагаем вам ознакомиться с данной статьей.
Что такое ОЗУ или RAM
Аббревиатура ОЗУ расшифровывается как Оперативное Запоминающее Устройство и означает оперативную память. Фактически, термин Оперативное Запоминающее Устройство или ОЗУ — это более правильное название для оперативной памяти. Такой термин часто используют в профессиональной литературе для программистов и компьютерщиков.
Что касается аббревиатуры RAM, то она расшифровывается как Random Access Memory и также обозначает оперативную память. Все эти термины означают одно и тоже – оперативную память. Поэтому если в характеристиках телефона или смартфона указано «RAM 2 Gb» или «ОЗУ 2 Гб», то это означает, что объем оперативной памяти данного мобильного устройства составляет 2 Гигабайта.
Также в характеристиках телефонов или смартфонов можно встретить такие аббревиатуры как ПЗУ или ROM (вариант ROM используется редко). ПЗУ – это Постоянное запоминающее устройство, а ROM – это Read-only memory. Этими терминами обозначают постоянную память смартфона (ее еще иногда называют внутренней). Поэтому путать термины ПЗУ и ОЗУ либо RAM и ROM нельзя, они обозначают совершенно разные типы памяти и выполняют разные задачи. ОЗУ и RAM – это оперативная память, а ПЗУ и ROM – это постоянная (внутренняя) память.
Для чего нужна ОЗУ
Оперативная память или ОЗУ – это быстрая энергозависимая память, которая присутствует в любой компьютерной технике. Есть она и в мобильных устройствах, например, в телефонах, смартфонах и умных часах. ОЗУ используется для хранения данных, которые нужны процессору для работы. В частности, в оперативной памяти хранится код запущенных приложений и нужные им данные.
Как уже было сказано, основными особенностями ОЗУ являются высокая скорость работы и зависимость от питания. По факту оперативная память – это самая быстрая память в компьютере, если не считать регистры и кэш, которые находятся непосредственно в самом процессоре. Зависимость от питания означает, что оперативная память может хранить данные только пока присутствует напряжение электропитания. Как только напряжение пропадает, все данные в оперативной памяти обнуляются. Поэтому оперативная память используется только для временного хранения данных, которые нужны компьютеру для работы в данный момент. Для долговременного хранения данных используется постоянная память (ПЗУ, ROM), которая не зависит от питания и продолжает хранить информацию даже после полного выключения.
На что влияет объем ОЗУ
Производители телефонов, смартфонов и другой умной техники часто делают акцент на объеме ОЗУ. В рекламных материалах часто можно увидеть громкие заголовки, сообщающие о том, что устройство оснащено 2, 4, 6 или даже 8 гигабайтами оперативной памяти. Но, при этом производители редко объясняют, что конкретно получит пользователь если выберет устройство с таким объемом ОЗУ.
Большинство пользователей считают, что объем ОЗУ влияет на скорость работы их телефона. Частично так и есть, ведь чем больше объем оперативной памяти, тем реже системе нужно обращаться к постоянной памяти, которая заметно медленней. На практике, это означает, что телефон быстрее реагирует на действия пользователя, быстрее открывает приложения, реже перезагружает вкладки в браузере и т.д.
Но, нужно понимать, что скорость работы телефона также зависит от тактовой частоты процессора, количества вычислительных ядер, тактовой частоты оперативной памяти и программного обеспечения. Поэтому увеличение объема ОЗУ далеко не всегда дает улучшение, которое можно было бы заметить невооруженным взглядом.
Как посмотреть объем ОЗУ
Если вы хотите узнать, какой объем ОЗУ установлен в вашем телефоне или смартфоне, то для этого можно воспользоваться специальными приложениями, предоставляющими информацию об устройстве. Например, можно воспользоваться приложением AIDA64, которое доступно как на Android, так и на iOS.
Если у вас телефон на базе Android, то вам нужно запустить приложение AIDA64 и перейти в раздел «Система».
А в случае iOS нужно запустить приложение AIDA64 и открыть раздел «Memory».
Также вы можете просто ввести название вашего устройства в любую поисковую систему и посмотреть характеристики в интернете.
Анатомия RAM
У каждого компьютера есть ОЗУ, встроенное в процессор или находящееся на отдельной подключенной к системе плате — вычислительные устройства просто не смогли бы работать без оперативной памяти. ОЗУ — потрясающий образец прецизионного проектирования, однако несмотря на тонкость процессов изготовления, память ежегодно производится в огромных объёмах. В ней миллиарды транзисторов, но она потребляет только считанные ватты мощности. Учитывая большую важность памяти, стоит написать толковый анализ её анатомии.
Итак, давайте приготовимся к вскрытию, выкатим носилки и отправимся в анатомический театр. Настало время изучить все подробности каждой ячейки, из которых состоит современная память, и узнать, как она работает.
Зачем же ты, RAM-ео?
Процессорам требуется очень быстро получать доступ к данным и командам, чтобы программы выполнялись мгновенно. Кроме того, им нужно, чтобы при произвольных или неожиданных запросах не очень страдала скорость. Именно поэтому для компьютера так важно ОЗУ (RAM, сокращение от random-access memory — память с произвольным доступом).
Существует два основных типа RAM: статическая и динамическая, или сокращённо SRAM и DRAM.
Мы будем рассматривать только DRAM, потому что SRAM используется только внутри процессоров, таких как CPU или GPU. Так где же находится DRAM в наших компьютерах и как она работает?
Большинству людей знакома RAM, потому что несколько её планок находится рядом с CPU (центральным процессором, ЦП). Эту группу DRAM часто называют системной памятью, но лучше её называть памятью CPU, потому что она является основным накопителем рабочих данных и команд процессора.
Как видно на представленном изображении, DRAM находится на небольших платах, вставляемых в материнскую (системную) плату. Каждую плату обычно называют DIMM или UDIMM, что расшифровывается как dual inline memory module (двухсторонний модуль памяти) (U обозначает unbuffered (без буферизации)). Подробнее мы объясним это позже; пока только скажем, что это самая известная RAM любого компьютера.
Она не обязательно должна быть сверхбыстрой, но современным ПК для работы с большими приложениями и для обработки сотен процессов, выполняемых в фоновом режиме, требуется много памяти.
Ещё одним местом, где можно найти набор чипов памяти, обычно является графическая карта. Ей требуется сверхбыстрая DRAM, потому что при 3D-рендеринге выполняется огромное количество операций чтения и записи данных. Этот тип DRAM предназначен для несколько иного использования по сравнению с типом, применяемым в системной памяти.
Ниже вы видите GPU, окружённый двенадцатью небольшими пластинами — это чипы DRAM. Конкретно этот тип памяти называется GDDR5X, о нём мы поговорим позже.
Графическим картам не нужно столько же памяти, как CPU, но их объём всё равно достигает тысяч мегабайт.
Не каждому устройству в компьютере нужно так много: например, жёстким дискам достаточно небольшого количества RAM, в среднем по 256 МБ; они используются для группировки данных перед записью на диск.
На этих фотографиях мы видим платы HDD (слева) и SSD (справа), на которых отмечены чипы DRAM. Заметили, что чип всего один? 256 МБ сегодня не такой уж большой объём, поэтому вполне достаточно одного куска кремния.
Узнав, что каждый компонент или периферийное устройство, выполняющее обработку, требует RAM, вы сможете найти память во внутренностях любого ПК. На контроллерах SATA и PCI Express установлены небольшие чипы DRAM; у сетевых интерфейсов и звуковых карт они тоже есть, как и у принтеров со сканнерами.
Если память можно встретить везде, она может показаться немного скучной, но стоит вам погрузиться в её внутреннюю работу, то вся скука исчезнет!
Скальпель. Зажим. Электронный микроскоп.
У нас нет всевозможных инструментов, которые инженеры-электронщики используют для изучения своих полупроводниковых творений, поэтому мы не можем просто разобрать чип DRAM и продемонстрировать вам его внутренности. Однако такое оборудование есть у ребят из TechInsights, которые сделали этот снимок поверхности чипа:
Если вы подумали, что это похоже на сельскохозяйственные поля, соединённые тропинками, то вы не так далеки от истины! Только вместо кукурузы или пшеницы поля DRAM в основном состоят из двух электронных компонентов:
Синими и зелёными линиями обозначены соединения, подающие напряжение на МОП-транзистор и конденсатор. Они используются для считывания и записи данных в ячейку, и первой всегда срабатывает вертикальная (разрядная) линия.
Канавочный конденсатор, по сути, используется в качестве сосуда для заполнения электрическим зарядом — его пустое/заполненное состояние даёт нам 1 бит данных: 0 — пустой, 1 — полный. Несмотря на предпринимаемые инженерами усилия, конденсаторы не способны хранить этот заряд вечно и со временем он утекает.
Это означает, что каждую ячейку памяти нужно постоянно обновлять по 15-30 раз в секунду, хотя сам этот процесс довольно быстр: для обновления набора ячеек требуется всего несколько наносекунд. К сожалению, в чипе DRAM множество ячеек, и во время их обновления считывание и запись в них невозможна.
К каждой линии подключено несколько ячеек:
Строго говоря, эта схема неидеальна, потому что для каждого столбца ячеек используется две разрядные линии — если бы мы изобразили всё, то схема бы стала слишком неразборчивой.
Полная строка ячеек памяти называется страницей, а длина её зависит от типа и конфигурации DRAM. Чем длиннее страница, тем больше в ней бит, но и тем большая электрическая мощность нужна для её работы; короткие страницы потребляют меньше мощности, но и содержат меньший объём данных.
Однако нужно учитывать и ещё один важный фактор. При считывании и записи на чип DRAM первым этапом процесса является активация всей страницы. Строка битов (состоящая из нулей и единиц) хранится в буфере строки, который по сути является набором усилителей считывания и защёлок, а не дополнительной памятью. Затем активируется соответствующий столбец для извлечения данных из этого буфера.
Если страница слишком мала, то чтобы успеть за запросами данных, строки нужно активировать чаще; и наоборот — большая страница предоставляет больше данных, поэтому активировать её можно реже. И даже несмотря на то, что длинная строка требует большей мощности и потенциально может быть менее стабильной, лучше стремиться к получению максимально длинных страниц.
Если собрать вместе набор страниц, то мы получим один банк памяти DRAM. Как и в случае страниц, размер и расположение строк и столбцов ячеек играют важную роль в количестве хранимых данных, скорости работы памяти, энергопотреблении и так далее.
Например, схема может состоять из 4 096 строк и 4 096 столбцов, при этом полный объём одного банка будет равен 16 777 216 битам или 2 мегабайтам. Но не у всех чипов DRAM банки имеют квадратную структуру, потому что длинные страницы лучше, чем короткие. Например, схема из 16 384 строк и 1 024 столбцов даст нам те же 2 мегабайта памяти, но каждая страница будет содержать в четыре раза больше памяти, чем в квадратной схеме.
Все страницы в банке соединены с системой адресации строк (то же относится и к столбцам) и они контролируются сигналами управления и адресами для каждой строки/столбца. Чем больше строк и столбцов в банке, тем больше битов должно использоваться в адресе.
Для банка размером 4 096 x 4 096 для каждой системы адресации требуется 12 бит, а для банка 16 384 x 1 024 потребуется 14 бит на адреса строк и 10 бит на адреса столбцов. Стоит заметить, что обе системы имеют суммарный размер 24 бита.
Если бы чип DRAM мог предоставлять доступ к одной странице за раз, то это было бы не особо удобно, поэтому в них упаковано несколько банков ячеек памяти. В зависимости от общего размера, чип может иметь 4, 8 или даже 16 банков — чаще всего используется 8 банков.
Все эти банки имеют общие шины команд, адресов и данных, что упрощает структуру системы памяти. Пока один банк занят работой с одной командой, другие банки могут продолжать выполнение своих операций.
Весь чип, содержащий все банки и шины, упакован в защитную оболочку и припаян к плате. Она содержит электропроводники, подающие питание для работы DRAM и сигналов команд, адресов и данных.
На фотографии выше показан чип DRAM (иногда называемый модулем), изготовленный компанией Samsung. Другими ведущими производителями являются Toshiba, Micron, SK Hynix и Nanya. Samsung — крупнейший производитель, он имеет приблизительно 40% мирового рынка памяти.
Каждый изготовитель DRAM использует собственную систему кодирования характеристик памяти; на фотографии показан чип на 1 гигабит, содержащий 8 банков по 128 мегабита, выстроенных в 16 384 строки и 8 192 столбца.
Выше по рангу
Компании-изготовители памяти берут несколько чипов DRAM и устанавливают их на одну плату, называемую DIMM. Хотя D расшифровывается как dual (двойная), это не значит, что на ней два набора чипов. Под двойным подразумевается количество электрических контактов в нижней части платы; то есть для работы с модулями используются обе стороны платы.
Сами DIMM имеют разный размер и количество чипов:
На фотографии сверху показана стандартная DIMM для настольного ПК, а под ней находится так называемая SO-DIMM (small outline, «DIMM малого профиля»). Маленький модуль предназначен для ПК малого форм-фактора, например, ноутбуков и компактных настольных компьютеров. Из-за малого пространства уменьшается количество используемых чипов, изменяется скорость работы памяти, и так далее.
Существует три основных причины для использования нескольких чипов памяти на DIMM:
То есть каждому DIMM, который устанавливается в компьютер с Ryzen, потребуется восемь модулей DRAM (8 чипов x 8 бит = 64 бита). Можно подумать, что графическая карта 5700 XT будет иметь 32 чипа памяти, но у неё их только 8. Что же это нам даёт?
В чипы памяти, предназначенные для графических карт, устанавливают больше банков, обычно 16 или 32, потому что для 3D-рендеринга необходим одновременный доступ к большому объёму данных.
Один ранг и два ранга
Множество модулей памяти, «заполняющих» шину данных контроллера памяти, называется рангом, и хотя к контроллеру можно подключить больше одного ранга, за раз он может получать данные только от одного ранга (потому что ранги используют одну шину данных). Это не вызывает проблем, потому что пока один ранг занимается ответом на переданную ему команду, другому рангу можно передать новый набор команд.
Платы DIMM могут иметь несколько рангов и это особенно полезно, когда вам нужно огромное количество памяти, но на материнской плате мало разъёмов под RAM.
Так называемые схемы с двумя (dual) или четырьмя (quad) рангами потенциально могут обеспечить большую производительность, чем одноранговые, но увеличение количества рангов быстро повышает нагрузку на электрическую систему. Большинство настольных ПК способно справиться только с одним-двумя рангами на один контроллер. Если системе нужно больше рангов, то лучше использовать DIMM с буферизацией: такие платы имеют дополнительный чип, облегчающий нагрузку на систему благодаря хранению команд и данных в течение нескольких циклов, прежде чем передать их дальше.
Множество модулей памяти Nanya и один буферный чип — классическая серверная RAM
Но не все ранги имеют размер 64 бита — используемые в серверах и рабочих станциях DIMM часто размером 72 бита, то есть на них есть дополнительный модуль DRAM. Этот дополнительный чип не обеспечивает повышение объёма или производительности; он используется для проверки и устранения ошибок (error checking and correcting, ECC).
Вы ведь помните, что всем процессорам для работы нужна память? В случае ECC RAM небольшому устройству, выполняющему работу, предоставлен собственный модуль.
Шина данных в такой памяти всё равно имеют ширину всего 64 бита, но надёжность хранения данных значительно повышается. Использование буферов и ECC только незначительно влияет на общую производительность, зато сильно повышает стоимость.
Жажда скорости
У всех DRAM есть центральный тактовый сигнал ввода-вывода (I/O, input/output) — напряжение, постоянно переключающееся между двумя уровнями; он используется для упорядочивания всего, что выполняется в чипе и шинах памяти.
Если бы мы вернулись назад в 1993 год, то смогли бы приобрести память типа SDRAM (synchronous, синхронная DRAM), которая упорядочивала все процессы с помощью периода переключения тактового сигнала из низкого в высокое состояние. Так как это происходит очень быстро, такая система обеспечивает очень точный способ определения времени выполнения событий. В те времена SDRAM имела тактовые сигналы ввода-вывода, обычно работавшие с частотой от 66 до 133 МГц, и за каждый такт сигнала в DRAM можно было передать одну команду. В свою очередь, чип за тот же промежуток времени мог передать 8 бит данных.
Быстрое развитие SDRAM, ведущей силой которого был Samsung, привело к созданию в 1998 году её нового типа. В нём передача данных синхронизировалась по повышению и падению напряжения тактового сигнала, то есть за каждый такт данные можно было дважды передать в DRAM и обратно.
Как же называлась эта восхитительная новая технология? Double data rate synchronous dynamic random access memory (синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных). Обычно её просто называют DDR-SDRAM или для краткости DDR.
Память DDR быстро стала стандартом (из-за чего первоначальную версию SDRAM переименовали в single data rate SDRAM, SDR-DRAM) и в течение последующих 20 лет оставалась неотъемлемой частью всех компьютерных систем.
Прогресс технологий позволил усовершенствовать эту память, благодаря чему в 2003 году появилась DDR2, в 2007 году — DDR3, а в 2012 году — DDR4. Каждая новая версия обеспечивала повышение производительности благодаря ускорению тактового сигнала ввода-вывода, улучшению систем сигналов и снижению энергопотребления.
DDR2 внесла изменение, которое мы используем и сегодня: генератор тактовых сигналов ввода-вывода превратился в отдельную систему, время работы которой задавалось отдельным набором синхронизирующих сигналов, благодаря чему она стала в два раза быстрее. Это аналогично тому, как CPU используют для упорядочивания работы тактовый сигнал 100 МГц, хотя внутренние синхронизирующие сигналы работают в 30-40 раз быстрее.
DDR3 и DDR4 сделали шаг вперёд, увеличив скорость тактовых сигналов ввода-вывода в четыре раза, но во всех этих типах памяти шина данных для передачи/получения информации по-прежнему использовала только повышение и падение уровня сигнала ввода-вывода (т.е. удвоенную частоту передачи данных).
Сами чипы памяти не работают на огромных скоростях — на самом деле, они шевелятся довольно медленно. Частота передачи данных (измеряемая в миллионах передач в секунду — millions of transfers per second, MT/s) в современных DRAM настолько высока благодаря использованию в каждом чипе нескольких банков; если бы на каждый модуль приходился только один банк, всё работало бы чрезвычайно медленно.
| Тип DRAM | Обычная частота чипа | Тактовый сигнал ввода-вывода | Частота передачи данных |
| SDR | 100 МГц | 100 МГц | 100 MT/s |
| DDR | 100 МГц | 100 МГц | 200 MT/s |
| DDR2 | 200 МГц | 400 МГц | 800 MT/s |
| DDR3 | 200 МГц | 800 МГц | 1600 MT/s |
| DDR4 | 400 МГц | 1600 МГц | 3200 MT/s |
Каждая новая версия DRAM не обладает обратной совместимостью, то есть используемые для каждого типа DIMM имеют разные количества электрических контактов, разъёмы и вырезы, чтобы пользователь не мог вставить память DDR4 в разъём DDR-SDRAM.
Сверху вниз: DDR-SDRAM, DDR2, DDR3, DDR4
DRAM для графических плат изначально называлась SGRAM (synchronous graphics, синхронная графическая RAM). Этот тип RAM тоже подвергался усовершенствованиям, и сегодня его для понятности называют GDDR. Сейчас мы достигли версии 6, а для передачи данных используется система с учетверённой частотой, т.е. за тактовый цикл происходит 4 передачи.
| Тип DRAM | Обычная частота памяти | Тактовый сигнал ввода-вывода | Частота передачи данных |
| GDDR | 250 МГц | 250 МГц | 500 MT/s |
| GDDR2 | 500 МГц | 500 МГц | 1000 MT/s |
| GDDR3 | 800 МГц | 1600 МГц | 3200 MT/s |
| GDDR4 | 1000 МГц | 2000 МГц | 4000 MT/s |
| GDDR5 | 1500 МГц | 3000 МГц | 6000 MT/s |
| GDDR5X | 1250 МГц | 2500 МГц | 10000 MT/s |
| GDDR6 | 1750 МГц | 3500 МГц | 14000 MT/s |
Кроме более высокой частоты передачи, графическая DRAM обеспечивает дополнительные функции для ускорения передачи, например, возможность одновременного открытия двух страниц одного банка, работающие в DDR шины команд и адресов, а также чипы памяти с гораздо большими скоростями тактовых сигналов.
Какой же минус у всех этих продвинутых технологий? Стоимость и тепловыделение.
Один модуль GDDR6 примерно вдвое дороже аналогичного чипа DDR4, к тому же при полной скорости он становится довольно горячим — именно поэтому графическим картам с большим количеством сверхбыстрой RAM требуется активное охлаждение для защиты от перегрева чипов.
Скорость битов
Производительность DRAM обычно измеряется в количестве битов данных, передаваемых за секунду. Ранее в этой статье мы говорили, что используемая в качестве системной памяти DDR4 имеет чипы с 8-битной шириной шины, то есть каждый модуль может передавать до 8 бит за тактовый цикл.
То есть если частота передачи данных равна 3200 MT/s, то пиковый результат равен 3200 x 8 = 25 600 Мбит в секунду или чуть больше 3 ГБ/с. Так как большинство DIMM имеет 8 чипов, потенциально можно получить 25 ГБ/с. Для GDDR6 с 8 модулями этот результат был бы равен 440 ГБ/с!
Обычно это значение называют полосой пропускания (bandwidth) памяти; оно является важным фактором, влияющим на производительность RAM. Однако это теоретическая величина, потому что все операции внутри чипа DRAM не происходят одновременно.
Чтобы разобраться в этом, давайте взглянем на показанное ниже изображение. Это очень упрощённое (и нереалистичное) представление того, что происходит, когда данные запрашиваются из памяти.
На первом этапе активируется страница DRAM, в которой содержатся требуемые данные. Для этого памяти сначала сообщается, какой требуется ранг, затем соответствующий модуль, а затем конкретный банк.
Чипу передаётся местоположение страницы данных (адрес строки), и он отвечает на это передачей целой страницы. На всё это требуется время и, что более важно, время нужно и для полной активации строки, чтобы гарантировать полную блокировку строки битов перед выполнением доступа к ней.
Затем определяется соответствующий столбец и извлекается единственный бит информации. Все типы DRAM передают данные пакетами, упаковывая информацию в единый блок, и пакет в современной памяти почти всегда равен 8 битам. То есть даже если за один тактовый цикл извлекается один бит, эти данные нельзя передать, пока из других банков не будет получено ещё 7 битов.
А если следующий требуемый бит данных находится на другой странице, то перед активацией следующей необходимо закрыть текущую открытую страницу (это процесс называется pre-charging). Всё это, разумеется, требует больше времени.
Все эти различные периоды между временем отправки команды и выполнением требуемого действия называются таймингами памяти или задержками. Чем ниже значение, тем выше общая производительность, ведь мы тратим меньше времени на ожидание завершения операций.
Некоторые из этих задержек имеют знакомые фанатам компьютеров названия:
| Название тайминга | Описание | Обычное значение в DDR4 |
| tRCD | Row-to-Column Delay: количество циклов между активацией строки и возможностью выбора столбца | 17 циклов |
| CL | CAS Latency: количество циклов между адресацией столбца и началом передачи пакет данных | 15 циклов |
| tRAS | Row Cycle Time: наименьшее количество циклов, в течение которого строка должна оставаться активной перед тем, как можно будет выполнить её pre-charging | 35 циклов |
| tRP | Row Precharge time: минимальное количество циклов, необходимое между активациями разных строк | 17 циклов |
Существует ещё много других таймингов и все их нужно тщательно настраивать, чтобы DRAM работала стабильно и не искажала данные, имея при этом оптимальную производительность. Как можно увидеть из таблицы, схема, демонстрирующая циклы в действии, должна быть намного шире!
Хотя при выполнении процессов часто приходится ждать, команды можно помещать в очереди и передавать, даже если память занята чем-то другим. Именно поэтому можно увидеть много модулей RAM там, где нам нужна производительность (системная память CPU и чипы на графических картах), и гораздо меньше модулей там, где они не так важны (в жёстких дисках).
Тайминги памяти можно настраивать — они не заданы жёстко в самой DRAM, потому что все команды поступают из контроллера памяти в процессоре, который использует эту память. Производители тестируют каждый изготавливаемый чип и те из них, которые соответствуют определённым скоростям при заданном наборе таймингов, группируются вместе и устанавливаются в DIMM. Затем тайминги сохраняются в небольшой чип, располагаемый на плате.
Даже памяти нужна память. Красным указано ПЗУ (read-only memory, ROM), в котором содержится информация SPD.
Процесс доступа к этой информации и её использования называется serial presence detect (SPD). Это отраслевой стандарт, позволяющий BIOS материнской платы узнать, на какие тайминги должны быть настроены все процессы.
Многие материнские платы позволяют пользователям изменять эти тайминги самостоятельно или для улучшения производительности, или для повышения стабильности платформы, но многие модули DRAM также поддерживают стандарт Extreme Memory Profile (XMP) компании Intel. Это просто дополнительная информация, хранящаяся в памяти SPD, которая сообщает BIOS: «Я могу работать с вот с такими нестандартными таймингами». Поэтому вместо самостоятельной возни с параметрами пользователь может настроить их одним нажатием мыши.
Спасибо за службу, RAM!
В отличие от других уроков анатомии, этот оказался не таким уж грязным — DIMM сложно разобрать и для изучения модулей нужны специализированные инструменты. Но внутри них таятся потрясающие подробности.
Возьмите в руку планку памяти DDR4-SDRAM на 8 ГБ из любого нового ПК: в ней упаковано почти 70 миллиардов конденсаторов и такое же количество транзисторов. Каждый из них хранит крошечную долю электрического заряда, а доступ к ним можно получить за считанные наносекунды.
Даже при повседневном использовании она может выполнять бесчисленное количество команд, и большинство из плат способны без малейших проблем работать многие годы. И всё это меньше чем за 30 долларов? Это просто завораживает.
DRAM продолжает совершенствоваться — уже скоро появится DDR5, каждый модуль которой обещает достичь уровня полосы пропускания, с трудом достижимый для двух полных DIMM типа DDR4. Сразу после появления она будет очень дорогой, но для серверов и профессиональных рабочих станций такой скачок скорости окажется очень полезным.
