Что такое чип оперативной памяти
Что такое чип памяти и как программировать микросхемы
Главная страница » Что такое чип памяти и как программировать микросхемы
Микросхемы разного назначения применяются в составе электроники современной техники. Огромное многообразие такого рода компонентов дополняют микросхемы памяти. Этот вид радиодеталей (среди электронщиков и в народе) зачастую называют просто – чипы. Основное назначение чипов памяти – хранение определённой информации с возможностью внесения (записи), изменения (перезаписи) или полного удаления (стирания) программными средствами. Всеобщий интерес к чипам памяти понятен. Мастерам, знающим как программировать микросхемы памяти, открываются широкие просторы в области ремонта и настройки современных электронных устройств.
О чипах – микросхемах хранения информации
Микросхема памяти — это электронный компонент, внутренняя структура которого способна сохранять (запоминать) внесённые программы, какие-либо данные или одновременно то и другое. По сути, загруженные в чип сведения представляют собой серию команд, состоящих из набора вычислительных единиц микропроцессора.
Следует отметить: чипы памяти всегда являются неотъемлемым дополнением микропроцессоров – управляющих микросхем. В свою очередь микропроцессор является основой электроники любой современной техники.
Набор электронных компонентов на плате современного электронного устройства. Где-то среди этой массы радиодеталей приютился компонент, способный запоминать информацию
Таким образом, микропроцессор управляет работой электронной техники, а чип памяти хранит сведения, необходимые микропроцессору. Программы или данные хранятся в чипе памяти как ряд чисел — нулей и единиц (биты). Один бит может быть представлен логическими нулем (0) либо единицей (1).
В единичном виде обработка битов видится сложной. Поэтому биты объединяются в группы. Шестнадцать бит составляют группу «слов», восемь бит составляют байт — «часть слова», четыре бита — «кусочек слова».
Программным термином для чипов, что используется чаще других, является байт. Это набор из восьми бит, который может принимать от 2 до 8 числовых вариаций, что в общей сложности даёт 256 различных значений.
Для представления байта используется шестнадцатеричная система счисления, где предусматривается использование 16 значений из двух групп:
Поэтому в комбинациях двух знаков шестнадцатеричной системы также укладываются 256 значений (от 00h до FFh). Конечный символ «h» указывает на принадлежность к шестнадцатеричным числам.
Организация микросхем (чипов) памяти
Для 8-битных чипов памяти (наиболее распространенный тип) биты объединяются в байты (8 бит) и сохраняются под определённым «адресом». По назначенному адресу открывается доступ к байтам. Вывод восьми битов адреса доступа осуществляется через восемь портов данных.
Организация структуры запоминающего устройства. На первый взгляд сложный и непонятный алгоритм. Но при желании разобраться, понимание приходит быстро
Например, 8-мегабитный чип серии 27c801 имеет в общей сложности 1048576 байт (8388608 бит). Каждый байт имеет свой собственный адрес, пронумерованный от 00000h до FFFFFh (десятичное значение 0 — 1048575).
Помимо 8-битных чипов памяти, существуют также 16-битные чипы памяти. Есть микросхемы последовательного доступа, характеризуемые как 1-битные и 4-битные чипы памяти. Правда, последние из отмеченных микросхем теперь уже практически не встречаются.
Микросхемы памяти EPROM (серия 27… 27C …)
Термином «EPROM» зашифрована аббревиатурой техническая характеристика микросхем — стираемая программируемая память только читаемая (Erasable Programmable Read Only Memory). Что это значит в деталях?
Одна из модификаций запоминающих устройств, особенность исполнения которой заключается в наличии специального окна. Благодаря этому окну, ультрафиолетом стирается информация
Несмотря на расшифровку куска аббревиатуры – «только для чтения» (Read Only Memory), информация доступна для стирания и перезаписи, но только с помощью программатора. Часть аббревиатуры — «Erasable», сообщает о возможности стирания данных.
Структура чипов серии 27… 27C… поддерживает стирание информации методом воздействия на ячейки хранения интенсивным ультрафиолетовым излучением (длина волны 254 нм). Обозначение аббревиатуры «программируемый» (Programmable) указывает на возможность программирования, когда любая цифровая информация может быть заложена в чип.
Для программирования чипов требуется программатор. К примеру, 27 серия успешно прошивается устройствами «Batronix Eprommer» или «Galep-4».
Программатор микросхем Batronix — эффективный и продуктивный инструмент программирования запоминающих устройств. Поддерживает работу с широким набором чипов, включая 27 серию
Тип памяти серии 27… 27C… сохраняет записанные программатором данные до следующего программирования с функцией стирания или без таковой. Допускается многократное программирование без стирания, при условии изменения битов только от состояния единицы до состояния нуля или имеющих состояние нуль.
Если же требуется запрограммировать чип памяти с изменением бита от состояния нуля до состояния единицы, прежде необходимо применить функцию стирания. Такая функция предусмотрена в конструкциях микросхем.
Конфигурация исполнения серии 27…, 27C..
Микросхемы 27 серии выпускаются с окном из кварцевого стекла для засветки ультрафиолетом или без окна. Конфигурация чипа без окна не поддерживает функцию ультрафиолетового стирания. Такой тип микросхем (без окна) относят к чипам EPROM, которые программируются за один раз. Маркируются чипы как OTP (One Time Programmable) — одноразовое программирование.
Запоминающее программируемое устройство из группы однократно программируемых EPROM (One Time Programmable). В настоящее время редко применяемые
На устройствах с окном после стирания ультрафиолетом и последующего программирования, кварцевое окно закрывают наклейкой. Так защищают данные от возможного повреждения светом.
Солнечные лучи содержат ультрафиолет, а это значит – свет солнца способен стирать информацию, записанную в микросхеме. Правда, чтобы полностью стереть данные солнечным светом, потребуется несколько сотен часов прямого воздействия солнечных лучей.
Также следует отметить особенности EPROM серии 27C… Символ «С» в данном случае указывает на принадлежность чипа к семейству CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) — комплементарный метал-оксидный полупроводник.
Этот вид микросхем памяти отличается сниженной производительностью по отношению к семейству NMOS (N-channel Metal Oxide Semiconductor) — N-канальный метал-оксидный полупроводник.
Кроме того, серия 27C требует меньшего напряжения питания (12,5В). Между тем обе конфигурации исполнения совместимы. Поэтому, к примеру, микросхема 2764 вполне заменима на чип 27C64.
Микросхемы памяти EEPROM серии 28C…
Здесь первое отличие заметно в аббревиатуре типа памяти – EEPROM, что означает электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory).
Построение этой серии практически идентично 27 чипам. Однако 28 серия позволяет стирать отдельные байты или всё пространство памяти электрическим способом, без применения ультрафиолета.
Серия запоминающих устройств, поддерживающая электрический метод стирания информации. Этот вид входит уже в состав группы EEPROM — электрически стираемых постоянных запоминающих устройств
Поскольку отдельные байты можно стереть, не удаляя всю хранимую информацию, эти отдельные байты могут быть перезаписаны. Однако процесс записи EEPROM занимает больше времени, чем программирование EPROM. Разница до нескольких миллисекунд на байт.
Чтобы компенсировать этот недостаток, чипы подобные AT28C256, оснащаются функцией блочного программирования. При таком подходе к программированию, одновременно (блоком) загружаются 64, 128 или 256 байт. Блочный способ сокращает время программирования.
Чипы памяти FLASH EEPROM серии 28F …, 29C …, 29F …
Эти чипы можно стирать электрически — полностью или блоками, а некоторые (подобные AT28C …) могут программироваться блоками.
Между тем Flash-память не всегда применимо использовать в качестве замены обычного чипа. Причины, как правило, заключаются в разной конфигурации корпусного исполнения.
Устройства записи и хранения данных, поддерживающие технологию программирования Flash-memory. Отличаются исполнением корпуса с большим числом контактов (32). Входят в группу EPROM
Простой пример, когда Flash-память доступна только в корпусах на 32 контакта или более. Поэтому, допустим, чип 28F256 на 32 вывода не совместим с чипом 27C256, имеющим 28 контактных выводов. При этом микросхемы имеют одинаковый объём памяти и другие параметры, подходящие для замены.
Чипы EEPROM с последовательным доступом (24C …, 25C …, 93C …)
Микросхемы памяти с последовательным интерфейсом отличаются тем, что вывод данных и наименование имен в них происходят частями (последовательно).
Последовательный процесс позволяет получить доступ только к одному биту за раз, и доступный адрес также передаётся по битам. Но последовательное программирование имеет явное преимущество в плане конфигурации корпусов.
Всего восемь контактных ножек достаточно запоминающему устройству серии 24C и подобным для полноценной работы на запись и хранение данных
Это преимущество успешно используется. Практически все EEPROM последовательного доступа изготавливаются в виде 8-контактных малогабаритных микросхем. Такое исполнение корпуса видится более практичным, удобным.
Запоминающие устройства ОЗУ серии 52 …, 62 …, 48Z …, DS12 …, XS22 …
Аббревиатура ОЗУ (RAM) расшифровывается как «память произвольного доступа» (Random Access Memory). Также микросхемы серии 52 …, 62 … и подобные часто характеризуются «оперативными запоминающими устройствами».
Их отличительные черты – скоростная запись без необходимости предварительного стирания. Здесь видится некоторое преимущество относительно других изделий. Но есть и недостаток – чипы ОЗУ отмеченной и других серий утрачивают все записанные и сохранённые данные при отключении питания.
Однако имеется альтернатива – память NVRAM (Non Volatile Random Access Memory) – энергонезависимая память серий 48, DS, XS и подобная, с произвольным доступом. Этот вид чипов выделяется среди основных преимуществ микросхем RAM высокой скоростью перезаписи и простым программированием. Потеря питания не оказывает влияние на сохранённую информацию.
Устройства записи и хранения информации, которые не боятся отключения питания. Их структура предусматривает эффективную защиту данных
Как же способом достигается энергетическая независимость NVRAM? Оказывается, производителями используются две методики:
Для первого варианта: при отключении питания происходит автоматический переход на внутренний источник энергии. По словам производителей чипов с АКБ, энергии встроенного уникального аккумулятора вполне достаточно на 10 лет работы.
Для второго варианта: технология предусматривает копирование данных пространства памяти NVRAM на встроенное пространство EEPROM. Если утрачивается питание, копия информации остаётся нетронутой и после восстановления энергии, автоматически копируется на NVRAM.
Маркировка и взаимозаменяемость компонентов
Выведенная на корпусе маркировка чипа памяти традиционно содержит:
Также на корпусах нередко отмечаются сведения о производителе. Независимо от производителя, многие микросхемы памяти совместимы.
Маркировка — структура записи на корпусе программируемого устройства, раскрывающая основные сведения, по которым можно подобрать аналог на замену при необходимости
Также микросхемы памяти должны иметь одинаковый размер (объём) и равноценное или меньшее время доступа. Желательно выбирать корпус, подходящий по температурному диапазону. Следует отметить: размер памяти задается в битах, не в байтах. За цифрой объёма обычно следует обозначение версии (например, «F»).
Далее, через дефис, отмечается максимально разрешенная скорость доступа в наносекундах — время задержки между циклами ввода адреса и вывода данных на порты чипа памяти. Время задержки обозначается двумя цифрами (например, «70» соответствует 70 нс, а вот «10» соответствует 100 нс). Наконец, завершают маркировку изделия тип корпуса и допустимый диапазон температур.
Пример расшифровки маркировки микросхемы памяти M27C1001-10F1:
Из практики программирования запоминающих устройств
На видео ниже демонстрируется пример из практики инженера-электронщика, касающийся программирования специальных чипов, наделённых функционалом электрической «памяти»:
При помощи информации: Batronix
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Что нужно знать при выборе оперативной памяти для компьютера
Оперативная память (ОЗУ) является одним из важнейших компонентов компьютера, который напрямую влияет на эффективность его работы. В данной публикации мы рассмотрим, какая бывает оперативная память и на какие основные характеристики ОЗУ стоит обратить внимание при выборе. А также рассмотрим, какие бывают типы оперативной памяти, что такое частота, и на что влияют тайминги, но обо всем по порядку ниже.
Основные параметры ОЗУ
Форм-фактор
На сегодняшний день существует два основных форм-фактора ОЗУ. Первый имеет маркировку DIMM – это более габаритная память в основном применяется в стационарных ПК. Второй стандарт называется SO-DIMM – это более компактная память, обычно она применяется в ноутбуках, в редких случаях в моделях ПК в компактном корпусе.
Стандарты оперативной памяти
На сегодняшний день в данном разделе следует упомянуть о двух последних стандартах. Это более старая память стандарта DDR 3 и, соответственно, более новый стандарт DDR 4. Конечно, если вы выбираете память на уже существующую платформу, то нужно исходить из поддерживаемых стандартов материнской платы. Но если вы находитесь на этапе выбора ПК, то конечно следует отдать предпочтение памяти DDR4, она обладает более высокими скоростными характеристиками, а также является более энергоэффективной, к примеру, по сравнению с DDR 3 она эффективнее на 20-30 процентов. Кстати, благодаря новым технологиям на одной планке DDR 4 могут разместиться чипы с общим объемом памяти до 128 ГБ (конечно в бытовом использовании таких планок не встретить). Что касается стандарта DDR 3, он в основном сейчас используется для увеличения производительного потенциала устаревающих ПК. DDR3 и DDR4 отличаются между собой размещением контактов.
Объем памяти и ОС
Ранее на компьютерах устанавливалась 32-разрядные операционные системы, которые неспособны распознать и использовать более 4 Гб оперативной памяти в независимости, сколько физически мы установим памяти в ПК. В современных 64-разрядных операционных системах есть возможность установить в разы больше памяти, к примеру, Windows 10 имеет поддержку до 512 Гб ОЗУ, что на практике в бытовых задачах еще не используется, и дает нам огромный своего рода потенциальный запас.
Объем памяти и материнская плата
Также не маловажным моментом при желании приобрести максимальный объем памяти для вашего ПК, является возможность совместимости с вашей материнской платой. Эти данные можно найти на самой материнской плате или в ее спецификации. Если спецификация утеряна ее электронный вариант можно найти в интернете. Еще одним способом узнать все характеристики вашего ПК и материнской платы в частности являются использование специальных утилитов, к примеру программы AIDA64.
Частота
Частота ОЗУ условно отображает, сколько происходит операций по пересылке данных за одну секунду. Соответственно чем выше частота, тем лучше. К примеру, максимальная частота на ОЗУ DDR 3 составляла 1866 MHz (в крайне редких отдельных случаях достигала 2133 MHz). А вот рабочая частота памяти DDR 4 составляет 2133–3200 MHz. Также при выборе следует помнить и учитывать какую частоту поддерживает ваш процессор и материнская плата. Если приобрести более скоростную память и установить на материнскую плату с поддержкой более низкой частоты, память не сможет реализовать свой потенциал, и автоматически будет работать с более низкой частотой. Поэтому при выборе обязательно обращайте внимание на этот момент, чтобы не переплатить деньги в пустую.
Пропускная способность
Пропускания способность ОЗУ, по сути, является комплексной характеристикой, которая рассчитывается как произведение объема данных, передаваемых за один такт, на частоту системной шины. Для наглядности ниже я добавил небольшую таблицу. К примеру, возьмем чип из таблицы DDR4-3200, он соответствует модулю PC4-25600. Таким образом, получается, что пропускная способность данной ОЗУ равна 25600. Чем выше пропускная способность, тем лучше.
Тайминги
В процессе работы ОЗУ, системе приходится выполнять своего рода подготовку к последующему обмену данными, как раз количество циклов для завершения этого процесса и характеризует показатель таймингов. Процесс подготовки данных делится на четыре этапа, задержка на каждом из которых и отображается в характеристиках таймингов. Углубляться в этих этапах я не буду, да и особого смысла в этом нет. Главное здесь нужно понимать, чем меньше тайминги, тем быстрее будет работать память. Стоит также добавить, что если вы приобретаете дополнительную планку памяти в ваш ПК, желательно подобрать аналогичные тайминги и частоту. Для примера, ниже на фото изображена планка ОЗУ с таймингами 9-9-9-24. Однако при выборе помните, что это далеко не самая главная характеристика и, на мой взгляд, не стоит сильно заострять на ней внимание.
Режимы подключения ОЗУ
Подключить ОЗУ к материнской плате можно одноканальным и многоканальным способами. Соответственно, чем больше каналов подключения, тем выше скорость работы ОЗУ, память как бы реализует весь свой потенциал. На данный момент в основном все используют двухканальный тип подключения. Для реализации этого режима нужно заведомо приобрести две одинаковые по характеристикам планки памяти, желательно от одного производителя, и подключить их в разные по цвету слоты. Если посмотреть на фото ниже, то первый слот будет осуществлять двухканальный режим с третьим, а второй слот соответственно с четвертым.
Охлаждение
Здесь мнения немного разделяются, некоторые считают, что чипы памяти рассчитаны на высокие температуры и если планки памяти изначально не комплектуются системами охлаждения, то они не требуются. Я считаю, что лишним охлаждение никогда не будет, и желательно сразу приобрести память со специальными алюминиевыми радиаторами для отвода лишнего тепла. При желании такие радиаторы можно приобрести отдельно. Также следует добавить, что радиаторы охлаждения могут быть оснащены декоративным освещением.
Какой объем памяти обычно используется в ПК
Сейчас еще можно встретить компьютеры с объемом оперативной памяти от 2 ГБ, но современные модели уже оснащены планками с общим объемом на 16 или 32 Гб.
Вывод
Подводя итог, скажу, что главное при выборе ОЗУ определится с задачами, которые вы будете выполнять на вашем компьютере. Исходя из этого, подбираем объем памяти, обращая внимание на частоту, пропускную способность и тайминги. Также нужно не забывать о совместимости вашей материнской палаты и ОЗУ. Ну, а на этом все, спасибо, что дочитали публикацию до конца. Больше интересных публикаций вы сможете найти в моем блоге на сайте.
Краткая история RAM
Без оперативной памяти представить компьютер сложно. Да и не нужно. Без этого компонента обойтись нельзя. Все манипуляции с данными производятся в RAM, после чего передаются на накопитель или отправляются в иное устройство. Или наоборот, какая-то инфа извне поступает в компьютер (а именно в RAM), обрабатывается, и передается еще куда-то.
Даже краткое рассмотрение истории развития RAM – тема отдельного материала. И весьма обширного. Остановлюсь на используемом ныне типе оперативной памяти – DDR.
Аббревиатура расшифровывается как удвоенная скорость передачи данных (Double Data Rate). В отличие от предыдущей SDR данные передавались по обоим фронтам тактирующего сигнала. Это позволило вдвое повысить пропускную способность по сравнению с SDR, у которой использовался только фронт тактового сигнала.
Первый коммерческий чип был выпущен в 1998 году компанией Samsung. Спецификацию такой памяти организация JEDEC опубликовала в июне 2000 года, а спустя пару месяцев появилась первая материнская плата с поддержкой DDR. Память работала на частотах от 100 МГц до 200 МГц. Эффективная частота, учитывая использование фронта и спада тактового импульса, составляла от 200 до 400 МГц. Количество контактов разъема равнялось 184. Напряжение питания – 2.5 В.
В 2004 году свет увидело новое поколение, DDR2. За счет улучшений рабочие частоты лежали в диапазоне 200-600 МГц (эффективные – 300-1 200 МГц). Изменился разъем, у которого стало 240 контактов. Напряжение питания снизилось до 1.8 В.
Следующее поколение, DDR3, появившееся в 2007 году, вновь удвоило частоту работы (рабочая от 400 МГц до 1 200 МГц, эффективная – 800-2 400 МГц). Количество контактов не изменилось, но сам разъем несовместим с DDR2. Напряжение снижено до 1.5 В. Позже выпущена модификация с пониженным напряжением питания, равным 1.35 В. Такие модули помечались как DDR3L.
В 2014 году вышло актуальное на сегодняшний день поколение DDR4. Привычно удвоились частоты (800-1 600 МГц рабочая частота и 1 600-3 200 МГц эффективная), изменился разъем, в котором стало 288 контактов. Напряжение питания – 1.2 В.
В конце 2021 или в начале следующего года должна быть представлена память DDR5. Опять удвоится пропускная способность, уменьшится напряжение на 100 мВ, запланированы другие изменения.
Все поколения памяти несовместимы, т. е. установить DIMM одного поколения в разъем для памяти другого поколения физически невозможно.
Указанные разъемы, количество контактов справедливо для десктопного форм-фактора DIMM, но параллельно выпускались и компактные модули для ноутбуков.
Форм-фактор RAM
Если не учитывать чипы памяти, которые по тем или иным причинам распаяны на материнских платах (например, в некоторых ноутбуках), установлены на платах видеокарт, накопителей или иных устройств, то форм-факторов модулей RAM два:
Первый используется в десктопных ПК, в серверах. Второй предназначен для ноутбуков, компактных материнских плат (например, Asus PRO H410T/CSM), неттопов (Gigabyte GB-BR) и прочих специализированных устройств.
Хотя размер плат модулей памяти фактически не изменялся у разных поколений, они несовместимы, т. е. установить, например, планrу DDR4 в слот DDR3 невозможно. Почему? Во-первых, физически, различается количество контактов, расположение «ключа» разъема. Во-вторых… Впрочем, достаточно и первого.
Причем, не только между поколениями существуют различия. DDR3 также делится на два типа, «просто» DDR3 и DDR3L. У первой напряжение питания 1.5 В, у второй – 1.35 В, и ставить вместо одной другую не стоит.
Чипы DRAM устанавливаются и в некоторые другие устройства, например, SSD среднего и высокого класса. А видеокарты без них вообще обойтись не могут. Объем памяти в 8, 12, 16, а то и больше гигабайт – обычное дело. Отличия только в типе памяти, в основном это GDDR6(X), и в том, что изменить объем видеопамяти нельзя в силу того, что микросхемы DRAM распаяны на платах.
Посему, о форм-факторе можно говорить только применительно к материнским платам, какие бы они ни были – серверные, для настольных ПК, ноутбучные или для встраиваемых устройств.
Устройство RAM
В основе современной DRAM лежит ячейка, выполненная по схеме 1T1C, т. е. один транзистор (Transistor) и один конденсатор (Capacitor). Схема такой ячейки приведена на иллюстрации ниже.
Если на обкладках конденсатора есть заряд, то при обращении к транзистору ячейки напряжение на нем говорит нам, что в ячейке хранится логическая «1». Если же конденсатор разряжен, то напряжение будет равным нулю и, соответственно, ячейка содержит «0».
Ячейки объединены в большие двумерные массивы, или матрицы, а доступ к каждой конкретной ячейке осуществляется при помощи двух шин – строки и столбца.
Выбранная строка ячеек называется страницей, а n-е количество страниц объединены в банки памяти. Каждая страница подключена к системе адресации строк и столбцов. Чип может содержать несколько таких банков – 4, 8 или более.
При чтении на линии выбора столбцов (битовая линия) подается половинное напряжение питания. Предположим, что оно равно 1.2 В, значит, на шинах выбора столбцов будет 0.6 В. Питание подается на короткое время, после чего линия отключается от общего провода («земли»). Каждая линия обладает определенной емкостью, т. е. фактически представляет собой конденсатор. Напряжение на линиях строк при этом равно нулю, управляющие транзисторы ячеек закрыты.
В действительности, у каждого столбца есть не одна, а пара линий шины строк, которые называются «+» и «-», или четные и нечетные. Между этими парами линий перекрестно установлены инверторы, выполняющие роль усилителей. На обеих линиях устанавливается одинаковое напряжение, т. е. те самые 0.6 В.
Теперь контроллер памяти выдает адрес строки и на нужную строку подается высокое напряжение. Транзисторы открываются и происходит считывание из всех ячеек этой строки в блоке памяти. Физически это означает, что транзисторы каждой ячейки строки открываются, и через них начинает идти ток. Если конденсатор ячейки хранил заряд (логическая «1») то ток течет из конденсатора в одну из двух битовых линий. Если конденсатор был разряжен («логический «0»), то в обратную сторону.
И все бы хорошо, но не обходится без проблем. Сама по себе ячейка, представляющая собой пару транзистор-конденсатор, разового действия и короткоживущая. Не в физическом смысле, а в плане хранения данных. Объясню, что это значит.
Процесс считывания информации из ячейки является деструктивным, т. е. разряжает конденсатор, а это приводит к искажению информации (считали значение – разрядили конденсатор, одноразовое действие). Поэтому, если не принять срочных мер, после считывания информации из ячейки там окажется логический «0», даже если до этого была единица. А ведь мы просто читали из ячейки и ничего менять не собирались.
Такой «срочной мерой» является обновление информации в ячейке, т. е. фактически происходит перезапись ее. Занимается этим сам чип RAM под управлением контроллера. Как это происходит?
В зависимости от того, на какой битовой линии увеличивалось напряжение, происходит подзарядка конденсатора ячейки, в которой хранилась «1», или наоборот, разрядка его, чтобы считывался «0». Выбранная ячейка подключается к шине данных и значение передается контроллеру памяти.
Проблемам видимо скучно приходить в одиночку, и помимо разряда конденсатора при чтении есть еще одна неприятность – конденсатор разряжается как сам по себе (саморазряд), так и за счет утечки в транзисторе между стоком и подложкой.
Чтобы компенсировать это, требуется регенерация памяти. Выполняется она регулярно через определенный интервал времени, например, каждые 64 мс или чаще. Во время регенерации обслуживаемые строки памяти недоступны, т. е. никакие операции чтения/записи производить нельзя.
Выполняться эта операция может по-разному. В некоторых системах все строки банков памяти обновляются одновременно. Может использоваться и метод последовательной регенерации строк.
Думаю, достаточно про устройства DRAM, ибо эта тема весьма обширная, и в механизмы работы ячеек, страниц и проч. можно погружаться долго. Важно то, что оперативная память – это не просто полка, куда что-то положили, и оно там лежит, пока не понадобится. В смысле, оно там конечно лежит, но не скучает, а в тайне от нас участвует во множестве процессов, чтобы мы нашли положенное в том же месте целым и невредимым.
Обратимся к характеристикам материнской платы. Для примера возьмем MSI MAG B550 TOMAHAWK. В разделе, посвященном памяти, в частности, видим такие строчки:
И вот о ранге (или ранке, обзывайте как нравится) чуть подробнее. Процессор имеет 64-битную шину данных каждого канала контроллера. Речь про «гражданские» CPU для десктопов. В то же время каждый чип DRAM 8-битный. Чтобы использовать все возможности процессорного контроллера памяти, каждый модуль RAM имеет как минимум 8 чипов DRAM.
Кстати, узнать размер шины можно в командной строке OC Windows:
wmic memorychip get DataWidth,TotalWidth
Должны отобразиться значения «64, 64», т. е. ширина шины в битах. Если же будет указано значение 72, то значит используется память с ECC, но об этом ниже. 
Учитывая, что технологически оперативная память масштабируется плохо, и новые техпроцессы практически никак не помогают в решении этой задачи, использование нескольких чипов позволяет увеличить объем каждого модуля.
Распараллеливание работы также позволяет повысить скорость обмена, т. к. в каждую единицу времени имеется доступ только к одному банку данных. Наличие второго, работающего в этот момент в фоновом режиме, дает возможность параллельно готовить к доступу следующий банк.
Одноранговая память – это, по сути, один набор чипов DRAM, к которым осуществляется доступ контроллером памяти. Двухранговая – два независимых набора, каждый из которых также может адресоваться контроллером. Доступ к каждому набору осуществляется отдельно, их нельзя использовать одновременно.
Как обычно, обратимся к конкретным примерам. Возьмем пару модулей: Kingston KVR29N21S8/16 это одноранговый DIMM, а KVR26N19D8/16, на котором чипы распаяны с обеих сторон печатной платы, двухранговый. При одинаковой емкости в 16 ГБ.
Есть ли какой-либо профит от двухранговой памяти? Да, кроме возможности получить более емкий DIMM, скажем, в 32 ГБ или больше, есть разница в производительности по сравнению с одноранговыми. Все же параллельность, все дела…
Однако на многое рассчитывать не стоит. В теории, двухранговые модули действительно могут предоставить больше производительности, но реальность не совсем такова. Прирост чаще всего есть, но от наличия второго набора чипов скорость работы отнюдь не удваивается. Мало того, и 50-процентного увеличения нет. В лучшем случае получите плюс несколько процентов, ну максимум десяток.
Как правило, с разгоном у двухранговых модулей также не все так хорошо, как у одноранговых. Хотя тут могут быть варианты, модулей памяти большое количество, а комбинаций их с материнскими платами, позволяющими «гнать» компоненты, вообще не сосчитать.
Думаю, все же не ошибусь, если скажу, что для рекордов оверклокинга надо искать одноранговые модули. А если разгон вам малоинтересен, а вот объем более актуален, то принципиальной разницы нет, сколько там этих рангов. Может даже двухранговые будут работать чуточку быстрее.
Следует сказать немного про расположение чипов на модуле DIMM. Не следует путать «двухранговый» модуль и «двухсторонний» модуль. Выглядеть они могут одинаково (чипы на обеих сторонах платы), но двухсторонний совсем не обязательно должен быть двухранговым.
Может быть и наоборот. Например, Kingston KF436C18BB/16 – 16-гигабайтный одноранговый модуль, чипы которого распаяны с обеих сторон платы. А, скажем, Samsung M378A2G43MX3-CTD – двухранговый с односторонним расположением микросхем памяти.
Ориентироваться по количеству и расположению чипов, чтобы определить ранговость памяти, не совсем верно. Лучше все же обращаться к спецификациям или хотя бы к маркировке модулей, которую обычно наносят на каждый DIMM.
Скажем, Samsung и Crucial обычно указывают это на модулях, хотя и не всегда. Другие бренды этим не заморачиваются, показывают только емкость, частоту и основные задержки. В любом случае, точные данные предоставят спецификации модуля RAM на сайте производителя, или обзоры, форумы в интернете.
Задержки (тайминги)
Чаще всего в характеристиках на модули памяти указываются 3-4 значения в строке «тайминги», они же задержки, они же латентность, т. е. время, необходимое на выполнение тех или иных операций. Далее мы разберем их чуть подробнее. В реальности разных задержек много, но четыре считаются основными и наиболее важными при выборе RAM, особенно параметр CAS.
Чтобы разбираться конкретно, возьмем конкретный же модуль памяти, например, Crucial Value DDR4 CT8G4DFS8213. Это 8-гигабайтная планка RAM с тактовой частотой 2 133 МГц. Давайте обратимся к ее характеристикам, в частности, к строчке «тайминги», где указано: «17-17-17». Что это за цифры, что означают? Вот с этим и предстоит разобраться.
CAS(CL)
CAS расшифровывается как Column Address Strobe, в спецификациях обычно обозначается «CL». Это задержка между моментом, когда контроллер выдал памяти запрос адреса столбца блока, содержащего данные, и началом поступления первого бита информации. При этом нужная строка блока уже выбрана, и тем самым мы имеем все данные для чтения нужной ячейки памяти.
CAS показывает, сколько тактов длится эта задержка. Тут просится вывод, что чем меньше это значение, тем лучше. Отчасти да, но не совсем.
Прибегнем к аналогии. Есть два (не полтора, а именно два) землекопа. Один может выкопать необходимую ямку за 17 взмахов лопатой, второму понадобится 22 таких же телодвижения. Внимание, вопрос: кто из работников лучше?
Я бы не торопился с ответом, т. к. мы пока еще не получили весь необходимый объем исходных данных. В частности, сколько времени тратит каждый из работников на выполнение задачи. Первый делает свое дело не спеша и с перекурами. Второй работает быстрее и курит меньше.
Теперь есть все основания предполагать, что второй справится с работой быстрее, хотя и затрачивает на нее больше движений. Значит, как исполнитель он выгоднее. Вопросы оплаты труда, условий работы и проч. не учитываем, мы же про аналогии говорим.
Получается, что реальная задержка зависит как минимум от двух параметров – количества тактов и частоты работы. Это приводит нас выводу, что для вычисления реальной задержки нам надо посчитать затрачиваемое на нее время.
Сделаем это. Формула проста, делим 1 на значение реальной частоты (для 2 133 МГц это 1 066) и умножаем на значение CAS, результат будет в наносекундах:
(1/1 066) * 17 = 15.9 нс
Таким образом, на CAS со значением 17 для модуля с частотой 2 133 МГц необходимо чуть меньше 16 нс.
Если возьмем такой же модуль памяти, но с частотой 3 200 МГц (Crucial CT8G4DFRA32A), то CAS у него будет уже равняться 22. Опять посчитаем время задержки:
(1/1 600) * 22 = 13.8 нс
Вот и получается, что второй «землекоп» хоть и будет больше махать лопатой, но выполнит работу немного быстрее.
Если еще учесть, что у более высокочастотного модуля RAM и пропускная способность больше (у выбранных в качестве примеров модулей CT8G4DFS8213 и CT8G4DFRA32A это 17 000 МБ/с и 25 600 МБ/с соответственно), то производительность второго модуля выше, как и стоимость. Главное, чтобы система смогла использовать все возможности установленной RAM.
Расшифровывается как Row Address to Column Address Delay. Это минимальное количество тактов между моментом активации строки банка данных (выдача сигнала на выбор строки RAS) и доступом к столбцу (начало чтения и, соответственно, задержки CAS).
Помните цитату из фильма:
Вот и в данном случае речь именно про «подожди ты». Это количество циклов, в течение которых выбранная строка должна находиться в активном состоянии до того момента, как будет запущена процедура регенерации. Причем это минимальное значение, т. е. если задержка CAS – это фиксированное значение, то tRAS – изменяемая величина.
По сути, это ожидание окончания цикла выборки данных, чтобы начать обновление ячеек. Величину этой задержки можно принять равной tRCD+CL+время на обработку команд и некоторые иные служебные нужды.
Расшифровывается Row Precharge, т. е. минимальное время от получения команды на выполнение зарядки (precharge) банка памяти и получением следующей команды на активацию строки tRCD.
B-die, C-die, E…
Интересующиеся темой (про гуру в разгоне я не говорю) наверняка не раз встречали упоминание чипов DRAM Samsung B-die. А у Micron, например, E-die… Это степпинги памяти, которые могут существенно повлиять на скорость работы и разгонные возможности того или иного DIMM.
У меня нет цели углубляться в вопрос оверклокинга RAM. Да и не получится, ибо тема эта неисчерпаема, что подтверждают многостраничные, порой, на сотни и сотни страниц ветки в тематических форумах.
Важно знать, что каждый производитель чипов DRAM (не производитель модулей памяти, а именно чипов) выпускает несколько версий своих микросхем. Отражается это в маркировке степпинга. Так, у Самсунга это A-die, B-die, C-die и прочие. Примерно так же маркируются чипы Micron.
Легендарными среди «гонщиков» являются в первую очередь B-die от Samsung. На изображении выше показана структура микросхемы DDR4 B-die емкостью 8 Гб K4A8G085WD-BCTD производства Samsung. Модули с ними потенциально наиболее гонибельные. Потенциально, потому что нельзя обеспечить абсолютно одинаковые характеристики чипов в разных партиях.
Вполне может попасться модуль, который разгонится, но не дотянет до частот, которые дались знакомому на таком же модуле и на схожей системе. Просто не очень повезло с конкретными чипами. Даже в наборе из двух модулей на B-die оба будут хороши, но один все же окажется чуть хорошее.
В 2019 году планировалось прекращение производства чипов B-die, но произошло ли это в реальности тогда, или произошло позже, или она производится до сих пор – утверждать не стану. В любом случае, если повезло стать обладателем модулей на этих чипах, то хорошая скорость работы, невысокие задержки и разгонный потенциал входят в стоимость.
У других брендов оверклокерскими считаются: E-die у Micron, Hynix C-die CJR. В каких модулях находятся какие чипы из спецификаций не узнать. Ориентироваться надо на обзоры, отзывы владельцев и данные, выдаваемые различными утилитами. Например, подробную информацию о модулях памяти выдает утилита Thaiphoon Burner.
ECC-память
Как обычно, рассмотрим на примере. Скажем, возьмем модуль памяти Kingston KSM ValueRAM DDR4 KSM29ES8/8HD емкостью 8 ГБ.
Что в нем отличается от рассмотренных выше? Девять, а не восемь чипов. Хотя мы предполагаем, что восемь микросхем по 8 бит и емкостью по 8 Гб каждая дают нам итоговые 8 гигабайт. Зачем нам еще одна микросхема?
Чтобы защититься от спонтанных ошибок, существует специальный вид памяти, с защитой от ошибок. Используется технология контроля четности, а сама память в своей маркировке имеет аббревиатуру ECC (Error-Correcting Code memory, память с коррекцией ошибок). Именно для исправления ошибок и требуется дополнительный чип. Как правило, каждые 8 чипов RAM доукомплектовываются еще одним.
Не буду углубляться в принципы работы ECC, ибо это находится за рамками разговора. Важно то, что использование такой RAM действительно позволяет обезопасить себя от возможных ошибок и повышает надежность системы.
Правда, использование таких модулей в обычных компьютерах или ноутбуках особого смысла не имеет. Материнские платы для таких ПК обычно не поддерживают эти модули, и устанавливать их не следует. Работать не будет. К тому же ECC RAM стоит немного больше, а производительность немного ниже из-за расходов на обеспечение этой самой коррекции ошибок.
Регистровая память
RDIMM (Registered Memory), она же buffered memory. Этот тип RAM используется в серверах. Свое название получила от наличия специальной микросхемы, буфера на каждом DIMM. И вновь обратимся к примеру.
Этот самый чип содержит регистры-буферы данных, передающихся от контроллера памяти модулям и обратно. Эта микросхема позволяет также снизить электрическую нагрузку на контроллер памяти и тем самым подключить больше DIMM к каждому его каналу. Соответственно, можно получить больший объем ОЗУ в системе.
Такой вид RAM не предназначен для разгона, у него обычно более высокие задержки, но высокая стабильность работы, система коррекции ошибок и более высокий потолок максимального объема памяти. Также он стоит дороже, и для поддержки необходимы серверные материнские платы и процессоры. Для домашнего/офисного ПК или ноутбука RDIMM не применяется.
Не следует путать ECC-RAM и регистровую RAM. Это не одно и то же. Модуль памяти может быть ECC, но не являться регистровым, а вот регистровый DIMM всегда еще и ЕСС.
Дальнейшим развитием буферной памяти является FB-DIMM (Fully Buffered DIMM – полностью буферизованная DIMM). По сути, это та же RDIMM, но буферизуются данные и адресные команды.
Используется микросхема Advanced Memory Buffer (AMB), располагающаяся между контроллером памяти и чипами DRAM. Используется последовательная шина между контроллером и AMB. Благодаря этой дополнительной микросхеме контроллер теперь непосредственно не общается с чипами памяти, а делегирует эти функции посреднику, AMB.
Введение дополнительного узла между контроллером памяти и чипами RAM увеличивает задержки, но компенсирует это коррекцией ошибок, стабильной работой, возможностью использовать большой объем памяти.
Версия печатной платы DIMM
Давайте посмотрим на следующую иллюстрацию.
На ней изображены печатные платы, используемые для изготовления модулей DIMM. Несложно увидеть, что они различаются. Эти различия принято называть ревизией (версией) печатной платы.
Ревизия «A0» создавалась для модулей с частотой 2 133 МГц. Сейчас она используется преимущественно для бюджетных DIMM с далеко не рекордными частотами работы. Это худший дизайн платы для высокочастотных DIMM. Для рабочих частот порядка 4 600 МГц он вообще неприменим. К тому же разгон модулей на «A0» до значения в 4 000 МГц и выше весьма проблематичен.
Ревизия A1. Этот дизайн частенько используется OEM производителями как универсальный, позволяющий изготавливать как «обычную» память, так и с поддержкой ECC. Оверклокерские возможности повыше, чем у плат ревизии «A0».
Ревизия «A2» является, по сути, референсным дизайном платы для модулей памяти DDR4 с частотой 2 666 МГц. Правда, никто не запрещает использовать подобную разводку платы для модулей с любой частотой, даже для самых младших с рабочей частотой 2 133 МГц. Это лучший вариант для работы RAM на высоких частотах и для разгона.
От ревизий «A0» и «A1» отличается в первую очередь расположением чипов DRAM. Они распаяны группами по 4 ближе к краям модуля, а также ближе к контактам разъема, тем самым оставляют среднюю часть платы свободной. Это улучшает электрические характеристики прохождения сигналов, снижает помехи, и в конечном счете улучшает производительность.
У ревизии «A2» оказался и еще один приятный бонус. В наш век засилья светодиодов везде, где их только можно разместить, 2-я ревизия платы с ее свободной средней частью и расположением чипов ближе к нижнему края модуля оставляет много места для организации подсветки.
Надо сказать, что представленные выше на иллюстрации дизайны печатных плат совсем не догма, и никто не запрещает внести в них свои изменения. В конце концов, для размещения светодиодов это делать приходится в любом случае.
В частности, в серии модулей Corsair Dominator с подсветкой печатная плата «A2» больше по размеру, в верхней части размещены светодиоды, а между ними и чипами памяти находятся изолирующие проводники.
Насколько я знаю, компания GEIL в своих моделях DDR4 с подсветкой использует только «A2» печатные платы. А, например, модуль памяти Crucial MTA8ATF1G64AZ существует как на платах ревизии «A1», так и «A2».
Память памяти (ROM у RAM)
В процессе загрузки компьютера при прохождении процедуры Power-On Self-Test (POST) система узнает, какие модули памяти установлены и какие у них параметры. Кто им это сообщает?
Давайте присмотримся к модулю Crucial Value DDR4 CT8G4DFS8213. Примерно в середине платы, аккурат над вырезом разъема примостилась небольшая микросхема. Разберемся, для чего она нужна.
Небольшой чип – это SPD (Serial Presence Detect), который хранит информацию о параметрах модуля памяти. Производители тестируют каждую микросхему, проверяя, на какой частоте и с какими таймингами можно получить стабильную работу. Затем чипы со сходными характеристиками собираются вместе и устанавливаются на DIMM модуль.
Частоты работы, тайминги, данные о производителе и некоторая другая информация – все хранится в этой маленькой микросхеме, и все это считывается в процессе запуска компьютера до загрузки операционной системы. Эта информация позволяет точно настроить режим обмена с RAM.
В определенной мере данную микросхему можно сравнить с BIOS материнской платы, правда, с большими ограничениями по объему информации и узкой направленностью для обслуживания исключительно данного DIMM.
Многие модели RAM имеют также поддержку XMP. Это разработанный Intel стандарт работы памяти Extreme Memory Profile (XMP). Как можно догадаться из названия, это некий «экстремальный» режим работы модуля. Так и есть, по сути, это выполненный уже на заводе разгон, которым можно и нужно воспользоваться. В результате увеличится частота памяти, изменятся тайминги, напряжение питания.
Правда, при соблюдении некоторых условий:
Профиль XMP необходимо вручную включить в BIOS материнской платы. По умолчанию установленный DIMM будет работать на некоей штатной частоте, скажем, 2 133 МГц, 2 400 МГц и т. п. Например, комплект из двух модулей Ballistix BL2K8G26C16U4R в штатном режиме работает на частоте 2 666 МГц с таймингами 19-19-19-43, а при активации XMP получаем уже 3 200 МГц при таймингах 16-18-18-36 при напряжении питания 1.35 В.
Значения профиля XMP прописаны в той же микросхеме, что и SPD. При этом никто не запрещает самостоятельно поэкспериментировать с параметрами RAM – изменить частоту, увеличить/уменьшить основные задержки, поиграться с напряжением. Естественно, это на ваш страх и риск с шансом на нестабильную работу, синие экраны и прочие подобные «удовольствия».
Опять-таки при условии, что материнская плата позволяет вручную изменять эти параметры, т. е. в ней используются чипсеты с поддержкой разгона памяти. У AMD это X570, B550, а у Intel это можно делать на Z590, W580, H570, B560.
Получить данные об установленных модулях памяти в вашей систем можно, если в командной строке ОС Windows ввести:
wmic memorychip get Manufacturer,Capacity,PartNumber,Speed,DeviceLocator,ConfiguredVoltage,MemoryType
Вы получите информацию об установленных DIMM. Правда, для DDR4 параметр MemoryType скорее всего отобразит 0.
Радиаторы охлаждения
Если открыть каталог с существующими в продаже модулями памяти, то большАя, если не бОльшая их часть будет иметь радиаторы. Для чего они нужны?
Если отбросить факт, что это очень удобная штука для установки подсветки и вообще улучшения внешнего вида планок памяти, то основное назначение этих железок – охлаждение. И если мы говорим о высокочастотной памяти с низкими таймингами, тем более предназначенной для разгона, то установка радиаторов имеет смысл.
При этом в продаже есть немалое количество DIMM вообще без охлаждения. Значит ли это, что мы имеем дело с бюджетной памятью, которая отлично будет работать на штатных частотах, но почти не поддается разгону?
В каких-то случаях да. Судя по имеющейся информации, например, модули Patriot Memory Signature PSD48G320081 обходятся без радиаторов и не гонятся почти никак. Правда, частота у них изначально не самая маленькая, 3 200 МГц, но вот добиться большего вряд ли получится. Тем более, что и ревизия печатной платы тут «A0».
А бывает и наоборот. Например, можно посмотреть на отзывы счастливых владельцев 8-гигабайтных модулей Samsung M378A1K43BB2-CRC, которые разгоняют их со штатных 2 400 МГц или 2 666 МГц до 3 200 МГц и выше. И без всяких радиаторов. Хотя это не значит, что не надо организовывать нормальную вентиляцию корпуса.
Поэтому если изначально идет речь о приобретении высокоскоростного модуля памяти, да еще и с перспективой серьезного разгона до частот порядка 4 000 МГц и выше, то металлический радиатор лишним точно не будет.
Если же речь про штатные частоты в районе 3 000 МГц, а разгон и, особенно, световые шоу в корпусе совсем не интересуют, то отсутствие радиатора отнюдь не причина отказываться от рассмотрения той или иной модели DIMM без дополнительного охлаждения чипов памяти.
Корпусировка чипов RAM
Выше я частенько призывал посмотреть на количество чипов, распаянных на DIMM, и сделать какие-то из этого выводы. Надо признаться, что простой подсчет количества чипов памяти не всегда отражает реальную емкость данного модуля или его конфигурацию.
Приведу пример. Модули Patriot Memory Signature PSD48G320081 и PSD416G240081 имеют по восемь чипов. При этом объем первого 8 ГБ, а второго 16 ГБ. Дело в том, что внутри корпуса микросхемы может располагаться несколько кристаллов памяти.
Отсюда следует вывод, что первый взгляд на модуль следует подкрепить данными из спецификаций, чтобы начать делать выводы об интересности для вас этого DIMM для покупки.
Заключение. Анатомия RAM – сложный маленький организм
Если эстетическая составляющая внутреннего мира системного блока не пустой звук, то к перечисленным выше параметрам следует добавить наличие красивого радиатора с разноцветной подсветкой.
Сложнее с любителями разгона. Здесь в большей степени интересует анатомия RAM. Какой степпинг чипов и кем произведены, ранговость, какая версия печатной платы. Надо учесть платформу, для которой подбирается RAM, тайминги, возможность разгона. Желательно ознакомиться со статистикой результатов оверклокинга данных модулей у коллег по цеху.
В результате, оперативная память хоть и является одним из самых компактных компонентов в ПК (если сравнивать с видеокартами, жесткими дисками, кулерами и т. п.), но не так проста по сути. Знание тонкостей поможет сделать правильный выбор и позволит получить дополнительные FPS в играх, уменьшить время тех или иных расчетов, да и просто сделать компьютер более отзывчивым.