Что такое передняя память и задняя память

Процессор, блокнот, буфер: как устроена рабочая память человека

Мозг человека может избавляться от устаревшей информации и сохранять более значимую. Различные элементы, позволяющие соединять важные данные, полученные ранее, и текущие сведения, взаимодействуют в рабочей памяти. «Рабочая память человека: что бывает, если она не работает» — лекция на эту тему состоялась в рамках проекта «Университет, открытый городу» ВШЭ, поддерживаемого Москино.

Младший научный сотрудник НИУ ВШЭ и МФТИ Никита Отставнов предложил слушателям, собравшимся в парке «Музеон», начать с небольшой тренировки памяти, повторив несколько цифровых рядов и четверостишие Редьярда Киплинга. Во время «разогрева» начался небольшой дождь, но никто из слушателей не покинул аудиторию под открытым небом: одни раскрыли зонтики, другие надели ветровки и плащи.

Никита Отставнов рассказал, что память можно разобрать на когнитивные составляющие — долговременную и кратковременную память. В кратковременной памяти содержатся текущие сведения, которые в зависимости от важности могут попасть в долговременную или забыться. Долговременную память, где хранится важная информация, можно разделить на процедурную и навыковую. Примерами процедурной памяти эксперт назвал вождение и танец. Пределы долговременной памяти до конца не исследованы. В экспериментах, когда людям показывают фото, затем их перемешивают и предлагают разделить снимки на уже показанные и новые, испытуемые справлялись с двумя тысячами и даже десятью тысячами фото. Но данных о возможности работать с бо́льшим количеством фото нет.

В качестве иллюстрации действия механизмов памяти Никита Отставнов привел пример с покупкой продуктов. Покупатель пользуется разными видами памяти. Так, образ продукта и отличие, скажем, мандарина от апельсина, а также дорога до магазина хранятся в долговременной памяти, а текущая цена продуктов — в кратковременной.

Таким образом, покупка продуктов требует взаимодействия разных элементов памяти: список продуктов находится в кратковременной памяти, а средние цены на них — в долговременной. Еще один важный момент: обычно мы рассчитываем примерную стоимость покупки, и, если кассир называет нам цену, отличающуюся от прогнозируемой в бо́льшую сторону, мы начинаем задавать вопросы и требовать сверить результат с ценами, которые мы видели. Если в итоге нам продали яблоки, молоко и хлеб по «правильной» цене, мы забываем ее, но можем запомнить факт попытки завысить цену.

Эксперт пояснил, что данные из кратковременной и долговременной памяти соединяются в рабочей памяти, предназначенной для сопоставления и обработки текущей и прежней информации. Некоторые специалисты считают кратковременную память частью рабочей, Никита Отставнов разделяет эти два вида памяти.

Рабочая память отчасти имеет признаки долговременной, поскольку сохраняет информацию, необходимую в дальнейшей деятельности, а ненужные данные вычищаются, уступая место более актуальным.

В кратковременной памяти информация только хранится, а в рабочей она еще и обрабатывается

Еще одно отличие: кратковременная память едина, а рабочая состоит из отдельных компонентов.

Алан Бэддели, создатель мультикомпонентной модели рабочей памяти, доказал, что рабочая память состоит из разных элементов. Сейчас принято считать, что она включает в себя центральный процессор, или управляющий элемент, координирующий когнитивные процессы и управляющий вниманием, отвечающий за обработку речи, а также визуально-пространственный блокнот (пространственная рабочая память) и эпизодический буфер. В эпизоде с покупкой пространственный блокнот отвечал за то, чтобы человек дошел до магазина, эпизодический буфер — вспомнил, что такое яблоко, а процессор — рассчитал сумму покупки.

Сканирование головы, говорит эксперт, показало, что при запуске рабочей памяти активируются передняя часть лобной коры и теменная кора. Лобная кора ответственна за планирование действий, контроль поведения и выбор слов. Теменная кора задействуется в момент концентрации внимания.

Эти особенности, а также отличие между кратковременной и рабочей памятью выяснились неожиданно: у пациента, страдавшего эпилепсией, удалили из мозга очаг, который, как предполагалось, вызывал припадки. Одновременно был удален и участок, отвечавший за перевод кратковременной памяти в долговременную. В итоге человек забывал все через 2-3 минуты.

Различные нарушения внимания и моторики вызваны нарушениями рабочей памяти. При синдроме дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) мы можем найти неполадки в строении центрального процессора. У таких детей меньше теменная кора, из-за чего им труднее сосредоточиваться, и мозжечок, что приводит к гиперактивности. Такие нарушения могут быть связаны не только с генетикой, развитием плода и развитием ребенка в первые недели жизни, но и с образовательной средой. В школах с большими классами педагогу нужно учить всех, и он не успевает уделить достаточно внимания ученику с СДВГ.

Объем и строение рабочей памяти влияют на успехи в образовании. Выявление проблем порождает поиск методов их исправления и (или) лечения. Нейронаука предлагает стимулировать мозг и его отдельные области, в том числе лобной и теменной коры, слабыми разрядами электрического тока.

Никита Отставнов рассказал об эксперименте, когда одной группе стимулировали обе области коры, другой — только лобную часть, третьей — только теменную, а четвертой — ни одной. Он показал, что стимуляция обеих областей приводит к наиболее существенному эффекту, только лобной коры — к несколько меньшему, только теменной — к несущественному. При этом важно понимать, что электростимуляция или использование специальных фармацевтических препаратов положительно влияют только при нарушениях памяти и на людей с небольшой прилобной корой. Улучшить память с помощью таблеток или стимуляции не получится.

Есть несколько мнемотехник, улучшающих запоминание. Например, рассказал Никита Отставнов, чтобы не забыть, что нужно купить, можно придумать историю с нужными вам продуктами, причем чем абсурднее и страннее она будет, тем лучше запомнится.

Вычеркнуть воспоминания из памяти практически невозможно, но можно их переработать так, чтобы они стали менее болезненными. В частности, переработке воспоминаний помогает творческая деятельность. При этом надо понимать, что вспомнить не значит точно воспроизвести события прошлого, они дополняются какими-то новыми деталями и, напротив, теряют отдельные элементы.

Объем рабочей памяти человека нестабилен: в детстве он небольшой, растет до 25-30 лет, когда достигает максимума, затем снижается. Причем повседневные заботы уменьшают объем рабочей памяти

Главной тренировкой памяти Никита Отставнов назвал резкое ограничение пользования гаджетами, применение которых в текущей деятельности ограничивает активность соответствующих долей мозга. Среди обычных практик для развития и поддержания рабочей памяти он отметил запоминание букв, цифр и слов или, например, упражнение с разноцветными карандашами, когда их выкладывают в определенной последовательности, а затем перемешивают и просят разместить в том же или противоположном порядке.

Еще одним способом улучшения памяти эксперт Вышки назвал запоминание через объяснение информации другому человеку. Необходимость ясно донести те или иные сведения вынуждает глубже изучить их, активизирует работу соответствующих долей мозга.

Источник

Основные виды памяти

Настроить шрифт

В качестве наиболее общего основания для выделения раз­личных видов памяти выступает зависимость ее характеристик от особенностей деятельности по запоминанию и воспроизве­дению.

Классификация видов памяти

Отдельные виды памяти вычленяются в соот­ветствии с тремя основными критериями (рис. 1.4):

По характеру пси­хической активности, преобладающей в деятельности, память делят на двигательную, эмоциональную, образную и словесно-логическую.

По характеру целей деятельности — на непроиз­вольную и произвольную.

По продолжительности закрепле­ния и сохранения материалов (в связи с его ролью и местом в деятельности) — на кратковременную, долговременную и опе­ративную. [20, с. 245].

Классификация видов памяти по характеру психической активности была впервые предложена П. П. Блонским. Хотя все четыре выделенные им вида памя­ти (двигательная, эмоциональная, образная и словесно-логическая) не существу­ют независимо друг от друга, и более того, находятся в тесном взаимодействии, Блонскому удалось определить различия между отдельными видами памяти. Рассмотрим характеристики этих четырех видов памяти.

Рис. 1.4. Классификация видов памяти (по А. Г. Маклакову)

Двигательная память — это запоминание, сохранение и воспроизведение различных движений и их систем. Встречаются люди с ярко выраженным преобладанием этого вида памяти над другими ее видами. Огромное значение это­го вида памяти состоит в том, что она служит основой для фор­мирования различных практических и трудовых навыков, рав­но как и навыков ходьбы, письма и т.д. Без памяти на движе­ния мы должны были бы каждый раз учиться осуществлять со­ответствующие действия. Обычно признаком хорошей двига­тельной памяти является физическая ловкость человека, сно­ровка в труде.

Двигательная память у ребенка возникает очень рано. Ее первые проявления относятся к первому месяцу жизни. Первоначально она выражается только в дви­гательных условных рефлексах, вырабатывающихся у детей уже в это время. В дальнейшем запоминание и воспроизведение движений начинают принимать сознательный характер, тесно связываясь с процессами мышления, воли и др. Осо­бо следует отметить, что к концу первого года жизни двигательная память дости­гает у ребенка такого уровня развития, который необходим для усвоения речи.

Развитие памяти происходит и в более позднее время. Так, двигательная память у детей дошкольного возраста до­стигает уровня развития, позволяющего уже выполнять тонко координированные действия, связанные с овладением письменной речью. Поэтому на разных ступе­нях развития проявления двигательной памяти качественно неоднородны. [12, с. 257-258].

Эмоциональная память — память на чувства. Эмоции всег­да сигнализируют о том, как удовлетворяются наши потреб­ности и интересы, как осуществляются наши отношения с окружающим миром. Эмоциональная память имеет поэтому очень важное значение в жизни и деятельности каждого че­ловека. Пережитые и сохраненные в памяти чувства высту­пают в виде сигналов, либо побуждающих к действию, либо удерживающих от действий, вызвавших в прошлом отрица­тельные переживания.

Первые проявления памяти у ребенка наблюдаются к концу первого полугода жизни. В это время ребенок может радоваться или плакать при одном лишь виде того, что раньше доставляло ему удовольствие или страдание. Однако начальные проявления эмоциональной памяти существенно отличаются от более поздних. Это отличие заключается в том, что если на ранних этапах развития ребенка эмо­циональная память носит условно-рефлекторный характер, то на более высоких ступенях развития эмоциональная память является сознательной.

Образная память — память на представления, картины при­роды и жизни, а также на звуки, запахи, вкусы. Она бывает зрительной, слуховой, осязательной, обонятельной, вкусовой. Если зрительная и слуховая память обычно хорошо развиты и играют ведущую роль в жизненной ориентировке всех нормальных людей, то осязательную, обонятельную и вкусовую память в известном смысле можно назвать профессиональными вида­ми. Как и соответствующие ощущения, эти виды памяти осо­бенно интенсивно развиваются в связи со специфическими ус­ловиями деятельности, достигая поразительно высокого уровня в условиях компенсации или замещения недостающих видов памяти, например, у слепых, глухих и т.д.

Образная память начинает проявляться у детей примерно в то же время, что и представления, т. е. в полтора-два года.

Словесно-логическая память выражается в запоминании и воспроизведении наших мыслей. Мы запоминаем и воспроизводим мысли, возникшие у нас в про­цессе обдумывания, размышления, помним содержание прочитанной книги, раз­говора с друзьями.

Особенностью данного вида памяти является то, что мысли не существуют без языка, поэтому память на них и называется не просто логической, а словесно-логической. При этом словесно-логическая память проявляется в двух случаях: а) за­поминается и воспроизводится только смысл данного материала, а точное сохра­нение подлинных выражений не требуется; б) запоминается не только смысл, но и буквальное словесное выражение мыслей (заучивание мыслей). Если в последнем случае материал вообще не подвергается смысловой обработке, то буквальное за­учивание его оказывается уже не логическим, а механическим запоминанием.

Оба этих вида памяти могут не совпадать друг с другом. Например, есть люди которые хорошо запоминают смысл прочитанного, но не всегда могут точно и прочно заучить материал наизусть, и люди, которые легко заучивают наизусть, не могут воспроизвести текст «своими словами».

Развитие обоих видов словесно-логической памяти также происходит не параллельно друг другу. Заучивание наизусть у детей протекает иногда с большей легкостью, чем у взрослых. В то же время в запоминании смысла взрослые, наоборот, имеют значительные преимущества перед детьми. Это объясняется тем, что при запоминании смысла прежде всего запоминается то, что является наиболее существенным, наиболее значимым. В этом случае очевидно, что выделение существенного в материале зависит от понимания материала, поэтому взрослые легче чем дети, запоминают смысл. И наоборот, дети легко могут запомнить детали, но гораздо хуже запоминают смысл.

Мысли не существуют без языка, поэтому память на них и называется не просто логической, а словесно-логической. Поскольку мысли могут быть воплощены в различную языко­вую форму, то воспроизведение их можно ориентировать на передачу либо только основного смысла материала, либо его буквального словесного оформления. Если в последнем случае материал вообще не подвергается смысловой обработке, то бук­вальное заучивание его оказывается уже не логическим, а меха­ническим запоминанием.

В словесно-логической памяти главная роль принадлежит второй сигнальной системе. Словесно-логическая память — специфически человеческая память в отличие от двигатель­ной, эмоциональной и образной, которые в простейших фор­мах свойственны и животным. Опираясь на развитие других видов памяти, словесно-логическая память становится веду­щей по отношению к ним, и от ее развития зависит развитие всех других видов памяти. Словесно-логической памяти при­надлежит основная роль в усвоении знаний детьми в про­цессе обучения.

Существует, однако, и такое деление памяти на виды, кото­рое прямо связано с особенностями самой актуально выполня­емой деятельности. Так, в зависимости от целей деятельности память делят на непроизвольную и произвольную. Запоминание и воспроизведение, в котором отсутствует специальная цель что-то запомнить или припомнить, называется непроизвольной па­мятью, в случаях, когда это целенаправленный процесс, гово­рят о произвольной памяти.

Непроизвольная и произвольная память вместе с тем пред­ставляют собой две последовательные ступени развития памя­ти. Каждый из опыта знает, какое огромное место в нашей жизни занимает непроизвольная память, на основе которой без специальных мнемических намерений и усилий форми­руется основная и по объему, и по жизненному значению часть нашего опыта.

Однако в деятельности человека неред­ко возникает необходимость руководить своей памятью. В этих условиях важную роль играет произвольная память дающая возможность преднамеренно заучить или припомнить то, что необходимо.

Для того, чтобы тот или иной материал закрепился в памяти, он должен быть соответствующим образом переработан субъектом. Такая переработка требует определенного времени, которое называют временем консолидации следов Субъективно этот процесс переживается как отзвук только что происшедшего события: на какое-то мгновение мы как бы продолжаем видеть, слышать и т.д., что уже непосредст­венно не воспринимаем (стоит перед глазами, звучит в ушах и т.д.). Эти процессы неустойчивы и обратимы, но они на­столько специфичны и их роль в функционировании меха­низмов накопления опыта столь значительна, что их рассмат­ривают в качестве особого вида запоминания, сохранения и воспроизведения информации, который получил название кратковременной памяти. В отличие от долговременной па­мяти, для которой характерно длительное сохранение мате­риала после многократного его повторения и воспроизведе­ния, кратковременная память характеризуется очень крат­ким сохранением.

Понятием оперативная память обозначают мнемические про­цессы, обслуживающие непосредственно осуществляемые че­ловеком актуальные действия, операции. Когда мы выполняем какое-либо сложное действие, например арифметическое, то осу­ществляем его по частям, кускам. При этом мы удерживаем «в уме» некоторые промежуточные результаты до тех пор, пока имеем с ними дело. По мере продвижения к конечному резуль­тату конкретный «отработанный» материал может забываться Аналогичное явление мы наблюдаем при выполнении любого более или менее сложного действия. Куски материала, которы­ми оперирует человек, могут быть различными (ребенок начи­нает читать со складывания букв). Объем этих кусков, так на­зываемых оперативных единиц памяти, существенно влияет на успешность выполнения той или иной деятельности. Этим определяется значение формирования оптимальных оперативных единиц. [12, с. 276].

Критерии, принятые нами за основание деления памяти на виды, связанные с различными сторонами человеческой дея­тельности, выступают в ней не порознь, а в органическом единстве (рис. 1.5).

Рис. 1.3. Сущность памяти (по М. В. Гамезо, И. А. Домашенко)

Индивидуальные различия в памяти людей

Индивидуальные различия в па­мяти людей могут быть двух видов: с одной стороны, память разных людей отли­чается преобладанием той или иной модальности — зрительной, слуховой, двигательной; с другой стороны, па­мять различных людей может отли­чаться и по уровню своей организа­ции.

Человек с наглядно-образным ти­пом памяти особенно хорошо запо­минает наглядные образы, цвет пред­метов, звуки, лица и т. п. Так, В. А. Моцарт, запоминал сложнейшие музыкальные произведения после одного прослушивания.

При словесно-логическом типе па­мяти лучше запоминается словесный, нередко абстрактный материал: поня­тия, формулы и т. п. Например, А. С. Пушкин мог прочесть наизусть длинное стихотворение, написан­ное другим автором, после двукратного его прочтения.

При эмоциональном типе памя­ти прежде всего сохраняются и вос­производятся пережитые человеком чувства.

Источник

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.

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.

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:

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.

Источник