Динамічна пам’ять

Типи DRAM

Протягом довгого часу розробниками створювалися різні типи пам’яті. Вони володіли різними характеристиками, у них були використані різні технічні рішення. Основною рушійною силою розвитку пам’яті був розвиток комп’ютерів і центральних процесорів. Постійно потрібно збільшення швидкодії та об’єму оперативної пам’яті.

Сторінкова пам’ять

Сторінкова пам’ять (англ. page mode DRAM, PM DRAM) була одним з перших типів випускається комп’ютерної оперативної пам’яті. Пам’ять такого типу випускалася на початку 1990-х років, але із зростанням продуктивності процесорів і ресурсоємності додатків потрібно збільшувати не тільки обсяг пам’яті, але й швидкість її роботи.

Швидка сторінкова пам’ять

Швидка сторінкова пам’ять (англ. fast page mode DRAM, FPM DRAM) з’явилася в 1995 році. Принципово нових змін пам’ять не зазнала, а збільшення швидкості роботи досягалося шляхом підвищеного навантаження на апаратну частину пам’яті. Даний тип пам’яті в основному застосовувався для комп’ютерів з процесорами Intel 80486 або аналогічних процесорів інших фірм. Пам’ять могла працювати на частотах 25 і 33 МГц з часом повного доступу 70 і 60 нс і з часом робочого циклу 40 і 35 нс відповідно.

EDODRAM – пам’ять з удосконаленим виходом

C появою процесорів Intel Pentium пам’ять FPM DRAM виявилася абсолютно неефективною. Тому наступним кроком стала пам’ять з вдосконаленим виходом (англ. extended data out DRAM, EDO DRAM). Ця пам’ять з’явилася на ринку в 1996 році і стала активно використовуватися на комп’ютерах з процесорами Intel Pentium і вище. Її продуктивність опинилася на 10-15% вище в порівнянні з пам’яттю типу FPM DRAM. Її робоча частота була 40 і 50 МГц, відповідно, час повного доступу – 60 і 50 нс, а час робочого циклу – 25 і 20 нс. Ця пам’ять містить регістр-клямку (англ. data latch) вихідних даних, що забезпечує деяку конвейеризацию роботи для підвищення продуктивності при читанні.

SDRAM – синхронна DRAM

У зв’язку з випуском нових процесорів і поступовим збільшенням частоти системної шини, стабільність роботи пам’яті типу EDO DRAM стала помітно падати. Їй на зміну прийшла синхронна пам’ять (англ. synchronous DRAM, SDRAM). Новими особливостями цього пам’яті були використання тактового генератора для синхронізації всіх сигналів і використання конвеєрної обробки інформації. Також пам’ять надійно працювала на більш високих частотах системної шини (100 МГц і вище).

Якщо для FPM і EDO пам’яті вказується час читання першого осередку в ланцюжку (час доступу), то для SDRAM вказується час зчитування наступних осередків. Ланцюжок – кілька послідовних комірок. На зчитування першого осередку йде досить багато часу (60-70 нс) незалежно від типу пам’яті, а от час читання наступних сильно залежить від типу. Робочі частоти цього типу пам’яті могли рівнятися 66, 100 або 133 МГц, час повного доступу – 40 і 30 нс, а час робочого циклу – 10 і 7,5 нс.

З цим типом пам’яті застосовувалася технологія Virtual Channel Memory (VCM). VCM використовує архітектуру віртуального каналу, що дозволить більш гнучко і ефективно передавати дані з використанням каналів регістру на чіпі. Дана архітектура інтегрована в SDRAM. VCM, крім високої швидкості передачі даних, була сумісна з існуючими SDRAM, що дозволяло робити апгрейд системи без значних витрат і модифікацій. Це рішення знайшло підтримку у деяких виробників чіпсетів.

EnhancedSDRAM (ESDRAM)

Для подолання деяких проблем із затримкою сигналу, властивих стандартної DRAM-пам’яті, було вирішено вбудувати невелику кількість SRAM в чіп, тобто створити на чіпі кеш.

ESDRAM – це, по суті, SDRAM з невеликою кількістю SRAM. При малій затримці і пакетної роботі досягається частота до 200 МГц. Як і у випадку зовнішньої кеш-пам’яті, SRAM-кеш призначений для зберігання та вибірки найбільш часто використовуваних даних. Звідси і зменшення часу доступу до даних повільної DRAM.

Одним з таких рішень була ESDRAM від Ramtron International Corporation.

Пакетна EDORAM

Пакетна пам’ять EDO RAM (англ. burst extended data output DRAM, BEDO DRAM) стала дешевою альтернативою пам’яті типу SDRAM. Заснована на пам’яті EDO DRAM, її ключовою особливістю була технологія поблочної читання даних (блок даних читався за один такт), що зробило її роботу швидше, ніж у пам’яті типу SDRAM. Однак неможливість працювати на частоті системної шини більше 66 МГц не дозволила даного типу пам’яті стати популярним.

VideoRAM

Спеціальний тип оперативної пам’яті – Video RAM (VRAM) – був розроблений на основі пам’яті типу SDRAM для використання в відеоплати. Він дозволяв забезпечити безперервний потік даних в процесі відновлення зображення, що було необхідно для реалізації зображень високої якості. На основі пам’яті типу VRAM, з’явилася специфікація пам’яті типу Windows RAM (WRAM), іноді її помилково пов’язують з операційними системами сімейства Windows. Її продуктивність стала на 25% вище, ніж в оригінальної пам’яті типу SDRAM, завдяки деяким технічним змінам.

DDRSDRAM

У порівнянні зі звичайною пам’яттю типу SDRAM, в пам’яті SDRAM з подвоєною швидкістю передачі даних (англ. double data rate SDRAM, DDR SDRAM або SDRAM II) була вдвічі збільшена пропускна спроможність. Спочатку пам’ять такого типу застосовувалася в відеоплата, але пізніше з’явилася підтримка DDR SDRAM з боку чіпсетів.

У всіх попередніх DRAM були розділені лінії адреси, даних і управління, які накладають обмеження на швидкість роботи пристроїв. Для подолання цього обмеження в деяких технологічних рішеннях всі сигнали стали виконуватися на одній шині. Двома з таких рішень є технології DRDRAM і SLDRAM. Вони отримали найбільшу популярність і заслуговують на увагу. Стандарт SLDRAM є відкритим і, подібно попередній технології, SLDRAM використовує обидва перепаду тактового сигналу. Що стосується інтерфейсу, то SLDRAM переймає протокол, названий SynchLink Interface і прагне працювати на частоті 400 МГц.

Пам’ять DDR SDRAM працює на частотах у 100, 133, 166 і 200 МГц, її час повного доступу – 30 і 22,5 нс, а час робочого циклу – 5, 3,75, 3 і 2,5 нс.

Так як частота синхронізації лежить в межах від 100 до 200 МГц, а дані передаються по 2 біти на один синхроимпульс, як по фронту, так і по зрізу тактового імпульсу, то ефективна частота передачі даних лежить в межах від 200 до 400 МГц. Такі модулі пам’яті позначаються DDR200, DDR266, DDR333, DDR400.

DirectRDRAM або DirectRambusDRAM

Тип пам’яті RDRAM є розробкою компанії Rambus. Висока швидкодія цієї пам’яті досягається рядом особливостей, які не зустрічаються в інших типах пам’яті. Первісна дуже висока вартість пам’яті RDRAM призвела до того, що виробники потужних комп’ютерів віддали перевагу менш продуктивну, зате більш дешеву пам’ять DDR SDRAM. Робочі частоти пам’яті – 400, 600 і 800 МГц, час повного доступу – до 30 нс, час робочого циклу – до 2,5 нс.

DDR2 SDRAM

Конструктивно новий тип оперативної пам’яті DDR2 SDRAM був випущений в 2004 році. Грунтуючись на технології DDR SDRAM, цей тип пам’яті за рахунок технічних змін показує більш високу швидкодію і призначений для використання на сучасних комп’ютерах. Пам’ять може працювати з тактовою частотою шини 200, 266, 333, 337, 400, 533, 575 і 600 МГц. При цьому ефективна частота передачі даних відповідно буде 400, 533, 667, 675, 800, 1066, 1150 і 1200 Мгц. Деякі виробники модулів пам’яті крім стандартних частот випускають і зразки, які працюють на нестандартних (проміжних) частотах. Вони призначені для використання в розігнаних системах, де потрібно запас по частоті. Час повного доступу – 25, 11,25, 9, 7,5 нс і менше. Час робочого циклу – від 5 до 1,67 нс.

DDR3 SDRAM

Цей тип пам’яті заснований на технологіях DDR2 SDRAM зі удвічі збільшеною частотою передачі даних по шині пам’яті. Відрізняється зниженим енергоспоживанням в порівнянні з попередниками. Частота смуги пропускання лежить в межах від 800 до 2400 МГц (рекорд частоти – більше 3000 МГц), що забезпечує велику пропускну спроможність в порівнянні з усіма попередниками.

Регенерація

На відміну від швидкої, але дорогою статичної пам’яті типу SRAM (англ. static random access memory), яка є конструктивно більш складним і більш дорогим типом пам’яті і використовується в основному в кеш-пам’яті, повільна, але дешева пам’ять DRAM виготовляється на основі конденсаторів невеликий ємності, які швидко втрачають заряд, тому інформацію доводиться оновлювати через певні проміжки часу, щоб уникнути втрат даних. Цей процес називається регенерацією пам’яті. Він реалізується спеціальним контроллером, встановленим на материнській платі або ж на кристалі центрального процесора. Протягом часу, званого кроком регенерації, в DRAM перезаписується цілий рядок клітинок, і через 8-64 мс оновлюються всі рядки пам’яті.

Процес регенерації пам’яті в класичному варіанті суттєво гальмує роботу системи, оскільки в цей час обмін даними з пам’яттю неможливий. Регенерація, заснована на звичайному переборі рядків, в сучасних типах DRAM не застосовується. Існує кілька більш економічних варіантів цього процесу – розширений, пакетний, розподілений; найбільш економічної є прихована (тіньова) регенерація.

Серед нових технологій регенерації – PASR (англ. Partial Array Self Refresh), застосовуваний компанією Samsung в чіпах пам’яті SDRAM з низьким рівнем енергоспоживання. Регенерація осередків виконується тільки в період очікування в тих банках пам’яті, в яких є дані.

Паралельно з цією технологією реалізується метод TCSR (англ. Temperature Compensated Self Refresh), який призначений для регулювання швидкості процесу регенерації в залежності від робочої температури.