SDRAM технология от SDR до DDR4

3 февруари 2015 г
Статии

Постоянно получаваме определен брой писма с молба да ни разкажат за принципите на работа на RAM. Въпросите са стандартни: „Какви са таймингите?“, „Каква е разликата между DDR2 и DDR3?“, „Как се формира честотата на RAM?“. И въпреки че тази тема е стара като света, все пак, по молба на работниците, ще я повдигна отново.

„Стар колкото света…“ все още е подценяване. RAM паметта, заедно с процесора и дънната платка, е старовременна част от всеки компютър. Първоначално в задния двор на компютърното развитие имаше такъв термин като платформа (все още съществува, но има малко по-различно значение). Именно под платформата се имаха предвид тези три "железни парчета". С течение на времето компютърните компоненти се развиха. Но досега процесорът, дънната платка и RAM остават непоклатими части на всеки компютър. непоклатим! И без RAM днес все още е незаменим.

Принципът на работа и "мисията" на RAM паметта е проста за позор. Модулът памет е връзката между ROM (четете - HDD / SSD) и централния процесор. А "мозъците" на компютъра са необходими поради факта, че съвременните дискове (дори тези в твърдо състояние!) Нямат същите високоскоростни качества като SDRAM. От своя страна RAM има малки обеми (в сравнение с ROM) и висока честотна лента. Затова се нарече "оперативна". Тоест този, който бързо, почти мигновено доставя данни на централния процесор. В допълнение, същите масиви от матрици (математически), текстури, игрови сценарии и други данни са по-лесни за незабавно зареждане в RAM и обработката им там. Ето защо количеството RAM е почти от първостепенно значение. Но повече за това по-късно.

За сравнение скоростта на четене на твърдия диск днес едостига 100-150 MB/s. Производителност на SSD - 500-600 MB / s.

А скоростта на модула DDR3-1600 е около 25,6 GB / s. Усещате ли разликата? Междувременно записът принадлежи на SRAM паметта. Например, кеш паметта от първо ниво на процесора Intel Core i7-3960X може да се похвали със скорост от около 120 GB / s.

В интерес на истината тук стигнах и до SDRAM. Това съкращение означава Synchronous Dynamic Random Access Memory - синхронна динамична памет с произволен достъп. Динамичен, защото паметта постоянно трябва да се актуализира поради ниския капацитет на кондензаторите (има и статична памет, която не изисква актуализиране, но днес ще премълча за това). Синхронен, тъй като паметта извършва всяка операция известен брой пъти (четене - цикли). Чисто технически това изглежда така: контролерът на паметта подава заявка и чака необходимите данни (и знае колко време тези данни ще стигнат до него). Синхронността е тази, която ви позволява да контролирате потока от данни, като ги подреждате в ред, образувайки конвейер.

Модул памет

Под модул памет винаги разбираме печатна платка със запоени върху нея чипове. За сегмента на настолните компютри, като правило, се използват DIMM (модули памет с двоен ред) и SO-DIMM (модул с двойна памет с малък контур) форм фактор модули памет. Първите са за пълноценни настолни компютри, вторите са за лаптопи. В допълнение, енергонезависима памет (за съхранение на SPD) е разположена на печатната платка. Модулът SDR памет има 144 пина за свързване към дънната платка; DDR има 172 пина; DDR2 - 214 пина, а DDR3 - всичките 240. SO-DIMM от своя страна разполага с 204 пина.

Обемът на един модул памет е равен на сумата от обемите на използваните в него чипове. И чиповете са различни.плътност. Всички модули памет имат поне 64-битова шина. Има и 72-битови модули за коригиране на грешки (ECC), в които 8 бита са предназначени директно за тази корекция. Следователно модулите с памет предават 8 байта информация на цикъл. В резултат на това е лесно да се изчисли теоретичната честотна лента на модул памет, като се използва следната формула: A * 64/8 = PS, където "A" е скоростта на трансфер на данни, а "PS" е необходимата честотна лента. Например, модул с ефективна честота 800 MHz има производителност 800*64/8=6400 MB/s. Именно тази стойност е записана в техническите характеристики на устройството под прикритието на PC2-6400, така че DDR3 модул памет с надпис RSZ-20000 трябва да работи на честота 20000 * 8/64 = 2500 MHz.

Ширината на шината на модула памет е равна на сумата от ширините на шината на чиповете на този модул. Следователно, ако върху модула са запоени четири чипа, тогава ширината на всеки е 64/4=16 бита. Ако 8 чипа, тогава 64/8=4 бита. Докато много дънни платки поддържат до 64 GB RAM, в момента се продават 8 GB модули. Запоени върху тях 16 чипа. Съответно всеки чип има 64/16=4 бита на шината, тоест всеки чип има плътност от 4096 Mbps.

В повечето случаи контролерът на паметта чете наведнъж цял пакет данни (Burst) от всеки бит на шината. Съответно при запис всеки 64 бита или 8 байта се разделят на няколко части. Има такова нещо като Burst length (дължина на пакета). Ако BL, например, е равно на осем, тогава 8 * 64 = 512 бита се предават наведнъж.

В резултат на това получаваме архитектурата на чипа: с битовата дълбочина (ширина) на шината и дълбочината на чипа. Чип с плътност 512 Mbit и битова дълбочина 4 има дълбочина на чипа 512/4=128M. От своя страна 128M = 32M * 4 банки. 32M е матрица с 16 000 реда и 2000 колони, която може да съхранява 32 Mbpsданни. Всичко е взаимосвързано.

Модул памет може да бъде представен и в геометрична форма, където ширината винаги е 64 бита, а дълбочината е размерът на модула в битове, разделен на 64.

От SDR към DDR

В крайна сметка какво имаме? 256 MB SDR-100 MHz модул памет е 144-пинов, 4-чипов PCB, който работи на 100 MHz. Тоест скоростта на предаване на данни е 100 MHz. Но впоследствие производителите на памети се сблъскаха с предвидим проблем: чиповете с памет не можеха да работят на по-висока честота. Дилемата може да бъде разрешена чрез увеличаване на битовата дълбочина на модула (т.е. чрез увеличаване

брой чипове), но този изход от ситуацията не би имал положителен ефект върху цената на производството на RAM. Тогава JEDEC реши да тръгне по друг начин: да увеличи ширината на шината вътре в самия чип памет, но да я остави да работи на същата честота и да доставя и получава информация по шината на два пъти по-висока честота и същата ширина. Също така, данните започнаха да се предават не веднъж на часовник, а веднага два пъти на часовник - на двата фронта на сигнала на часовника (спадащ и нарастващ). Така се появи DDR (Double Data Rate) RAM, което на английски означава „удвоена скорост на трансфер на данни“.

В резултат на това в случая на DDR технологията виждаме, че не можем да преброим по-малко от два пакета данни, тъй като вътре в чипа ще го видим като цяло, един пакет. Тази архитектура се нарича 2″ префект, където n е число (мощност), указващо DDR поколението (DDR1, DDR2, DDR3, DDR4). Показва колко данни (четене - пакети) в даден момент са избрани при четене.

От DDR към DDR4

Ако SDR модулите четат в мегахерци, то DDR - в милиони трансфери в секунда през един изход за данни! Следователно записът "DDR 400 MHz" не е такъввярно и лишено от здрав разум. Макар и само защото шината на модула на паметта DDR-400 работи на реална честота от 200 MHz и предава данни само два пъти на такт. Въпреки това, има силно чувство сред производителите на памети, че терминът "мегахерц" трябва да се използва. Така по-кратко и по-апетитно за купувачите. В края на краищата, как звучи и очарова: модул памет с честота 2800 MHz! Ето защо се появиха такива понятия като реалната и ефективна честота на модула памет. Реална честота — честота на шината на модула: ефективна — два пъти честотата на шината на модула.

Според префектната архитектура 2L, DDR2 RAM има вътрешна шина четири пъти по-широка. Плюс това, повишената производителност на чипа започна да се предава по външна шина с двойна честота. В резултат на това, ако чипът DDR-400 работеше със скорост 200 MHz, тогава за DDR2-400 той работеше със скорост 100 MHz, но с два пъти по-голяма вътрешна шина. Съответно, чипът DDR2-800 ще работи на честота 200 MHz, за DDR2-1066 - на честота 266,6 MHz. В DDR3-800 честотата на чипа вече ще бъде 100 MHz, вътрешната шина ще бъде осем пъти по-голяма, а външната честота няма да се промени и ще остане равна на 400 MHz.

Лесно е да се досетите, че DDR4 RAM според архитектурата 2n prefect ще има вътрешна шина с 16 пъти по-голяма битова ширина, докато външната честота ще остане същата. И ако чипът DDR4-1600 работи на честота от 100 MHz, тогава външната реална честота ще бъде 800 MHz.

В крайна сметка какъв извод можем да си направим? Оказва се, че производителността на DDR паметта зависи от честотната лента, но не и от технологията. С всяко ново поколение дължината на пакета данни с минимална дължина на Burst ще се увеличава. Ако за DDR беше поне 128 бита, то с DDR2 не можехме да прочетем по-малко от 256 бита от един модулbit (BL=4), а при DDR3 - поне 512 бита (BL=8). За DDR4 извадката ще бъде 16 пакета или 1024 бита данни. Разбира се, смяната на DDR поколенията е придружена не само от увеличаване на дължината на Burst

и увеличаване на външната честота. Корпорациите за производство на RAM усвояват нови технически процеси. Плътността на чиповете непрекъснато расте, както и честотите. Това намалява консумацията на енергия. Ако модулът DDR веднъж е консумирал 2,5 V, DDR2 - 2 V, тогава модулът с памет DDR3 консумира само 1,35 V. И преминаването към DDR4 ще означава, че модулът с памет ще консумира около един волт.