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 в чем разница» rel=dofollow»>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 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