Как устроена оперативная память компьютера

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.

• К примеру, если вам нужен современный игровой ПК, следует остановиться на объеме памяти от 16 ГБ, по возможности желательно взять память с запасом.
• Для выполнения профессиональных задач в современных графических редакторах или других требовательных программах следует выбрать ПК с объемом ОЗУ от 8 до 16 ГБ.
• Если вам нужен компьютер для решения повседневных задач, просмотра видео и серфинга по интернету, следует остановиться на объеме ОЗУ от 4 до 8 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.

Как работает оперативная память и зачем она нужна

Мое почтение, уважаемые читатели, други, недруги и прочие личности!

Сегодня хочется поговорить с Вами о такой важной и полезной штуке как оперативная память, в связи с чем опубликовано сразу две статьи, одна из которых рассказывает о памяти вообще (тобишь ниже по тексту), а другая рассказывает о том как эту самую память выбрать (собственно, статья находится прямо под этой, просто опубликована отдельно).

Изначально это был один материал, но, дабы не делать очередную многобуквенную страницу-простыню, да и просто из соображений разделения и систематизации статей, было решено разбить их на две.

Так как процесс дробления был произведен на лету и почти в последний момент, то возможны некоторые огрехи в тексте, которых не стоит пугаться, но можно сообщить об оных в комментариях, дабы, собственно, их так же на лету исправить.

Ну, а сейчас, приступаем.

• Вводная
• Общее
• Как же работает оперативная память?
• Подробнее
• Зачем нужна эта самая оперативная память?
• Компоновка модулей
• Температура, лаг, энергозависимость и вообще «на пальцах»
• Послесловие

Вводная

Перед каждым пользователем рано или поздно (или никогда) встает вопрос модернизации своего верного «железного коня». Некоторые сразу меняют «голову» — процессор, другие — колдуют над видеокартой, однако, самый простой и дешевый способ – это увеличение объема оперативной памяти.

Почему самый простой?

Да потому что не требует специальных знаний технической части, установка занимает мало времени и не создает практически никаких сложностей (и еще он наименее затратный из всех, которые я знаю).

Итак, чтобы узнать чуть больше о таком простом и одновременно эффективном инструменте апгрейда, как оперативная память (далее ОП), для этого обратимся к родимой теории.

Общее

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), оно же RAM (» Random Access Memory » — память с произвольным доступом), представляет собой область временного хранения данных, при помощи которой обеспечивается функционирование программного обеспечения. Физически, оперативная память в системе представляет собой набор микросхем или модулей (содержащих микросхемы), которые обычно подключаются к системной плате.

В процессе работы память выступает в качестве временного буфера (в ней хранятся данные и запущенные программы) между дисковыми накопителями и процессором, благодаря значительно большей скорости чтения и записи данных.

Примечание.
Совсем новички часто путают оперативную память с памятью жесткого диска ( ПЗУ — постоянное запоминающее устройство), чего делать не нужно, т.к. это совершенно разные виды памяти. Оперативная память (по типу является динамической — Dynamic RAM ), в отличие от постоянной — энергозависима, т.е. для хранения данных ей необходима электроэнергия, и при ее отключении (выключение компьютера) данные удаляются. Пример энергонезависимой памяти ПЗУ — флэш-память, в которой электричество используется лишь для записи и чтения, в то время как для самого хранения данных источник питания не нужен.

По своей структуре память напоминает пчелиные соты, т.е. состоит из ячеек, каждая из которых предназначена для хранения мёда определенного объема данных, как правило, одного или четырех бит. Каждая ячейка оной имеет свой уникальный «домашний» адрес, который делится на два компонента – адрес горизонтальной строки ( Row ) и вертикального столбца ( Column ).

Ячейки представляют собой конденсаторы, способные накапливать электрический заряд. С помощью специальных усилителей аналоговые сигналы переводятся в цифровые, которые в свою очередь образуют данные.

Для передачи на микросхему памяти адреса строки служит некий сигнал, который зовется RAS ( Row Address Strobe ), а для адреса столбца — сигнал CAS ( Column Address Strobe ).

С этим разобрались, идем дальше. Затронем еще один немаловажный вопрос:

Как же работает оперативная память?

Работа оперативной памяти непосредственно связана с работой процессора и внешних устройств компьютера, так как именно ей последние «доверяют» свою информацию. Таким образом, данные сперва попадают с жесткого диска (или другого носителя) в саму ОЗУ и уже затем обрабатываются центральным процессором (смотрите изображение).

Обмен данными между процессором и памятью может происходить напрямую, но чаще все же бывает с участием кэш-памяти.

Кэш-память является местом временного хранения наиболее часто запрашиваемой информации и представляет собой относительно небольшие участки быстрой локальной памяти. Её использование позволяет значительно уменьшить время доставки информации в регистры процессора, так как быстродействие внешних носителей (оперативки и дисковой подсистемы) намного хуже процессорного. Как следствие, уменьшаются, а часто и полностью устраняются, вынужденные простои процессора, что повышает общую производительность системы.

Оперативной памятью управляет контроллер, который находится в чипсете материнской платы, а точнее в той его части, которая называется North Bridge (северный мост) — он обеспечивает подключение CPU (процессора) к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ , графический контроллер (смотрите изображение).

Примечание.
Важно понимать, что если в процессе работы оперативной памяти производится запись данных в какую-либо ячейку, то её содержимое, которое было до поступления новой информации, будет безвозвратно утеряно. Т.е. по команде процессора данные записываются в указанную ячейку, одновременно стирая при этом то, что там было записано ранее.

Рассмотрим еще один важный аспект работы оперативки – это ее деление на несколько разделов с помощью специального программного обеспечения (ПО), которое поддерживается операционными системами.

Сейчас Вы поймете, о чем это я.

Подробнее

Дело в том, что современные устройства оперативной памяти являются достаточно объемными (привет двухтысячным, когда хватало и 32 Mб), чтобы в ней можно было размещать данные от нескольких одновременно работающих задач. Процессор также может одновременно обрабатывать несколько задач. Это обстоятельство способствовало развитию так называемой системы динамического распределения памяти, когда под каждую обрабатываемую процессором задачу отводятся динамические (переменные по своей величине и местоположению) разделы оперативной памяти.

Динамический характер работы позволяет распоряжаться имеющейся памятью более экономно, своевременно «изымая» лишние участки памяти у одних задач и «добавляя» дополнительные участки – другим (в зависимости от их важности, объема обрабатываемой информации, срочности выполнения и т.п.). За «правильное» динамическое распределение памяти в ПК отвечает операционная система, тогда как за «правильное» использование памяти, отвечает прикладное программное обеспечение.

Совершенно очевидно, что прикладные программы должны иметь способность работать под управлением операционной системы, в противном случае последняя не сможет выделить такой программе оперативную память или она не сможет «правильно» работать в пределах отведенной памяти. Именно поэтому не всегда удается запустить под современной операционкой, ранее написанные программы, которые работали под управлением устаревших систем, например под ранними версиями Windows (98 например).

Ещё (для общего развития) следует знать, что поддержка памяти зависит от разрядности системы, например, операционная система Windows 7, разрядностью 64 бита, поддерживает объем памяти до 192 Гбайт (младший 32 -битный собрат «видит» не больше 4 Гбайт). Однако, если Вам и этого мало, пожалуйста, 128 -разрядная Windows 8 заявляет поддержку поистине колоссальных объемов – я даже не осмеливаюсь озвучить эту цифру. Чуть подробнее про разрядность мы писали тут.

Что это такое разобрались.

Дальше, на очереди, как и гласил заголовок, у нас не менее интересный вопрос:

Зачем нужна эта самая оперативная память?

Как мы уже знаем, обмен данными между процессором и памятью происходит чаще всего с участием кэш-памяти. В свою очередь, ею управляет специальный контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их, т.е. кэш-контроллер загружает в кэш-память нужные данные из оперативной памят­и, и возвращает, когда нужно, модифицирован­ные процессором данные в оперативку.

После процессора, оперативную память можно считать самым быстродействующим устройством. Поэтому основной обмен данными и происходит между этими двумя девайсами. Вся информация в персональном компьютере хранится на жестком диске. При включении компа в ОЗУ с винта записываются драйверы, специальные программы и элементы операционной системы. Затем туда записываются те программы – приложения, которые мы будем запускать, при закрытии последних они будут стерты из оной.

Данные, записанные в оперативной памяти, передаются в CPU (он же не раз упомянутый процессор, он же Central Processing Unit ), там обрабатываются и записываются обратно. И так постоянно: дали команду процессору взять биты по таким-то адресам (как то: обработатьих и вернуть на место или записать на новое) – он так и сделал (смотрите изображение).

Все это хорошо до тех пор, пока ячеек памяти ( 1 ) хватает. А если нет?

Тогда в работу вступает файл подкачки ( 2 ). Этот файл расположен на жестком диске и туда записывается все, что не влезает в ячейки оперативной памяти. Поскольку быстродействие винта значительно ниже ОЗУ , то работа файла подкачки сильно замедляет работу системы. Кроме этого, это снижает долговечность самого жесткого диска. Но это уже совсем другая история.

Примечание.
Во всех современных процессорах имеется кэш ( cache ) — массив сверхскоростной оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером сравнительно медленной системной памяти и процессором. В этом буфере хранятся блоки данных, с которыми CPU работает в текущий момент, благодаря чему существенно уменьшается количество обращений процессора к чрезвычайно медленной (по сравнению со скоростью работы процессора) системной памяти.

Однако, кэш-память малоэффективна при работе с большими массивами данных (видео, звук, графика, архивы), ибо такие файлы просто туда не помещаются, поэтому все время приходится обращаться к оперативной памяти, или к HDD (у которого также имеется свой кэш).

Компоновка модулей

Кстати, давайте рассмотрим из чего же состоит (из каких элементов) сам модуль.

Так как практически все модули памяти, состоят из одних и тех же конструктивных элементов, мы для наглядности возьмем стандарт SD-RAM (для настольных компьютеров). На изображении специально приведено разное конструктивное исполнение оных (чтобы Вы знали не только «шаблонное» исполнение модуля, но и весьма «экзотическое»).

Итак, модули стандарта SD-RAM ( 1 ): DDR ( 1.1 ); DDR2 ( 1.2 ).

1. Чипы (микросхемы) памяти
2. SPD ( Serial Presence Detect ) – микросхема энергонезависимой памяти, в которую записаны базовые настройки любого модуля. Во время старта системы BIOS материнской платы считывает информацию, отображенную в SPD , и выставляет соответствующие тайминги и частоту работы ОЗУ ;
3. «Ключ» — специальная прорезь платы, по которой можно определить тип модуля. Механически препятствует неверной установке плашек в слоты, предназначенные для оперативной памяти;
4. SMD -компоненты модулей (резисторы, конденсаторы). Обеспечивают электрическую развязку сигнальных цепей и управление питанием чипов;
5. Cтикеры производителя — указывают стандарт памяти, штатную частоту работы и базовые тайминги;
6. РСВ – печатная плата. На ней распаиваются остальные компоненты модуля. От качества зачастую зависит результат разгона: на разных платах одинаковые чипы могут вести себя по-разному.

Теперь обощая, упрощая.

Температура, лаг, энергозависимость и вообще «на пальцах»

Условно говоря, если очень просто, то оперативная память это много мелких ячеек, хранящих данные и каждый бит этих данных хранится зарядом (или его отсутствием) на крошечном конденсаторе в микросхеме (о чем говорилось выше по тексту).

Эта память является энергозависимой, именно поэтому во время режима сна (гибернации компьютера) содержимое памяти записывается на жесткий диск, а при пробуждении загружается обратно. Когда компьютер выключен, — память пуста.

Файл подкачки, который является «продолжением» этой памяти, логичным образом, хранит в себе данные на жестком диске, что, в общем случае, небезопасно.

Информация в ячейках со временем «теряется», причем, чем выше температура, тем быстрее это происходит.

Чтобы избежать потери сохранённых данных, они должны регулярно обновляться, чтобы восстановить заряд (если он есть) до первоначального уровня. Этот процесс обновления включает чтение каждого бита, а потом запись его обратно. Это происходит не целиком, а блоками. В процессе такого «обновления» память занята и не может выполнять обычные операции, такие как запись или хранение битов. В общем случае из-за этого обновления память тормозит каждые 7,8 мкс.

Послесловие

Собственно, это основы основ и базисный базис, а посему, надеюсь, что статья была интересна Вам как с точки зрения расширения кругозора, так и в качестве кирпичика в персональных знаниях о персональном компьютере :).

На сим всё. Как и всегда, если есть какие-то вопросы, комментарии, дополнения и тп, то можете смело бежать в комментарии, которые расположены ниже. И да, не забудьте прочитать материал по выбору этой самой оперативной памяти.

Белов Андрей (Sonikelf) alt=»Sonikelf» /> alt=»Sonikelf» />Заметки Сис.Админа [Sonikelf’s Project’s] Космодамианская наб., 32-34 Россия, Москва (916) 174-8226

# факты | Как работает оперативная память?

Оперативная память (ОЗУ, RAM), самая известная из всех рассмотренных ранее форм компьютерной памяти. Эту память называют памятью «произвольного доступа» («random access»), поскольку вы можете получить доступ к любой ее ячейке непосредственно. Для этого достаточно знать строку и столбец, на пересечении которых находится нужная ячейка. Известны два основных вида оперативной памяти: динамическая и статическая. Сегодня мы подробно рассмотрим принцип «дырявого ведра», на котором основана динамическая память. Некоторое внимание будет уделено и статической памяти, быстрой, но дорогой.

Ячейка памяти подобна дырявому ведру

Подобно подробно рассмотренному ранее микропроцессору, чип памяти является интегральной микросхемой (ИС, IC), собранной из миллионов транзисторов и конденсаторов. Одним из наиболее распространенных видов памяти произвольного доступа является DRAM (динамическая память произвольного доступа, dynamic random access memory). В ней транзистор и конденсатор спарены и именно они образуют ячейку, содержащую один бит информации. Конденсатор содержит один бит информации, то есть «0» или «1». Транзистор же играет в этой паре роль переключателя (свитча), позволяющего управляющей схеме чипа памяти считывать или менять состояние конденсатора.

Конденсатор можно представить себе в виде небольшого дырявого «ведерка», которое при необходимости заполняется электронами. Если оно заполнено электронами, его состояние равно единице. Если опустошено, то нулю. Проблемой конденсатора является утечка. За считанные миллисекунды (тысячные доли секунды) полный конденсатор становится пустым. А это значит, что или центральный процессор, или контроллер памяти вынужден постоянно подзаряжать каждый из конденсаторов, поддерживая его в наполненном состоянии. Подзарядку следует осуществлять до того, как конденсатор разрядится. С этой целью контроллер памяти осуществляет чтение памяти, а затем вновь записывает в нее данные. Это действие обновления состояния памяти осуществляется автоматически тысячи раз за одну только секунду.

Конденсатор динамической оперативной памяти можно сравнить с протекающим ведром. Если его не заполнять электронами снова и снова, его состояние станет нулевым. Именно эта операция обновления и внесла в название данного вида памяти слово «динамическая». Такая память или обновляется динамически, или «забывает» все, что она «помнила». Есть у этой памяти существенный недостаток: необходимость постоянно обновлять ее требует времени и замедляет работу памяти.

Устройство ячейки динамической оперативной памяти (DRAM)

Итак, представим себе тетрадный лист. Некоторые клеточки закрашены красным фломастером, а некоторые остались белыми. Красные клеточки это ячейки, состояние которых «1», а белые — «0».

Только вместо листа из тетради в оперативной памяти используется кремниевая пластина, в которую «впечатаны» столбцы (разрядные линии, bitlines) и строки (словарные шины, wordlines). Пересечение столбца и строки является адресом ячейки оперативной памяти.

Динамическая оперативная память передает заряд по определенному столбцу. Этот заряд называют стробом адреса столбца (CAS, Column Adress Strobe) или просто сигналом CAS. Этот сигнал может активировать транзистор любого бита столбца. Управляющий сигнал строки именуется стробом адреса строки (RAS, Row Adress Strobe). Для указания адреса ячейки следует задать оба управляющих сигнала. В процессе записи конденсатор готов принять в себя заряд. В процессе чтения усилитель считывания (sense-amplifier) определяет уровень заряда конденсатора. Если он выше 50 %, бит читается, как «1»; в остальных случаях, как «0».

Осуществляется также обновление заряда ячеек. За порядком обновления следит счетчик. Время, которое требуется на все эти операции, измеряется в наносекундах (миллиардных долях секунды). Если чип памяти 70-наносекундный, это значит, полное чтение и перезарядка всех его ячеек займет 70 наносекунд.

Сами по себе ячейки были бы бесполезны, если бы не существовало способа записать в них информацию и считать ее оттуда. Соответственно, помимо самих ячеек, чип памяти содержит целый набор дополнительных микросхем. Эти микросхемы выполняют следующие функции:

• Идентификации строк и столбцов (выбор адреса строки и адреса ячейки)
• Отслеживание порядка обновления (счетчик)
• Чтение и возобновление сигнала ячейки (усилитель)
• Донесение до ячейки сведений о том, следует ли ей удерживать заряд или нет (активация записи)

У контроллера памяти есть и другие функции. Он выполняет набор обслуживающих задач, среди которых следует отметить идентификацию типа, скорости и объема памяти, а также проверку ее на ошибки.

Статическая оперативная память

Статическая оперативная память быстрее, но и стоит дороже. По этой причине статическая память используется в кэше центрального процессора, а динамическая в качестве системной оперативной памяти компьютера. Более подробно о статической памяти написано в разделе «Кэш-память и регистр процессора» материала, посвященного преодолению ограничений компьютерной памяти.

В современном мире чипы памяти комплектуются в компонент, именуемый модулем. Порой компьютерные специалисты называют его «планкой памяти». Один модуль или «планка» содержит несколько чипов памяти. Не исключено, что вам приходилось слышать такие определения, как «память 8×32» или «память 4×16». Разумеется, цифры могли быть иными. В этой простой формуле первым множителем является количество чипов в модуле, а вторым емкость каждого модуля. Только не в мегабайтах, а в мегабитах. Это значит, что результат действия умножения следует разделить на восемь, чтобы получить объем модуля в привычных нам мегабайтах.

К примеру: 4×32 означает, что модуль содержит четыре 32-мегабитных чипа. Умножив 4 на 32, получаем 128 мегабит. Поскольку нам известно, что в одном байте восемь бит, нам нужно разделить 128 на 8. В итоге узнаем, что «модуль 4×32» является 16-мегабайтным и устарел еще в конце минувшего века, что не мешает ему быть превосходным простым примером для тех вычислений, которые нам потребовались.

Тема оперативной памяти настолько обширна, что мы вернемся к ней еще. Нам предстоит узнать о том, какие бывают типы оперативной памяти и как устроен ее модуль. Продолжение следует…

Оперативная память: принципы устройства и работы

Егор Морозов | 4 Декабря, 2017 — 13:44

Одной из первых моих статей на этом сайте был гайд по выбору ОЗУ (почитать его можно тут). Он в основном практический: что выбрать, что можно ставить и что нельзя, ну и различные полезности. Однако он не затронул, пожалуй, самую интересную часть — а как память вообще работает, и как ее тонко настроить (и разогнать). Если посмотреть, то по количеству параметров ОЗУ является чуть ли не самым сложным элементом ПК: посудите сами, для процессора вы в лучшем случае можете менять частоту тактового генератора (FSB, да и к тому же она уже лет 15 как 100 МГц и редко кто ее трогает), множитель (его как раз и меняют) и напряжение (ибо для работы на более высоких или низких частотах всегда можно подкорректировать напряжение для стабильности работы и, в некоторых случаях, меньшего энергопотребления), ну и количество рабочих ядер (хотя мало кто будет их трогать — разве что многопоточность отключают, ибо в некоторых задачах она может дать отрицательный прирост). Все остальные параметры уже индивидуальны и есть не у всех процессоров, так что зачастую их и не трогают. Что касается видеокарт, то тут параметров еще меньше — всего-то частоты GPU, памяти и напряжение GPU. Но если мы посмотрим на ОЗУ, то увидим море важных параметров: задержки, частоты, транзакции в секунду и т.д. — давайте разберемся, что это и как связано с производительностью и стабильностью работы памяти.

Технические характеристики памяти

Для начала нужно понять, что означают те или иные циферки и буковки в спецификациях памяти. Посмотреть их можно или на самой памяти, или на ее коробке, или в специальных программах типа AIDA64. Я разберу на примере своей памяти, но у вас будут схожие данные. Итак, вот скриншот из AIDA64:

Что мы видим про память? То, что она Dual Channel DDR4-3200 SDRAM (16-18-18-36-CR2). Если погуглить маркировку самих чипов, то можно узнать еще немного информации — PC4-17000 1.2 В. Пойдем по порядку. Что означает Dual Channel (у вас может быть и Single, и Triple, и Quad — хотя если у вас последнее, то вы, скорее всего, знаете, что это)? Это означает, что память работает в двухканальном режиме (или одноканальном, или в трехканальном, четырехканальном и т.д.). Если у вас стоит одна планка памяти, то она будет работать в одноканальном режиме — то есть характеристики чтения и записи будут приблизительно такими же, которые указаны на ней (на деле все зависит от контроллера памяти, и на практике значения могут быть на 10-15% ниже). Если у вас стоит две и больше планок с одинаковыми характеристиками, то они могут работать вместе: в таком случае объем увеличивается пропорционально числу модулей, и скорость также растет почти линейно. Поэтому если у вас одноканальная память и интегрированная графика, которая использует ОЗУ как видеопамять, и если вы на ПК занимаетесь чем-то серьезнее просмотра фильмов и сидения в интернете — в первую очередь нужно купить еще одну планку ОЗУ и сделать двухканальный режим (как это делается — написано в практической статье), ибо вы тем самым фактически удваиваете производительность ОЗУ (ну а двухканальные контроллеры памяти имеют 90% современных процессоров).

Идем дальше — сочетание букв DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных). Здесь нам интересна только концовка — «и удвоенной скоростью передачи данных». Смысл тут в том, что в старом типе памяти SDRAM данные считывались только при переходе из стостояния «0» в состояние «1» (по фронту сигнала). В DDR же решили считывать данные и при переходе из состояния «1» в состояние «0» (по спаду сигнала), то есть реальная частота памяти удвоилась. Однако с аппаратной точки зрения частота памяти остается той же, поэтому, например, в том же CPU-Z частота памяти будет вдвое ниже, чем в диспетчере задач:

Как я уже объяснил выше — пугаться этого не стоит, это особенность DDR.

Далее — что означает четверка в DDR4? В общем-то только одно — что это 4ое поколение памяти DDR. Отличия между всеми типами можно посмотреть на Вики, не вижу особого смысла это переписывать, но скажу, что основной прирост идет за счет роста частоты памяти.

Теперь посмотрим всю конструкцию — DDR4-3200. Очень многие после 3200 подписывают МГц — в общем-то, это не совсем правильно. На самом деле тут имеется ввиду МТ/с, или мегатранзакции в секунду. Что это за величина? Это величина, которая показывает, сколько операций в секунду может совершаться с памятью. С учетом того, что ширина шины DDR4 составляет 64 бита (или 8 байт), можно получить ее скорость в МБ/с — для этого нужно 3200 МТ/с * 8 Б = 25600 МБ/с. И тут следует сказать, что эта цифра зачастую уже пишется на самой памяти — в моем случае это PC4-17000. Вы скажете — 17000 не равно 25600. Все верно, в моем случае память разогнана, если взять ее реальную скорость в 2133 МТ/с то мы как раз получим 17000 МБ/с. Ну а PC4 в данном случае — эквивалент DDR4. То есть, как вы видите, DDR4-2133 и PC4-17000 — эквивалентные записи, поэтому для понимания того, какая у вас память, достаточно знать только одну из них.

Теперь идет конструкция 16-18-18-36-CR2. Для объяснения этих цифр нужно посмотреть, что же из себя представляет современная DDR-память. По сути она — набор ячеек, хранящих информацию. Каждая ячейка имеет внутри себя транзисторы и конденсаторы, и располагается она в двумерном массиве вместе с другими ячейками. Ну а принцип действия прост: конденсаторы заряжаются при записи в ячейку единичного бита и разряжаются при записи нулевого бита. Отсюда, кстати, возникает проблема — дабы избежать разрядки конденсаторов и потери информации, их нужно постоянно заряжать — именно поэтому при отключении питания ПК вся информация из ОЗУ стирается.

Основная проблема при работе с ОЗУ — это задержки (latency) при доступе к ячейкам памяти. Логично, что чем меньше задержка — тем быстрее будет идти чтение/запись — тем меньше будет простаивать процессор в ожидании ответа от ОЗУ — тем быстрее будет быстродействие. Посмотрим, какие бывают задержки и за что они отвечают.

Разумеется, каждая ячейка имеет свой «адрес»: грубо говоря, это ее номер в строке и столбце таких же ячеек в двухмерном массиве. В свою очередь, некоторое количество ячеек объединяется вместе для более быстрого доступа к ним — такая группа называется банком. Теперь посмотрим, что происходит, когда контроллер памяти хочет что-то записать в определенную ячейку. Для начала он обращается в банку с адресом строки — этот сигнал называется RAS (Row Address Strobe). Соответственно, время обращения (задержка) называется RAS Latency — но этот параметр малоинформативен и очень редко пишется. Зато важен параметр RAS to CAS Delay — это процесс поиска нужной строки в банке памяти. Вот этот параметр уже нужен, и его задержка пишется второй — то есть в моем случае он составляет 18 тактов (один такт — это одна отправка данных по шине памяти). Великолепно, всего за 18 тактов мы нашли нужную строку. Но ведь нужен еще и столбец — за него отвечает еще один сигнал, CAS, и его задержка пишется первой — в моем случае это 16 тактов. Казалось бы — все, мы получили точное расположение нашей ячейки, зачем еще две цифры?

Не все так просто — зачастую бывает, что контроллеру нужно обратиться к другой ячейке этой же строки. Но для этого он должен сначала закрыть предыдущую сессию запроса (нельзя одновременно обращаться к различным ячейкам одной строки) — а на это опять же уходит время, и эта задержка называется RAS Precharge — она указывает на время закрытия и повторной активации строки. Ее пишут третьей, в моем случае это опять же 18 тактов. Последний параметр — Cycle Time — отвечает за время, необходимое для полного открытия и закрытия всего банка, иными словами — это быстродействие всей памяти. Он пишется четвертым, и у меня он 36 тактов.

Остался последний параметр — CR (Command Rate), он может быть 1 или 2. Отвечает этот параметр за время, которое должно пройти между активацией памяти и ее способности к работе — это 1 или 2 такта. Разумеется, 1 такт лучше, но тут уж как повезет с памятью.

Разумеется, такой параметр как такт не очень нагляден — интереснее узнать результат в наносекундах. Для этого узнаем, сколько времени занимает один такт — это 1 / 1200 МГц = 0.83 нс (берем, разумеется, реальную частоту памяти). Cycle Time у памяти 36 тактов, то есть задержка получается 0.83 нс * 36 = 30 нс. Тогда почему AIDA64 показывает результат около 48 нс? Все просто — сам процессор хоть и небольшой, но из-за крайне малых промежутков времени (миллиардные доли секунды) приходится учитывать время на проход сигнала внутри него, что и добавляет дополнительные 18 нс.

Вот в общем-то и все, теперь Dual Channel DDR4-3200 SDRAM (16-18-18-36-CR2) для вас не просто куча символов, а вполне осмысленный набор параметров, который позволяет достаточно точно понять, что за ОЗУ перед вами.

У внимательного читателя мог возникнуть вопрос — а что же важнее, более высокая частота памяти или более низкие тайминги (задержки)? Ведь, с одной стороны, чем выше частота — тем быстрее производительность памяти и системы в целом. С другой стороны, чем ниже тайминги — тем быстрее будет происходить обращение к памяти и меньше будет простаивать CPU, то есть — тем быстрее будет работать ПК. С учетом того, что чем выше частота — тем выше тайминги, тут нужно соблюсти баланс. Увы — у каждого он свой, так что разгон памяти — достаточно кропотливое занятие по выставлению различных таймингов, напряжений и частот, и тесты скорости работы ОЗУ в системе. Разумеется, далеко не все хотят заниматься перебором, поэтому в продаже есть память с поддержкой профилей DOCP и XMP. Это — уже зашитые в память профили авторазгона, где прописаны напряжения, частоты и тайминги, на которых память гарантированно заработает — вам лишь нужно выбрать нужный профиль в UEFI. Плюсы такого метода очевидны — вы получаете разгон в один клик. Минусы тоже — во-первых, такая память стоит дороже, причем чем выше гарантированная частота — чем больше цена. Во-вторых, профили не идеальны, и зачастую можно выжать еще 5-10% производительности, но опять же — ковыряясь в таймингах.

Ну и самый последний ожидаемый вопрос — а стоит ли вообще разгонять ОЗУ? Все зависит от ваших задач и процессоров: к примеру, в 6 и 8-ядерных AMD Ryzen частота шины, связывающей два процессорных кристалла, напрямую зависит от частоты ОЗУ, так что там ее разгон как говорится «маст хэв». В играх особого прироста производительности от разгона памяти стоит ждать лишь в топовых системах, и то это будет разница между 110 и 120 fps — с одной стороны, приятный бонус, с другой — разница-то все равно не заметна на глаз. Ну а лучше всего заметен разгон в задачах, тесно связанных с ОЗУ — к примеру, архивацией, где у процессоров зачастую не хватает кэша, и они вынуждены часто обращаться к памяти.