Ускорение работы памяти

Современная динамическая память (DRAM) устроена предельно просто: это массив конденсаторов, подсоединенных к входам/выходам через зарядно-разрядные шины. Это единственный известный в настоящее время способ реализации недорогой массовой памяти. Статическая память, в которой информация хранится в ячейках наподобие триггеров, требует шести транзисторов на ячейку, то есть микросхема емкостью 4 Мбит состояла бы из более чем 24 млн. транзисторов и потребляла бы соответствующую мощность. Поэтому статическая память используется только для кэширования.

Одной из причин того, что память — устройство довольно медленное, является способ подачи на нее адреса. Фактически адрес подается в два приема: одна половинка, сопровождаемая сигналом RAS (Row Address Select, выбор строки), и затем вторая, сопровождаемая сигналом CAS (Column Address Select, выбор колонки). Это сделано для того, чтобы снизить количество выводов микросхем (иначе микросхеме памяти в 4 Мбит потребовалось бы 22 вывода только для адресации). Время, которое проходит от момента подачи сигнала RAS до момента, когда данные появляются на выходе (или записываются на кристалл), называется полным временем доступа. Время, которое проходит от момента подачи сигнала CAS до появления или записи данных, называется временем доступа в страничном режиме.

Повысить быстродействие DRAM не представляется возможным потому, что она, в отличие, скажем, от процессора, фактически является просто массивом конденсаторов, где информация хранится в виде наличия или отсутствия заряда на них. Повышение скорости требует либо снижения емкости, что приведет к быстрому разряду за счет токов утечки, либо повышения тока, что неприемлемо по соображениям энергопотребления. Дополнительную путаницу вносит необходимость регенерации памяти, то есть перебора всех возможных адресов RAS. Эту процедуру следует проводить из-за саморазряда конденсаторов, имеющих собственную емкость в десятые и сотые доли пикофарады. В IBM PC для этого был предназначен один из каналов прямого доступа. Позже появились микросхемы памяти с автоматической регенерацией, то есть проблема была попросту спрятана. Некоторого увеличения быстродействия удалось добиться путем введения буферных усилителей (precharge), которые при подаче сигнала RAS считывают все содержимое строки. При этом по сигналу CAS считывается и передается на выход сигнал с единственного усилителя, что при работе в страничном режиме, то есть в пределах одной строки, снижает время доступа до теоретического минимума.

Дальнейший рост объемов памяти породил следующий стандарт — DIMM (Dual in Line Memory Module — модуль памяти с выводами, расположенными в два ряда.

Эти модули имеют два ряда контактов, расположенных по обе стороны печатной платы, и устанавливаются посредством вставки, а не наклоном. Каждый модуль обеспечивает 64-битный доступ, так что модули могут быть установлены по одному. Этот стандарт сегодня используется повсеместно.

Модули DIMM выпускаются в четырех вариантах: с напряжением питания 5 и 3,3 В, с буферизацией и без нее. Для того чтобы различать эти особенности, на модулях имеются специальные прорези, а в разъеме соответственно — выступы. Поэтому установить неподходящий модуль на плату скорее всего не удастся, но перед покупкой следует ознакомиться с инструкцией на материнскую плату.

Растущая тактовая частота процессоров потребовала перехода к большим тактовым частотам материнских плат к новым технологиям памяти. Одна из таких технологий — SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом). Любая операция, запись или чтение, требует определенного времени для завершения, в течение которого не может быть начата другая операция. Для большинства современных микросхем DRAM, включая SDRAM, это время находится в диапазоне 30-60 нс. За счет укороченных циклов чтения/записи, когда меняется только адрес внутри страницы, это время может быть сокращено приблизительно вдвое. Однако этого все равно недостаточно, поэтому при разработке SDRAM были предприняты следующие меры. Во-первых, за счет установки на модуле собственного генератора с фазовой автоподстройкой частоты работа памяти синхронизирована с тактовой частотой системы, чего не было в более ранних технологиях. Во-вторых, в пакетном режиме последовательные данные могут выдаваться без задержки вследствие того, что внутри модуль организован в виде двух банков: пока один выдает данные, другой находится в стадии подготовки. Все эти меры позволили получить время задержки 5-1-1-1 тактов.

При выборе модулей памяти, которые будут работать на высоких частотах (100 МГц и более), обратите внимание на указанное на чипах время доступа в наносекундах. Максимальная рабочая частота часто указывается косвенно, через быстродействие (10 нс, 8 нс). Предполагается, что быстродействие — это величина, обратная тактовой частоте, поэтому модуль, промаркированный как 10 нс, обязан работать при частоте 100 МГц. На самом же деле при столь строгом соответствии не остается никакого, даже минимального, запаса, поэтому лучше выбирать модуль, позволяющий работать на частоте чуть выше обозначенной. Например, чипы с маркировкой 10 нс (надпись на чипе обычно заканчивается на -10 или 10Х , где Х — какая-либо буква) будут заведомо плохо функционировать при частотах свыше 100 МГц. А модуль с доступом 8 нс (обозначение, как правило, заканчивается на 8 , -8 , -80 или -8Х, где Х — какая-либо буква) будет стабильно работать и на 100, и даже на 125 МГц, но для 133 МГц его запаса уже недостаточно, так что для этих частот предпочтительнее модули памяти с временем доступа 7,5 и 6 нс (будьте внимательны: модули, обозначение которых заканчивается на -7Х или 60, могут не иметь никакого отношения к сверхбыстрой памяти с временем доступа 7 или 6 нс, — чаще всего это просто старые выпуски памяти с доступом 10 нс!).