Память произвольного доступа (RAM) — это форма хранения компьютерных данных, в которой хранятся данные и машинный код , используемые в настоящее время. Устройство памяти с произвольным доступом позволяет считывать или записывать элементы данных почти в такое же количество времени, независимо от физического расположения данных внутри памяти. В отличие от других носителей данных прямого доступа, таких как жесткие диски , CD-RW , DVD-RW и старые магнитные ленты и память барабана , время, необходимое для чтения и записи элементов данных, значительно варьируется в зависимости от их физических местоположений на благодаря механическим ограничениям, таким как скорости вращения носителя и движение руки.
ОЗУ содержит схему мультиплексирования и демультиплексирования , для подключения линий данных к адресуемой памяти для чтения или записи записи. Обычно к одному и тому же адресу доступа обращается более одного бита памяти, а устройства ОЗУ часто имеют несколько линий передачи данных и считаются «8-разрядными» или «16-разрядными» и т. Д. Устройствами.
В современной технологии память с произвольным доступом принимает форму интегральных схем. ОЗУ обычно ассоциируется с энергозависимыми типами памяти (такими как модули DRAM ), где сохраненная информация теряется при отключении питания, хотя также была разработана энергонезависимая ОЗУ. Существуют другие типы энергонезависимых запоминающих устройств, которые допускают произвольный доступ для операций чтения, но либо не позволяют выполнять операции записи, либо имеют другие ограничения. К ним относятся большинство типов ПЗУ и тип флэш-памяти под названием NOR-Flash .
Интегральные микросхемы RAM появились на рынке в начале 1970-х годов, а первый коммерчески доступный чип DRAM — Intel 1103 , представленный в октябре 1970 года.
История создания
Ранние компьютеры использовали реле , механические счетчики или линии задержки для функций основной памяти. Ультразвуковые линии задержки могут воспроизводить только данные в том порядке, в котором они были записаны. Барабанная память может быть расширена с относительно низкой стоимостью, но для эффективного извлечения элементов памяти требуется знание физической компоновки барабана для оптимизации скорости. Защелки, построенные из триодов вакуумной трубки , а затем из дискретных транзисторов , использовались для небольших и более быстрых запоминающих устройств, таких как регистры. Такие регистры были относительно большими и слишком дорогостоящими для использования в больших объемах данных. Обычно может быть предоставлено всего несколько десятков или нескольких сотен бит такой памяти.
Первой практической формой памяти с произвольным доступом была трубка Вильямса, начиная с 1947 года. Она хранила данные в виде электрически заряженных пятен на лицевой трубке . Поскольку электронный пучок ЭЛТ мог считывать и записывать пятна на трубке в любом порядке, память была случайным доступом. Емкость трубки Williams составляла от нескольких сотен до тысячи бит, но она была намного меньше, быстрее и более энергоэффективной, чем использование отдельных защелок вакуумной трубки. Созданная в Манчестерском университете в Англии, трубка Уильямса обеспечила среду, на которой первая электронная книга была реализована на компьютере « Манчестер-Бэби» , который с успехом успешно реализовал программу 21 июня 1948 года. На самом деле, Тюменская память Williams была разработана для Baby, Baby был испытательным стендом, чтобы продемонстрировать надежность памяти.
Магнитная память была изобретена в 1947 году и развивалась до середины 1970-х годов. Он стал распространенной формой памяти с произвольным доступом, опираясь на массив намагниченных колец. Изменяя смысл намагничивания каждого кольца, данные могут храниться с одним битом, хранящимся на кольцо. Поскольку каждое кольцо имело комбинацию адресных проводов для выбора и чтения или записи, доступ к любой ячейке памяти в любой последовательности был возможен.
Магнитная память ядра была стандартной формой системы памяти до смещения твердотельной памяти в интегральных схемах, начиная с начала 1970-х годов. Динамическая память с произвольным доступом (DRAM) допускает замену схемы фиксации 4 или 6 транзисторов одним транзистором для каждого бита памяти, что значительно увеличивает плотность памяти за счет неустойчивости. Данные хранятся в крошечной емкости каждого транзистора и должны периодически обновляться каждые несколько миллисекунд до того, как заряд может просочиться. Электронный калькулятор Toshiba Toscal BC-1411, который был представлен в 1965 году, использовал форму DRAM, построенную из дискретных компонентов. Затем DRAM был разработан Робертом Х. Деннардом в 1968 году.
До разработки интегральных цепей постоянной памяти (ПЗУ) постоянная (или только для чтения ) память с произвольным доступом часто строилась с использованием диодных матриц, управляемых адресными декодерами или специально намотанными ядрами сердечника сердечника.
Типы памяти с произвольным доступом
Двумя широко используемыми формами современной ОЗУ являются статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM). В SRAM бит данных хранится с использованием состояния шести транзисторной ячейки памяти. Эта форма ОЗУ более дорога для производства, но, как правило, быстрее и требует меньшей динамической мощности, чем DRAM. В современных компьютерах SRAM часто используется в качестве кэш-памяти для CPU. DRAM хранит бит данных с использованием пары транзисторов и конденсаторов, которые вместе содержат ячейку DRAM. Конденсатор имеет высокий или низкий заряд (1 или 0 соответственно), а транзистор действует как переключатель, который позволяет схеме управления чипом считывать состояние заряда конденсатора или изменять его. Поскольку эта форма памяти дешевле в производстве, чем статическая ОЗУ, она является преобладающей формой компьютерной памяти, используемой в современных компьютерах.
Как статическая, так и динамическая ОЗУ считаются изменчивыми , поскольку их состояние теряется или восстанавливается, когда питание удаляется из системы. В отличие от этого, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) сохраняет данные путем постоянного включения или отключения выбранных транзисторов, так что память не может быть изменена. Записываемые варианты ПЗУ (например, EEPROM и флэш-память ) позволяют совместно использовать свойства как ПЗУ, так и ОЗУ, позволяя сохранять данные без питания и обновляться без необходимости специального оборудования. Эти постоянные формы полупроводникового ПЗУ включают флэш-накопители USB , карты памяти для камер и портативных устройств и твердотельные диски. Память ECC (которая может быть SRAM или DRAM) включает в себя специальные схемы для обнаружения и / или устранения случайных ошибок (ошибок памяти) в сохраненных данных, используя биты четности или коды коррекции ошибок .
В общем случае термин RAM относится только к твердотельным запоминающим устройствам (либо DRAM, либо SRAM), и, более конкретно, основной памяти на большинстве компьютеров. В оптическом запоминающем устройстве термин DVD-RAM является некорректным, поскольку, в отличие от CD-RW или DVD-RW, его не нужно удалять перед повторным использованием. Тем не менее, DVD-RAM ведет себя как жесткий диск, если несколько медленнее.
Ячейка памяти
Ячейка памяти является основным строительным блоком памяти компьютера. Ячейка памяти представляет собой электронную схему, в которой хранится один бит двоичной информации, и он должен быть установлен для хранения логики 1 (высокий уровень напряжения) и сброса для сохранения логического 0 (уровень низкого напряжения). Его значение сохраняется / сохраняется до тех пор, пока оно не будет изменено процессом установки / сброса. Его можно получить в ячейке памяти.
В SRAM ячейка памяти представляет собой тип триггерной схемы, обычно реализуемой с использованием полевых транзисторов. Это означает, что SRAM требует очень низкой мощности при отсутствии доступа, но это дорого и имеет низкую плотность хранения.
Второй тип, DRAM, основан на конденсаторе. Зарядка и разрядка этого конденсатора может хранить «1» или «0» в ячейке. Однако заряд в этом конденсаторе медленно течет и периодически обновляется. Из-за этого процесса обновления DRAM потребляет больше энергии, но может обеспечить большую плотность хранения и снизить удельные затраты по сравнению с SRAM.
Адресация
Чтобы быть полезными, ячейки памяти должны быть читаемыми и записываемыми. Внутри устройства ОЗУ схема мультиплексирования и демультиплексирования используется для выбора ячеек памяти. Как правило, ОЗУ имеет набор адресных строк A0 … An и для каждой комбинации битов, которые могут быть применены к этим линиям, активируется набор ячеек памяти. Из-за этой адресации операционные запоминающие устройства практически всегда имеют емкость памяти, равную двум.
Обычно несколько ячеек памяти имеют один и тот же адрес. Например, 4-битная «широкая» чип RAM имеет 4 ячейки памяти для каждого адреса. Часто ширина памяти и микропроцессора различна, для 32-разрядного микропроцессора потребуется восемь 4-битных чипов RAM.
Часто требуется больше адресов, чем может быть предоставлено устройством. В этом случае внешние мультиплексоры к устройству используются для активации правильного устройства, к которому обращаются.
Иерархия памяти
В ОЗУ можно читать и переписывать данные. Многие компьютерные системы имеют иерархию памяти, состоящую из регистров процессора , кэшей SRAM на выходе, внешних кэшей , DRAM , пейджинговых систем и виртуальной памяти или места подкачки на жестком диске. Весь этот пул памяти может быть назван «ОЗУ» многими разработчиками, хотя разные подсистемы могут иметь очень разные времена доступа , нарушая первоначальную концепцию, лежащую в основе случайного доступа в ОЗУ. Даже в пределах уровня иерархии, такого как DRAM, конкретная структура строк, столбцов, банков, рангов , каналов или чередования компонентов создает переменную времени доступа, хотя и не в той степени, в которой время доступа к вращающемуся носителю или ленте является переменной. Общая цель использования иерархии памяти заключается в получении максимально возможной средней производительности доступа и минимизации общей стоимости всей системы памяти (как правило, иерархия памяти следует за временем доступа с быстрыми регистрами процессора вверху и медленным жестким диском внизу).
Во многих современных персональных компьютерах операционная система поставляется в легко обновляемой форме модулей, называемых модулями памяти или модулями DRAM, размером с несколько палочек жевательной резинки. Они могут быть быстро заменены, если они будут повреждены или при изменении потребностей потребует большего объема памяти. Как было сказано выше, меньшие объемы ОЗУ (в основном SRAM) также интегрированы в CPU и другие ИС на материнской плате , а также на жестких дисках, компакт-дисках и нескольких других частях компьютерной системы.
Другие виды использования ОЗУ
Помимо использования в качестве временного хранилища и рабочего пространства для операционной системы и приложений, ОЗУ используется многими другими способами.
Виртуальная память
В большинстве современных операционных систем используется способ расширения емкости ОЗУ, называемый «виртуальной памятью». Часть жесткого диска компьютера выделена для файла подкачки или раздела с нуля , а комбинация физической памяти и файла подкачки формирует общую память системы. (Например, если на компьютере имеется 2 ГБ ОЗУ и файл с 1 ГБ, операционная система имеет 3 ГБ общей памяти, доступной для него.) Когда система работает на низкой физической памяти, она может « обменивать » части ОЗУ на файл подкачки, чтобы освободить место для новых данных, а также прочитать ранее замененную информацию обратно в ОЗУ. Чрезмерное использование этого механизма приводит к трещине и, как правило, препятствует общей производительности системы, главным образом потому, что жесткие диски намного медленнее, чем оперативная память.
RAM-диск
Программное обеспечение может «разделять» часть ОЗУ компьютера, что позволяет ему работать как более быстрый жесткий диск, который называется RAM-диском. RAM-диск теряет сохраненные данные, когда компьютер выключен, если память не оснащена резервным источником питания.
Скрытое ОЗУ
Иногда содержимое относительно медленного ROM-чипа копируется в память чтения / записи, что позволяет сократить время доступа. Микросхема ПЗУ затем отключается, когда инициализированные ячейки памяти включаются в один и тот же блок адресов (часто защищаются от записи). Этот процесс, иногда называемый затенением , довольно распространен как на компьютерах, так и на встроенных системах.
В качестве типичного примера BIOS на типичных персональных компьютерах часто имеет опцию «Использовать теневой BIOS» или аналогичную. Когда включено, функции, которые полагаются на данные из ПЗУ BIOS, вместо этого используют места DRAM (большинство из них также может переключать затенение ROM-карты видеокарты или других разделов ПЗУ). В зависимости от системы это может не привести к повышению производительности и может привести к несовместимости. Например, некоторые аппаратные средства могут быть недоступны для операционной системы, если используется теневое ОЗУ. В некоторых системах преимущество может быть гипотетическим, поскольку BIOS не используется после загрузки в пользу прямого доступа к аппаратным средствам. Свободная память уменьшается на размер затененных ПЗУ.
Последние разработки в области улучшения
В настоящее время разрабатывается несколько новых типов энергонезависимой ОЗУ , которые сохраняют данные при выключенном питании. Используемые технологии включают углеродные нанотрубки и подходы с использованием туннельного магнитосопротивления . Среди MRAM первого поколения чип 128 KiB ( 128 × 2 10 байтов) был выпущен с технологией 0,18 мкм летом 2003 года. В июне 2004 года Infineon Technologies представила 16 MiB (16 × 2 20 байтов) прототип снова основан на технологии 0,18 мкм. В настоящее время разрабатываются две технологии второго поколения: термообеспечение (TAS), которое разрабатывается Crocus Technology и вращающим моментом передачи (STT), на котором работают Crocus , Hynix , IBM и ряд других компаний, Нантеро построил в 2004 году прототип памяти для хранения нанотрубок с запасом 10 гигабайт (10 × 2 30 байт). Однако некоторые из этих технологий могут в конечном итоге получить значительную долю на рынке от технологии DRAM, SRAM или флэш-памяти чтобы увидеть.
С 2006 года стали доступны « твердотельные накопители » (на основе флэш-памяти) емкостью более 256 гигабайт и производительность, значительно превышающая традиционные диски. Эта разработка начала размывать определение между традиционной памятью с произвольным доступом и «дисками», что значительно снижает разницу в производительности.
Некоторые виды памяти с произвольным доступом, такие как «EcoRAM», специально разработаны для серверных ферм , где низкое энергопотребление является более важным, чем скорость.
Барьер памяти
«Барьер памяти» — это растущее несоответствие скорости между процессором и памятью за чипом ЦП. Важной причиной такого несоответствия является ограниченная полоса пропускания связи за пределами границ микросхемы, которая также упоминается как полоса пропускания. С 1986 по 2000 год скорость процессора повышалась с годовой скоростью 55%, а скорость памяти только улучшалась на 10%. Учитывая эти тенденции, ожидалось, что латентность памяти станет подавляющим узким местом в производительности компьютера.
Улучшения в скорости ЦП значительно замедлились частично из-за серьезных физических барьеров, и отчасти потому, что текущие проекты ЦП уже в какой-то мере уже попали в стену памяти. Intel обобщила эти причины в документе 2005 года.
«Прежде всего, по мере уменьшения размеров кристаллов и увеличения тактовых частот, ток утечки транзистора увеличивается, что приводит к избыточному потреблению энергии и нагреву. Во-вторых, преимущества более высоких тактовых частот частично отменяются латентностью памяти, поскольку время доступа к памяти не смогли идти в ногу с увеличением тактовых частот. В-третьих, для некоторых приложений традиционные последовательные архитектуры становятся менее эффективными, так как процессоры становятся быстрее (из-за так называемого узкого места Von Neumann ), что еще больше подрывает любые выигрыши, которые могут увеличить частоту. Кроме того, частично из-за ограничений в способах индукции в твердотельных устройствах задержки сопротивления-емкости (RC) при передаче сигнала растут по мере уменьшения размеров элементов, наложение дополнительного узкого места, которое увеличивает частоту, не адресуется ».
Задержки RC в передаче сигналов были также отмечены в тактовой частоте по сравнению с IPC: «Конец дороги для обычных микроархитектур» , которая прогнозирует максимальное улучшение производительности центрального процессора на 12,5% в период с 2000 по 2014 год.
Другой концепцией является разрыв производительности процессора и памяти, который может быть устранен с помощью трехмерных интегральных схем, которые уменьшают расстояние между аспектами логики и памяти, которые еще больше обособлены в двумерном чипе. Дизайн подсистемы памяти требует сосредоточиться на пробеле, который со временем расширяется. Основным методом преодоления разрыва является использование кешей небольшое количество высокоскоростной памяти, в которой хранятся недавние операции и инструкции рядом с процессором, ускоряя выполнение этих операций или инструкций в случаях, когда они часто вызываются. Было разработано несколько уровней кэширования для решения расширяющегося разрыва, а производительность высокоскоростных современных компьютеров основывается на эволюционирующих методах кэширования. Они могут предотвратить потерю производительности процессора, поскольку для выполнения вычислений, которые были инициированы для завершения, требуется меньше времени. Там может быть разница в 53% между ростом скорости процессора и скоростью отставания в основной памяти.
Напротив, оперативная память может быть как 5766 МБ / с против 477 МБ / с для SSD .