для чего в контроллерах мд используют свой процессор и память

Что такое IMC (контроллер памяти) процессора

IMC на самом деле является одной из тех частей процессора, которые обычно не принимаются во внимание, и это то, что мы склонны смотреть только на ядра, скорость и, самое большее, на кеш-память, которую они имеют. Но это внутренний компонент процессоров, который чрезвычайно важен, и тогда вы поймете, почему.

Что такое ИМТ процессора

Как работает контроллер памяти?

Контроллеры памяти содержат логику, необходимую для чтения и записи в ОЗУ и «обновления» DRAM. Без этих постоянных «обновлений» DRAM потерял бы содержащиеся в нем данные, так как содержащиеся в них конденсаторы теряют заряд за доли секунды (не более 64 миллисекунды в соответствии со спецификацией JEDEC ).

Чтение и запись в ОЗУ осуществляется путем выбора адресов данных строки и столбца DRAM в качестве входов для схемы мультиплексора, где демультиплексор в DRAM использует преобразованные входы для выбора правильного расположения в памяти и возврата данных, которые возвращаются обратно через мультиплексор для консолидации с целью уменьшения ширины шины, необходимой для работы.

ширина шины памяти представляет количество параллельных линий, доступных для связи с ячейкой памяти. Ширина шины контроллеров памяти варьируется от 8 бит в старых системах до 512 бит в более современных видеокартах и ​​системах (как правило, реализуются в виде четырех одновременных 64-битных контроллеров памяти, которые работают параллельно, хотя некоторые предназначены для работы в «групповом режиме» где два 64-битных контроллера памяти могут использоваться для доступа к 128-битному устройству памяти).

Некоторые контроллеры памяти также имеют свою собственную систему исправления ошибок, которая может быть дополнена той, которая включает в себя множество модулей памяти ОЗУ (что хорошо, потому что в некоторых случаях она освобождает их, а в других удваивает коррекцию ошибок размера).

Варианты существующего ИМТ

Конечно, вы заметили, что спецификации процессоров почти всегда включают определение типа и скорости ОЗУ, с которым они совместимы, точно в зависимости от ИМТ, который они включают. Поэтому существуют разные варианты контроллера памяти, и некоторые из них вы обязательно узнаете сразу.

С другой стороны, у нас есть контроллеры с именем FBM ( Полностью буферизованная память ) поведение которого отличается от предыдущего тем, что в каждом модуле памяти находится буферное устройство (называемое FB-DIMM ), который использует последовательный канал передачи данных к контроллеру (вместо параллельного), уменьшая количество рельсов, необходимых для связи, за счет увеличения задержки.

Наконец, мы имеем Флэш-память контроллеры, используемые такими устройствами, как флеш-накопители или твердотельные накопители. Флэш-память по своей природе медленнее, чем DRAM, и, как правило, становится непригодной для использования после ряда циклов записи, но ей все равно нужен собственный контроллер памяти для связи с остальной системой.

Источник

Особенности контроллера памяти в процессорах для LGA1366

C момента появления процессоров на ядре Nehalem, одним из их преимуществ все считали интегрированный трехканальный контроллер памяти. Не просто интегрированный контроллер памяти (ИКП сокращенно), а именно трехканальный. Понятно, чем это «круто» — все-таки одноканальные и двухканальные контроллеры памяти у AMD были еще за пять лет до этого, так что дополнительный канал, да еще и наиболее скоростной на данный момент памяти типа DDR3, выглядел весьма серьезным преимуществом. По мнению многих пользователей, также и одним основных факторов, которым процессоры линейки Core i7 обязаны своей высокой производительностью. Стоит заметить, что сама компания Intel это мнение никак не опровергала, за что и немного поплатилась — по-настоящему массовые процессоры архитектуры Nehalem, которые будут выпущены в начале осени, рассчитаны на конструктив LGA1156, предполагающий использование лишь двух каналов памяти. Казалось бы, серьезный недостаток новых моделей, который неспособен будет позволить им конкурировать со старшими братьями. Но так ли это?

Конфигурация тестовых стендов

Все тестирование проводилось с использованием процессора Core i7 920, материнской платы Intel DX58SO («Smackover») и референс-видеокарты на базе NVIDIA GeForce GTX 275 — словом, как все положено, согласно версии 4.0 нашей методики тестирования. Различалась только память. В дополнение к обычно используемому нами комплекту Kingston KVR1333D3N9K3/6G, мы взяли еще и кит от Apacer, имеющий вдвое меньший объем. Все модули поддерживают работу на более высоких частотах, нежели официальные для Core i7 920 1066 МГц, но мы тестировали их именно на этой частоте по схеме 8-8-8-19.

Получилось четырех конфигурации, представленные в таблице:

Почему именно они? Две трехканальных нам нужны, чтобы четко понять — что важно в каком-то приложении: трехканальность или суммарный объем? Это будет хорошо видно по результатам: если и 3×2, и 3×1 в победителях, значит, польза от трех каналов есть, если только первый, значит, приложению просто нужно много памяти (точнее, оно способно ее использовать). Без 3×1 к однозначному ответу прийти было бы сложно. Полезность участия в тестах 2×2 очевидна — именно таким образом комплектуются современные системы на Core 2 и процессорах AMD, и именно он на некоторое время станет весьма массовым для систем на LGA1156 (конечно, можно было бы протестировать память и в конфигурации 2×1, но это уже с точки зрения систем, не относящихся к бюджетному сектору, совсем не интересно). 1×4 выглядит крайне синтетичным, поскольку вряд ли кто-то, имея два модуля памяти по 2 ГБ, будет их устанавливать в один канал, «презрев» остальные, однако… Он нам нужен для повышения общей образованности. Да и модули DDR3, емкостью 4 ГБ, уже появились. К сожалению, пока это экзотика, даже до наших рук не добравшаяся (иначе бы в списке тестируемых обязательно был бы и вариант 2×4), однако массовое распространение на рынке, как таких модулей, так и китов на их основе лишь вопрос времени.

Подробные результаты всех подтестов, как обычно, представлены в таблице, в формате Excel. Заметим, что в сегодняшнем тестировании они будут иногда даже более интересными, чем общие усредненные показатели по группам, так что тем, кому интересна детальная информация, не стоит отказывать себе в удовольствии с ними познакомиться.

Пристрелка

Но для начала мы решили проверить производительность каждого из вариантов в синтетическом приложении, в роли которого сегодня выступал Everest 4.6 (да, это далеко не последняя версия популярного тестового пакета, однако и «реальный» софт обновляется далеко не мгновенно, так что эти результаты нам весьма интересны даже если предположить слабую оптимизированность 4.6 под Nehalem).

И первые же результаты несколько обескураживают — как мы видим, никакого видимого прироста от задействования третьего канала ИКП нет. Более того — три модуля от Apacer справляются с этой задачей медленнее, чем два от Kingston. В то же время одноканальный режим — явный аутсайдер. Теоретическая ПСП DDR3 1066 составляет 8528 МБ/с, во что мы и уперлись — это понятно. Но добавление еще одного канала увеличивает скорость чтения далеко не в два, а менее чем в полтора раза, а третий вообще ничего не дает.

Со скоростью записи все еще веселее — одноканальный режим честно уперся в теоретическую ПСП, а увеличение количества каналов дало лишь менее 20% во всех случаях.

И, наконец, задержки доступа. Очевидный лидер здесь — двухканальный режим (напомним, что на этой диаграмме чем меньше цифры, тем лучше), хотя и одноканальный доступ дело не сильно ухудшает, но в трехканальном режиме задержки сравнительно сильно возрастают: на четверть.

Уже можно делать определенные выводы. Как мы помним из поведения других архитектур с ИКП (AMD K8/K10), они наиболее восприимчивы именно к задержкам при доступе к памяти, что очень заметно в реальных приложениях. Вряд ли Nehalem будет вести себя строго наоборот. Причем все это на фоне одинаковых скоростей чтения и записи, то есть двухканальный режим должен стать лидером. Одноканальный — уже не факт, что будет слишком быстрым: задержки меньше, но и ПСП гораздо ниже, а это не может не сказаться. Насколько сильно — мы и проверим. И попутно посмотрим, как разные приложения относятся к разному полному объему памяти: синтетические бенчмарки никакой информации по этому поводу дать не могут.

3D-визуализация

В аутсайдерах оказались обе трехканальных конфигурации, из чего можно сделать вывод, что главное для этой группы приложений — задержки доступа. Но эти два варианта ведут себя по-разному, а изучение подробных результатов тестов показывает достаточно пеструю картину, из чего можно сделать вывод, что некоторым приложениям уже недостаточно не только трех, но и четырех гигабайт памяти.

Рендеринг трёхмерных сцен

Рендеринг вообще мало восприимчив к характеристикам системы памяти, что можно было предполагать и изначально — здесь главное именно «числодробительные» способности вычислительных ядер и их количество (да и «виртуальные» потоки вычисления тоже воспринимаются положительно). Причем и к объему памяти требований особых нет — лишь бы ее хватало для просчитываемой сцены и накладных расходов. Для наших тестов вполне достаточно 3 ГБ, что и демонстрирует нам диаграмма выше.

Научные и инженерные расчёты

А в этой группе появляется еще один класс приложений, в дополнение к тем, кому нужно как можно больше памяти и кому объем не важен — те, кто начинает в зависимости от увеличения ОЗУ работать медленнее. На первый взгляд, ситуация необъяснимая — если скорость падает от нехватки памяти, это понять легко, но избыток просто никто не должен «заметить». С другой стороны — а почему не должен? Эффективность кэширования вполне может зависеть от объема ОЗУ и даже должна от него зависеть. Если конкретное приложение использует лишь небольшой объем памяти, причем постоянный, ему будет «доставаться» разный объем кэш-памяти процессора. Например, при шести установленных гигабайтах лишь половина из 8 МБ кэша L3 будет отведена для данных программы «переднего плана» (не забываем, что в оставшейся памяти тоже может кто-то «жить», пусть и не очень активно, но на кэш при этом претендовать), а при трех их обслуживанием будут заниматься уже 2/3 от 8 МБ. Любопытный эффект, конечно, жаль только несколько в стороне от основной темы нашего исследования лежащий. С ней все, как обычно — в среднем, самым быстрым оказывается двухканальный режим, а из двух вариантов трехканального, несмотря на наличие упомянутых выше приложений-ренегатов, производительнее тот, где суммарный объем памяти выше.

Растровая графика

Вывод? Несмотря на то, что большинство обзоров в сети, где сравниваются процессоры разных архитектур в этом приложении (в меньшинстве обзоров теста по Photoshop просто нет, так что можно даже сказать, что во всех статьях такого рода), утверждается, что Core i7 просто идеальный процессор для Photoshop, как мы видим, ничего особо выдающегося в нем нет. Идеальным тут является не архитектура ядра, а количество памяти. При 6 ГБ Core i7 920 вдвое обгоняет Core 2 Quad Q9300, обеспеченный всего 4 ГБ. Именно такие сравнения в большинстве статей и встречаются (в том числе и на нашем сайте, но и прочие ресурсы ведут себя аналогично): 3х2 для процессоров под LGA1366 и 2х2 для Core2, AMD Phenom и т.п. Но если мы ограничим первый из процессоров теми же 4 ГБ (причем неважно, каким образом набранными), то выясняется… что отличие от Core 2 Quad вполне укладывается в допустимое, с точки зрения разницы в тактовой частоте. А если мы «отберем» у Core i7 еще всего один гигабайт памяти (казалось бы — 3 или 4: невелика разница), то результат ухудшится еще вдвое! Это наиболее показательный пример, однако и другие подтесты ведут себя сходным образом, хоть микроскопическую, но разницу находят всегда. И ничего не поделаешь — Photoshop действительно память «любит», причем чем больше «весят» обрабатываемые в нем файлы, тем больше «любит», а все утилиты тестирования производительности в данном приложении (а не только наши самописные тесты), естественно, оперируют именно большими файлами.

Впрочем, нельзя сказать, что в высоких результатах совсем нет заслуги самого Core i7, а только преференции от большого количества памяти. Трехканальный ИКП как раз и позволяет установить больше памяти при прочих равных условиях. Но об этом подробно мы поговорим чуть позже.

Сжатие данных

Программы-архиваторы не умеют использовать слишком большой объем памяти, поэтому им он просто вредит — к доступной емкости кэш-памяти они очень восприимчивы. К задержкам основного ОЗУ еще более восприимчивы, поэтому и имеем такую картину — самой медленной конфигурацией является 3х2, а выйти на первое место 3х1 мешает латентность.

Компиляция (VC++)

Компилируемый нами проект большого количества памяти не требует, так что важны задержки, а также немного скорости чтения и записи. Поэтому двухканальный режим доступа к памяти здесь оказался лучшим, но одноканальный лишь чуть-чуть выиграл у трехканальных — латентность ниже, но и прочие параметры тоже.

Тест Java-машины оказался очень восприимчив к скорости чтения из памяти, но и ее общий объем ему достаточно важен. Именно такую картину можно было бы ожидать везде, если бы верны были наивные предположения о том, что трехканальный доступ к памяти является залогом высокой производительности, но памяти при этом много не бывает. Жаль только, что среди протестированных приложений эти мечты подтверждены буквально пару-тройку раз. Но, как раз, пример, когда подтверждены.

Кодирование аудио

Прекрасная задача — требования к системе памяти, можно сказать, отсутствуют. При рендеринге они тоже почти отсутствовали, а здесь — совсем отсутствуют. Идеальный бенчмарк процессоров, правда, отвратительный для тестирования системы в целом.

Кодирование видео

А вот тут все почти так, как должно быть в «наивной теории». Портит картинку только недостаточно заметный проигрыш двухканального режима. Точнее, будет сказать, почти незаметный. Да и тому, что он вообще есть, мы обязаны ровно одному приложению — DivX. Пример хорошей оптимизации под все особенности сегодняшние Core i7. Как он поведет себя на «завтрашних» будем проверять уже менее чем через месяц.

Игровое 3D

Очень, очень спокойная немного непонятная общая картина. Однако под внешним спокойствием в детальных результатах таится настоящая буря. Пристрастия игр сильно разделились, а у каких как — оставим в качестве задачи для самостоятельного изучения. Главный вывод — для игр (именно как множества, а не для одной конкретной игры) вопрос конфигурации памяти не является каким-то важным. В общем-то, решать его даже менее необходимо, чем вопрос выбора центрального процессора (разумеется, если речь не идет о совсем уж бюджетном секторе, типа Core 2 Duo или вообще Pentium/Celeron). Главным же вопросом, стоящим перед «хардкорным» геймером сегодня, будет: «Потяну на multi-GPU или придется свои желания как-то ограничивать?»

А зачем вообще нужен трехканальный ИКП?

Как мы видим, большой пользы от задействования третьего канала контроллера памяти в Core i7 LGA1366 нет. Канал — есть, использовать — можно, но результаты далеко не всегда улучшаются. Чаще даже, наоборот, ухудшаются. Так зачем компания Intel делала ИКП именно трехканальным? Из желания поиграть мускулами (у конкурента два, а мы все три сделаем)? Возможно, такой соблазн тоже был, но вряд ли — все-таки три канала даются достаточно высокой ценой. Причем в прямо смысле: разводка плат становится очень сложной, а сложно — значит дорого. Процессоры можно делать и недорогими (и использованный нами сегодня Core i7 920 тому яркий пример — его розничная цена как Core 2 Quad Q9650), но сама платформа оказывается дороговатой. Причем без особой пользы — для большинства «типично пользовательских» приложений сейчас легко можно ограничиться двумя модулями по 2 ГБ и не волноваться (особенно если учесть процент до сих пор использующих 32-х разрядные операционные системы, где больший объем ОЗУ просто не будет использоваться). Как было сказано в хорошем анекдоте про верблюжонка и его маму: «А зачем нам эти навороты, если мы все равно живем в зоопарке?»

В том-то и дело, что нынешние Core i7, по сути, в зоопарке и живут. Наилучшим образом под него будут приспособлены «настоящие» настольные модели, рассчитанные под исполнение LGA1156, главным (да и вообще — единственным) отличием которого от LGA1366 является поддержка «всего-навсего» двухканального режима памяти. А LGA1366 — платформа изначально серверная. В серверах нужно много памяти. Ни 4, ни 8 и даже ни 12 ГБ, а действительно много. Там и полсотни гигабайт легко могут оказаться востребованными, а то и недостаточными. Как же можно установить больше памяти в одну систему? Общий объем равен произведению количества модулей на их объем. Стало быть, нужно увеличивать либо количество, либо емкость каждого модуля. Второе — сложно и от производителей процессоров/чипсетов, вообще говоря, не зависит. Более того — освоение индустрией более «плотных» микросхем памяти благотворно сказывается на всех производителях серверных платформ одновременно, так что не может стать конкурентным преимуществом.

Значит, надо увеличивать количество поддерживаемых модулей. А оно равно (в общем случае) количеству контроллеров памяти, умноженных на количество поддерживаемых каждым модулей. Последнее — произведение числа поддерживаемых каналов на число одновременно работающих на каждом канале модулей. Увеличивать последнее — очень сложная задача, поскольку одновременно нужно и скоростные характеристики не ухудшать, как минимум. Эта проблема даже в настольных системах проявляется, где больше двух-трех модулей на канал не используется. Например, может быть так: один модуль — DDR3 1333, два — DDR3 1066, три — DDR3 800. Очень много медленной памяти, конечно, иногда лучше, чем мало быстрой, но идти на такие издержки все равно нежелательно. А иногда и невозможно.

Над проблемой увеличения количества поддерживаемых одним каналом контроллера модулей памяти в Intel работали долго и небезуспешно. Однако оказалось, что конечный результат (FB-DIMM) изначально поставленным требованиям удовлетворяет, но его использование вызывает массу нежелательных побочных эффектов.

Остается только один путь — во-первых, перенести контроллер памяти в процессор, что в многопроцессорной системе автоматически обеспечивает нам поддержку и нескольких контроллеров памяти. Во-вторых, увеличивать количество каналов памяти. И то, и другое было сделано. Результат? В системе на двух Xeon, равно как и в системе на двух Opteron, есть два контроллера памяти. Только в первой оба трехканальные, а во второй — двухканальные, что дает нам шесть и четыре канала памяти, соответственно. При установке двух модулей памяти на канал (очень даже щадящий режим) в первой системе их окажется 12, а во второй — 8. Допустим, каждый модуль имеет емкость 4 ГБ, тогда в первой системе окажется 48 ГБ, а во второй — 32 ГБ. В ряде задач это сразу обеспечит первой системе весомое преимущество. А как в сервере на Оптеронах теми же модулями «добить» память до 48 ГБ? Легко — устанавливаем три модуля на канал и… вся система памяти начинает работать медленнее, поскольку, например, задержки придется сильно увеличить. И получается: при одинаковой скорости работы памяти система «и» имеет в полтора раза больший ее объем, чем система «а», а при равном объеме система «и» работает с памятью быстрее, чем система «а».

Именно поэтому в Xeon трехканальный контроллер памяти нужен. Он и в Opteron нужен, но не удалось в свое время сделать. Точно так же, как сейчас Intel не удалось четыре канала реализовать. Все равно по этому пути идти обоим производителям, поскольку альтернативным (а именно FB-DIMM и количество модулей на канале увеличивать) один из них уже идти пробовал и остался не очень довольным.

А зачем все это в зоопарке, на рабочем столе обычного пользователя? Правильно — незачем. Кому нужно — те многопроцессорную рабочую станцию купят и сведут задачу к предыдущей. Основная масса как-то желанием не горела и по 8 ГБ в компьютеры устанавливать (хотя это-то давно доступно), так что ей нет разницы — можно поставить 12 или как. Тем более что сейчас уже при двух модулях на канал двухканального контроллера памяти можно получить и 16 ГБ, а вопрос — насколько это хуже/лучше, чем 24 ГБ, для нормального пользователя компьютера сродни вопросу, сколько ангелов поместятся на кончике иглы.

Итого

При взгляде на итоговую диаграмму, возникает закономерный вопрос — а зачем мы всем этим занимались? Ведь видно, что к финишу практически все пришли одновременно. Гипотетический одноканальный режим свою относительную бессмысленность показал, двухканальный — как и можно было предположить из тестов в синтетике, оказался самым быстрым. Разброс в 2% между лучшим и худшим случаями на таком представительном количестве приложений — очень хороший результат. Показывает, что, как бы то ни было, но в основном наша текущая методика тестирования продолжает оставаться методикой тестирования процессоров, и на общий итоговый балл прочие характеристики системы влияют весьма слабо.

Но! Успокаиваться на этом рано — как мы видим, в общем зачете получилась идиллия именно из-за того, что разные приложения друг друга уравновешивают, однако ведут себя они совершенно по-разному. Кому-то нужно много памяти, кому-то ее увеличение наоборот — мешает, кому-то не важен объем, но жизненно важны низкие задержки, но DivX, по сути, «презрел» все объективно существующие параметры памяти и отдал предпочтение трехканальному режиму в любом виде. Поэтому, при сравнении систем с разными конфигурациями памяти в рамках одной статьи (или самостоятельно), в конкретных тестах не стоит забывать поинтересоваться — как именно получен тот или иной результат. Впрочем, не так уж долго осталось нам возиться именно с разными конфигурациями — LGA1156, напомним, поддерживает только два канала памяти, так что с этими процессорами все будет просто и логично. Устройства в конструктиве LGA1366 мы продолжим тестировать в конфигурации 3х2, однако иногда будем извлекать из запасников и 2х2 (когда нежелательно будет делать поправки в уме на особенности системы памяти). Можно было бы даже полностью перейти на последние, но нет смысла — в среднем, они, конечно, несколько быстрее, но поддержка трех каналов памяти эксклюзивная особенность LGA1366, так что пусть за нее отдувается. Нам просто достаточно помнить, что трехканальный доступ к памяти на этой платформе производительность совсем не увеличивает, а даже наоборот.

Источник

Анатомия RAM

У каждого компьютера есть ОЗУ, встроенное в процессор или находящееся на отдельной подключенной к системе плате — вычислительные устройства просто не смогли бы работать без оперативной памяти. ОЗУ — потрясающий образец прецизионного проектирования, однако несмотря на тонкость процессов изготовления, память ежегодно производится в огромных объёмах. В ней миллиарды транзисторов, но она потребляет только считанные ватты мощности. Учитывая большую важность памяти, стоит написать толковый анализ её анатомии.

Итак, давайте приготовимся к вскрытию, выкатим носилки и отправимся в анатомический театр. Настало время изучить все подробности каждой ячейки, из которых состоит современная память, и узнать, как она работает.

Зачем же ты, RAM-ео?

Процессорам требуется очень быстро получать доступ к данным и командам, чтобы программы выполнялись мгновенно. Кроме того, им нужно, чтобы при произвольных или неожиданных запросах не очень страдала скорость. Именно поэтому для компьютера так важно ОЗУ (RAM, сокращение от random-access memory — память с произвольным доступом).

Существует два основных типа RAM: статическая и динамическая, или сокращённо SRAM и DRAM.

Мы будем рассматривать только DRAM, потому что SRAM используется только внутри процессоров, таких как CPU или GPU. Так где же находится DRAM в наших компьютерах и как она работает?

Большинству людей знакома RAM, потому что несколько её планок находится рядом с CPU (центральным процессором, ЦП). Эту группу DRAM часто называют системной памятью, но лучше её называть памятью CPU, потому что она является основным накопителем рабочих данных и команд процессора.

Как видно на представленном изображении, DRAM находится на небольших платах, вставляемых в материнскую (системную) плату. Каждую плату обычно называют DIMM или UDIMM, что расшифровывается как dual inline memory module (двухсторонний модуль памяти) (U обозначает unbuffered (без буферизации)). Подробнее мы объясним это позже; пока только скажем, что это самая известная RAM любого компьютера.

Она не обязательно должна быть сверхбыстрой, но современным ПК для работы с большими приложениями и для обработки сотен процессов, выполняемых в фоновом режиме, требуется много памяти.

Ещё одним местом, где можно найти набор чипов памяти, обычно является графическая карта. Ей требуется сверхбыстрая DRAM, потому что при 3D-рендеринге выполняется огромное количество операций чтения и записи данных. Этот тип DRAM предназначен для несколько иного использования по сравнению с типом, применяемым в системной памяти.

Ниже вы видите GPU, окружённый двенадцатью небольшими пластинами — это чипы DRAM. Конкретно этот тип памяти называется GDDR5X, о нём мы поговорим позже.

Графическим картам не нужно столько же памяти, как CPU, но их объём всё равно достигает тысяч мегабайт.

Не каждому устройству в компьютере нужно так много: например, жёстким дискам достаточно небольшого количества RAM, в среднем по 256 МБ; они используются для группировки данных перед записью на диск.

На этих фотографиях мы видим платы HDD (слева) и SSD (справа), на которых отмечены чипы DRAM. Заметили, что чип всего один? 256 МБ сегодня не такой уж большой объём, поэтому вполне достаточно одного куска кремния.

Узнав, что каждый компонент или периферийное устройство, выполняющее обработку, требует RAM, вы сможете найти память во внутренностях любого ПК. На контроллерах SATA и PCI Express установлены небольшие чипы DRAM; у сетевых интерфейсов и звуковых карт они тоже есть, как и у принтеров со сканнерами.

Если память можно встретить везде, она может показаться немного скучной, но стоит вам погрузиться в её внутреннюю работу, то вся скука исчезнет!

Скальпель. Зажим. Электронный микроскоп.

У нас нет всевозможных инструментов, которые инженеры-электронщики используют для изучения своих полупроводниковых творений, поэтому мы не можем просто разобрать чип DRAM и продемонстрировать вам его внутренности. Однако такое оборудование есть у ребят из TechInsights, которые сделали этот снимок поверхности чипа:

Если вы подумали, что это похоже на сельскохозяйственные поля, соединённые тропинками, то вы не так далеки от истины! Только вместо кукурузы или пшеницы поля DRAM в основном состоят из двух электронных компонентов:

Синими и зелёными линиями обозначены соединения, подающие напряжение на МОП-транзистор и конденсатор. Они используются для считывания и записи данных в ячейку, и первой всегда срабатывает вертикальная (разрядная) линия.

Канавочный конденсатор, по сути, используется в качестве сосуда для заполнения электрическим зарядом — его пустое/заполненное состояние даёт нам 1 бит данных: 0 — пустой, 1 — полный. Несмотря на предпринимаемые инженерами усилия, конденсаторы не способны хранить этот заряд вечно и со временем он утекает.

Это означает, что каждую ячейку памяти нужно постоянно обновлять по 15-30 раз в секунду, хотя сам этот процесс довольно быстр: для обновления набора ячеек требуется всего несколько наносекунд. К сожалению, в чипе DRAM множество ячеек, и во время их обновления считывание и запись в них невозможна.

К каждой линии подключено несколько ячеек:

Строго говоря, эта схема неидеальна, потому что для каждого столбца ячеек используется две разрядные линии — если бы мы изобразили всё, то схема бы стала слишком неразборчивой.

Полная строка ячеек памяти называется страницей, а длина её зависит от типа и конфигурации DRAM. Чем длиннее страница, тем больше в ней бит, но и тем большая электрическая мощность нужна для её работы; короткие страницы потребляют меньше мощности, но и содержат меньший объём данных.

Однако нужно учитывать и ещё один важный фактор. При считывании и записи на чип DRAM первым этапом процесса является активация всей страницы. Строка битов (состоящая из нулей и единиц) хранится в буфере строки, который по сути является набором усилителей считывания и защёлок, а не дополнительной памятью. Затем активируется соответствующий столбец для извлечения данных из этого буфера.

Если страница слишком мала, то чтобы успеть за запросами данных, строки нужно активировать чаще; и наоборот — большая страница предоставляет больше данных, поэтому активировать её можно реже. И даже несмотря на то, что длинная строка требует большей мощности и потенциально может быть менее стабильной, лучше стремиться к получению максимально длинных страниц.

Если собрать вместе набор страниц, то мы получим один банк памяти DRAM. Как и в случае страниц, размер и расположение строк и столбцов ячеек играют важную роль в количестве хранимых данных, скорости работы памяти, энергопотреблении и так далее.

Например, схема может состоять из 4 096 строк и 4 096 столбцов, при этом полный объём одного банка будет равен 16 777 216 битам или 2 мегабайтам. Но не у всех чипов DRAM банки имеют квадратную структуру, потому что длинные страницы лучше, чем короткие. Например, схема из 16 384 строк и 1 024 столбцов даст нам те же 2 мегабайта памяти, но каждая страница будет содержать в четыре раза больше памяти, чем в квадратной схеме.

Все страницы в банке соединены с системой адресации строк (то же относится и к столбцам) и они контролируются сигналами управления и адресами для каждой строки/столбца. Чем больше строк и столбцов в банке, тем больше битов должно использоваться в адресе.

Для банка размером 4 096 x 4 096 для каждой системы адресации требуется 12 бит, а для банка 16 384 x 1 024 потребуется 14 бит на адреса строк и 10 бит на адреса столбцов. Стоит заметить, что обе системы имеют суммарный размер 24 бита.

Если бы чип DRAM мог предоставлять доступ к одной странице за раз, то это было бы не особо удобно, поэтому в них упаковано несколько банков ячеек памяти. В зависимости от общего размера, чип может иметь 4, 8 или даже 16 банков — чаще всего используется 8 банков.

Все эти банки имеют общие шины команд, адресов и данных, что упрощает структуру системы памяти. Пока один банк занят работой с одной командой, другие банки могут продолжать выполнение своих операций.

Весь чип, содержащий все банки и шины, упакован в защитную оболочку и припаян к плате. Она содержит электропроводники, подающие питание для работы DRAM и сигналов команд, адресов и данных.

На фотографии выше показан чип DRAM (иногда называемый модулем), изготовленный компанией Samsung. Другими ведущими производителями являются Toshiba, Micron, SK Hynix и Nanya. Samsung — крупнейший производитель, он имеет приблизительно 40% мирового рынка памяти.

Каждый изготовитель DRAM использует собственную систему кодирования характеристик памяти; на фотографии показан чип на 1 гигабит, содержащий 8 банков по 128 мегабита, выстроенных в 16 384 строки и 8 192 столбца.

Выше по рангу

Компании-изготовители памяти берут несколько чипов DRAM и устанавливают их на одну плату, называемую DIMM. Хотя D расшифровывается как dual (двойная), это не значит, что на ней два набора чипов. Под двойным подразумевается количество электрических контактов в нижней части платы; то есть для работы с модулями используются обе стороны платы.

Сами DIMM имеют разный размер и количество чипов:

На фотографии сверху показана стандартная DIMM для настольного ПК, а под ней находится так называемая SO-DIMM (small outline, «DIMM малого профиля»). Маленький модуль предназначен для ПК малого форм-фактора, например, ноутбуков и компактных настольных компьютеров. Из-за малого пространства уменьшается количество используемых чипов, изменяется скорость работы памяти, и так далее.

Существует три основных причины для использования нескольких чипов памяти на DIMM:

То есть каждому DIMM, который устанавливается в компьютер с Ryzen, потребуется восемь модулей DRAM (8 чипов x 8 бит = 64 бита). Можно подумать, что графическая карта 5700 XT будет иметь 32 чипа памяти, но у неё их только 8. Что же это нам даёт?

В чипы памяти, предназначенные для графических карт, устанавливают больше банков, обычно 16 или 32, потому что для 3D-рендеринга необходим одновременный доступ к большому объёму данных.

Один ранг и два ранга

Множество модулей памяти, «заполняющих» шину данных контроллера памяти, называется рангом, и хотя к контроллеру можно подключить больше одного ранга, за раз он может получать данные только от одного ранга (потому что ранги используют одну шину данных). Это не вызывает проблем, потому что пока один ранг занимается ответом на переданную ему команду, другому рангу можно передать новый набор команд.

Платы DIMM могут иметь несколько рангов и это особенно полезно, когда вам нужно огромное количество памяти, но на материнской плате мало разъёмов под RAM.

Так называемые схемы с двумя (dual) или четырьмя (quad) рангами потенциально могут обеспечить большую производительность, чем одноранговые, но увеличение количества рангов быстро повышает нагрузку на электрическую систему. Большинство настольных ПК способно справиться только с одним-двумя рангами на один контроллер. Если системе нужно больше рангов, то лучше использовать DIMM с буферизацией: такие платы имеют дополнительный чип, облегчающий нагрузку на систему благодаря хранению команд и данных в течение нескольких циклов, прежде чем передать их дальше.

Множество модулей памяти Nanya и один буферный чип — классическая серверная RAM

Но не все ранги имеют размер 64 бита — используемые в серверах и рабочих станциях DIMM часто размером 72 бита, то есть на них есть дополнительный модуль DRAM. Этот дополнительный чип не обеспечивает повышение объёма или производительности; он используется для проверки и устранения ошибок (error checking and correcting, ECC).

Вы ведь помните, что всем процессорам для работы нужна память? В случае ECC RAM небольшому устройству, выполняющему работу, предоставлен собственный модуль.

Шина данных в такой памяти всё равно имеют ширину всего 64 бита, но надёжность хранения данных значительно повышается. Использование буферов и ECC только незначительно влияет на общую производительность, зато сильно повышает стоимость.

Жажда скорости

У всех DRAM есть центральный тактовый сигнал ввода-вывода (I/O, input/output) — напряжение, постоянно переключающееся между двумя уровнями; он используется для упорядочивания всего, что выполняется в чипе и шинах памяти.

Если бы мы вернулись назад в 1993 год, то смогли бы приобрести память типа SDRAM (synchronous, синхронная DRAM), которая упорядочивала все процессы с помощью периода переключения тактового сигнала из низкого в высокое состояние. Так как это происходит очень быстро, такая система обеспечивает очень точный способ определения времени выполнения событий. В те времена SDRAM имела тактовые сигналы ввода-вывода, обычно работавшие с частотой от 66 до 133 МГц, и за каждый такт сигнала в DRAM можно было передать одну команду. В свою очередь, чип за тот же промежуток времени мог передать 8 бит данных.

Быстрое развитие SDRAM, ведущей силой которого был Samsung, привело к созданию в 1998 году её нового типа. В нём передача данных синхронизировалась по повышению и падению напряжения тактового сигнала, то есть за каждый такт данные можно было дважды передать в DRAM и обратно.

Как же называлась эта восхитительная новая технология? Double data rate synchronous dynamic random access memory (синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных). Обычно её просто называют DDR-SDRAM или для краткости DDR.

Память DDR быстро стала стандартом (из-за чего первоначальную версию SDRAM переименовали в single data rate SDRAM, SDR-DRAM) и в течение последующих 20 лет оставалась неотъемлемой частью всех компьютерных систем.

Прогресс технологий позволил усовершенствовать эту память, благодаря чему в 2003 году появилась DDR2, в 2007 году — DDR3, а в 2012 году — DDR4. Каждая новая версия обеспечивала повышение производительности благодаря ускорению тактового сигнала ввода-вывода, улучшению систем сигналов и снижению энергопотребления.

DDR2 внесла изменение, которое мы используем и сегодня: генератор тактовых сигналов ввода-вывода превратился в отдельную систему, время работы которой задавалось отдельным набором синхронизирующих сигналов, благодаря чему она стала в два раза быстрее. Это аналогично тому, как CPU используют для упорядочивания работы тактовый сигнал 100 МГц, хотя внутренние синхронизирующие сигналы работают в 30-40 раз быстрее.

DDR3 и DDR4 сделали шаг вперёд, увеличив скорость тактовых сигналов ввода-вывода в четыре раза, но во всех этих типах памяти шина данных для передачи/получения информации по-прежнему использовала только повышение и падение уровня сигнала ввода-вывода (т.е. удвоенную частоту передачи данных).

Сами чипы памяти не работают на огромных скоростях — на самом деле, они шевелятся довольно медленно. Частота передачи данных (измеряемая в миллионах передач в секунду — millions of transfers per second, MT/s) в современных DRAM настолько высока благодаря использованию в каждом чипе нескольких банков; если бы на каждый модуль приходился только один банк, всё работало бы чрезвычайно медленно.

Каждая новая версия DRAM не обладает обратной совместимостью, то есть используемые для каждого типа DIMM имеют разные количества электрических контактов, разъёмы и вырезы, чтобы пользователь не мог вставить память DDR4 в разъём DDR-SDRAM.

Сверху вниз: DDR-SDRAM, DDR2, DDR3, DDR4

DRAM для графических плат изначально называлась SGRAM (synchronous graphics, синхронная графическая RAM). Этот тип RAM тоже подвергался усовершенствованиям, и сегодня его для понятности называют GDDR. Сейчас мы достигли версии 6, а для передачи данных используется система с учетверённой частотой, т.е. за тактовый цикл происходит 4 передачи.

Кроме более высокой частоты передачи, графическая DRAM обеспечивает дополнительные функции для ускорения передачи, например, возможность одновременного открытия двух страниц одного банка, работающие в DDR шины команд и адресов, а также чипы памяти с гораздо большими скоростями тактовых сигналов.

Какой же минус у всех этих продвинутых технологий? Стоимость и тепловыделение.

Один модуль GDDR6 примерно вдвое дороже аналогичного чипа DDR4, к тому же при полной скорости он становится довольно горячим — именно поэтому графическим картам с большим количеством сверхбыстрой RAM требуется активное охлаждение для защиты от перегрева чипов.

Скорость битов

Производительность DRAM обычно измеряется в количестве битов данных, передаваемых за секунду. Ранее в этой статье мы говорили, что используемая в качестве системной памяти DDR4 имеет чипы с 8-битной шириной шины, то есть каждый модуль может передавать до 8 бит за тактовый цикл.

То есть если частота передачи данных равна 3200 MT/s, то пиковый результат равен 3200 x 8 = 25 600 Мбит в секунду или чуть больше 3 ГБ/с. Так как большинство DIMM имеет 8 чипов, потенциально можно получить 25 ГБ/с. Для GDDR6 с 8 модулями этот результат был бы равен 440 ГБ/с!

Обычно это значение называют полосой пропускания (bandwidth) памяти; оно является важным фактором, влияющим на производительность RAM. Однако это теоретическая величина, потому что все операции внутри чипа DRAM не происходят одновременно.

Чтобы разобраться в этом, давайте взглянем на показанное ниже изображение. Это очень упрощённое (и нереалистичное) представление того, что происходит, когда данные запрашиваются из памяти.

На первом этапе активируется страница DRAM, в которой содержатся требуемые данные. Для этого памяти сначала сообщается, какой требуется ранг, затем соответствующий модуль, а затем конкретный банк.

Чипу передаётся местоположение страницы данных (адрес строки), и он отвечает на это передачей целой страницы. На всё это требуется время и, что более важно, время нужно и для полной активации строки, чтобы гарантировать полную блокировку строки битов перед выполнением доступа к ней.

Затем определяется соответствующий столбец и извлекается единственный бит информации. Все типы DRAM передают данные пакетами, упаковывая информацию в единый блок, и пакет в современной памяти почти всегда равен 8 битам. То есть даже если за один тактовый цикл извлекается один бит, эти данные нельзя передать, пока из других банков не будет получено ещё 7 битов.

А если следующий требуемый бит данных находится на другой странице, то перед активацией следующей необходимо закрыть текущую открытую страницу (это процесс называется pre-charging). Всё это, разумеется, требует больше времени.

Все эти различные периоды между временем отправки команды и выполнением требуемого действия называются таймингами памяти или задержками. Чем ниже значение, тем выше общая производительность, ведь мы тратим меньше времени на ожидание завершения операций.

Некоторые из этих задержек имеют знакомые фанатам компьютеров названия:

Существует ещё много других таймингов и все их нужно тщательно настраивать, чтобы DRAM работала стабильно и не искажала данные, имея при этом оптимальную производительность. Как можно увидеть из таблицы, схема, демонстрирующая циклы в действии, должна быть намного шире!

Хотя при выполнении процессов часто приходится ждать, команды можно помещать в очереди и передавать, даже если память занята чем-то другим. Именно поэтому можно увидеть много модулей RAM там, где нам нужна производительность (системная память CPU и чипы на графических картах), и гораздо меньше модулей там, где они не так важны (в жёстких дисках).

Тайминги памяти можно настраивать — они не заданы жёстко в самой DRAM, потому что все команды поступают из контроллера памяти в процессоре, который использует эту память. Производители тестируют каждый изготавливаемый чип и те из них, которые соответствуют определённым скоростям при заданном наборе таймингов, группируются вместе и устанавливаются в DIMM. Затем тайминги сохраняются в небольшой чип, располагаемый на плате.

Даже памяти нужна память. Красным указано ПЗУ (read-only memory, ROM), в котором содержится информация SPD.

Процесс доступа к этой информации и её использования называется serial presence detect (SPD). Это отраслевой стандарт, позволяющий BIOS материнской платы узнать, на какие тайминги должны быть настроены все процессы.

Многие материнские платы позволяют пользователям изменять эти тайминги самостоятельно или для улучшения производительности, или для повышения стабильности платформы, но многие модули DRAM также поддерживают стандарт Extreme Memory Profile (XMP) компании Intel. Это просто дополнительная информация, хранящаяся в памяти SPD, которая сообщает BIOS: «Я могу работать с вот с такими нестандартными таймингами». Поэтому вместо самостоятельной возни с параметрами пользователь может настроить их одним нажатием мыши.

Спасибо за службу, RAM!

В отличие от других уроков анатомии, этот оказался не таким уж грязным — DIMM сложно разобрать и для изучения модулей нужны специализированные инструменты. Но внутри них таятся потрясающие подробности.

Возьмите в руку планку памяти DDR4-SDRAM на 8 ГБ из любого нового ПК: в ней упаковано почти 70 миллиардов конденсаторов и такое же количество транзисторов. Каждый из них хранит крошечную долю электрического заряда, а доступ к ним можно получить за считанные наносекунды.

Даже при повседневном использовании она может выполнять бесчисленное количество команд, и большинство из плат способны без малейших проблем работать многие годы. И всё это меньше чем за 30 долларов? Это просто завораживает.

DRAM продолжает совершенствоваться — уже скоро появится DDR5, каждый модуль которой обещает достичь уровня полосы пропускания, с трудом достижимый для двух полных DIMM типа DDR4. Сразу после появления она будет очень дорогой, но для серверов и профессиональных рабочих станций такой скачок скорости окажется очень полезным.

Источник