Оперативная память

Модули оперативной памяти

Оперативная память (ОЗУ) — это такая форма компьютерной памяти, которая может считываться и изменяться в любом порядке, обычно используется для хранения рабочих данных и машинного кода. Аббревиатура ОЗУ расшифровывается как оперативное запоминающее устройство. По внешнему виду оперативная память компьютера напоминает набор микросхем для хранения данных. При отключении питания все данные, хранящиеся в памяти, будут стерты. ОЗУ обеспечивает именно оперативную доставку данных от приложения к памяти и наоборот.

Запоминающее устройство с произвольным доступом позволяет считывать или записывать элементы данных практически за одинаковое время, независимо от физического расположения данных в памяти, в отличие от других носителей данных с прямым доступом (таких как жесткие диски, SSD, CD-RW, DVD-RW и другие более старые устройства), где время, необходимое для чтения и записи элементов данных, сильно меняется в зависимости от их физического расположения на носителе записи из-за механических ограничений, таких как скорость вращения носителя (для CD, DVD) или движение рычага (для жестких дисков).

Оперативная память является одним из самых важных компонентов компьютера. Объем ОЗУ определяет количество задач, которые может выполнять компьютер одновременно, а от его быстродействия зависит скорость работы компьютера.

ОЗУ содержит схемы мультиплексирования и демультиплексирования для подключения линий передачи данных к адресной памяти для чтения или записи. Обычно доступ к нескольким битам памяти осуществляется по одному и тому же адресу, а устройства оперативной памяти часто имеют несколько линий передачи данных и называются «8-разрядными» или «16-разрядными» устройствами.

История

Электронные вычислительные машины, занимавшие огромные площади и потребляющие сотни тысяч ватт энергии, появились во второй половине сороковых годов 20 века. Вначале использовались ring-counter’ы (круговой сдвиговый регистр), реализованные на электронных лампах — двойных триодов. Это был неэкономичный, громоздкий и медленный тип ОЗУ.

1 мегабайт ОЗУ

После 50-х годов была выпущена ОЗУ на магнитных сердечниках, просуществовавшая до середины 70-х. Такая память хранит данные, которые записаны как направление намагниченности маленьких кольцевидных ферритовых сердцечников. Ферритовые кольца расставлялись в прямоугольную матрицу и через каждое кольцо проходило четыре провода для считывания и записи информации. Направление намагниченности одного ферритового кольца позволяет хранить один бит информации. Через кольцо проходит четыре провода: два провода возбуждения X и Y, а также провод запрета S под углом 45° и провод считывания под углом 90°. На провода возбуждения подается импульс тока таким образом, что сумма токов через отверстие сердечника приводит к тому, что намагниченность кольца принимает определенное направление независимо от того, какое оно было до этого. Значение бита можно определить, измерив ток на проводе считывания: если намагниченность сердечника изменилась, то в проводе считывания возникает индукционный ток. Силу тока в проводах возбуждения и материал сердечника подбирают так, чтобы тока через один провод не хватило бы для изменения намагниченности сердечника. Это необходимо, так как на один провод возбуждения нанизано несколько десятков сердечников, а менять направление намагниченности нужно только в одном из них. По разным причинам, такой вид памяти использовался на космических кораблях (например, Шаттл), до начала 90-х годов, а также используется по сей день на старых АЭС. Основная причина — магнитные сердечники не боятся радиации и электромагнитного излучения.

Использование полупроводниковой оперативной памяти началось в 1965 году, когда IBM представила монолитную (однокристальную) 16-разрядную микросхему SP95 SRAM для своего компьютера System / 360 Model 95, а Toshiba использовала дискретные ячейки памяти DRAM для своего 180-разрядного электронного калькулятора Toscal BC-1411, оба на основе биполярных транзисторов. Однако, несмотря на то, что она предлагала более высокую производительность по сравнению с памятью магнитного сердца, биполярная DRAM не могла конкурировать со стоимостью памяти с магнитным сердечником.

МОП-память была разработана в конце 1960-х годов и стала основой для всех ранних коммерческих полупроводниковых запоминающих устройств. 

В 1968 году небольшая группа инженеров, отделившаяся от Motorola, создала компанию Intel. Новая компания выпустила высокоскоростной 64-битный полупроводниковый чип ОЗУ, модель 3101.

В 1969 году Intel представила 256-битный чип памяти, модель 1101 — первый в мире чип памяти МОП.

Хоть 1101 был сложным чипом, имел малый объем памяти и поэтому не мог эффективно конкурировать с памятью на ферритовых сердечниках, его МОП основа нашла применение в сдвиговых регистрах.

Первая коммерческая микросхема DRAM IC, 1K Intel 1103, была представлена в октябре 1970 года.

Синхронная динамическая оперативная память (SDRAM) позже дебютировала с чипом Samsung KM48SL2000 в 1992 году.

Первый коммерческий чип памяти DDR SDRAM (SDRAM с двойной скоростью передачи данных) был выпущен Samsung в июне 1998 года. 

GDDR (graphics DDR) — это разновидность DDR SGRAM (синхронной графической оперативной памяти), который был впервые выпущен Samsung как 16 — мбитный чип памяти в 1998.

Как устроена ОЗУ

При запуске любой программы на компьютере или телефонах ей нужно где-то расположить переменные, которыми она собирается оперировать. Приложение сообщает операционной системе, что ей необходимо сохранить определенный объем данных. По этой причине система может выделить нужный участок памяти. И до тех пор пока программа запущена, он имеет возможность пользоваться всем выделенным ему сегментом ОЗУ. Программы могут запросить место под новые переменные или же, наоборот, освободить ОЗУ. На микросхеме при заполнении данных появляются заряды в конденсаторах. А при освобождении происходит их обнуление.

Логическая организация памяти

Все доступная память делится на сегменты по 64 Кб. Но при этом память, установленная в любом личном компьютере, кратна 16. При необходимости процессору нужно достать информацию из ОЗУ, он обращается к нему по номеру сегмента и смещению. Смещением называется порядковый номер байта в сегменте. Например, процессор 8088 имел максимум 1 Мб RAM. Она распределялась следующим образом: первые 640 Кб (10 сегментов по 64 Кб) были отданы под оперативную память. В них загружались программы и данные. Эта область памяти называлась нижней (low). Память от 640Кб до 1 Мб называлась верхней (high). Последующие два сегмента верхней памяти используются для памяти видеоадаптера, следующий разделил бы все тот же видеоадаптер, затем шли два зарезервированных сегмента. Последний сегмент использовался для загрузки копии BIOS в оперативную память. Это типичная структура оперативной памяти в персональных компьютерах.

Современная оперативная память

Графическое сравнении модулей памяти DDR, DDR2 and DDR3.

В настоящее время разрабатывается несколько новых типов энергонезависимой оперативной памяти, которые сохраняют данные при отключенном питании. Использование технологии включает углеродные нанотрубки и подходы, применяющие туннельное магнитное сопротивление.

В числе MRAM 1-го поколения летом 2003 года был изготовлен чип 128 Кбит (128 × 2 10 байт) с технологией 0,18 мкм. Летом 2004 года компания Infineon Technologies представила прототип, который был размером 16 МБ (16 × 2 20 байт), основанный на технологии 0,18 микрометра. К моменту сегодняшнего времени разрабатываются две технологии 2-го поколения: термическое переключение (TAS), разработанное Crocus Technology, над которым работают Crocus, Hynix, IBM и несколько других. В 2004 году Нантеро построил прототип функционирующей памяти из углеродных нанотрубок объемом 10 ГБ (10 × 2 30 байт) в 2004 году. На данный момент еще предстоит выяснить, смогут ли некоторые из этих технологий в конце концов захватить большую долю рынка за счет использования технологических решений DRAM, SRAM или флэш-памяти.

А с 2006 года в продажу стали поступать «твердотельные накопители» (на основе флэш-памяти) имеющие производительность, намного превосходящую традиционные диски. В этом развитии произошло изменение, которое привело к размыванию определения между традиционной оперативной памятью и «дисками», что значительно сократило различие в производительности.

В настоящее время некоторые виды оперативной памяти, такие как «EcoRAM», специально разработаны для серверных ферм, где низкое энергопотребление важнее скорости.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!