Типы динамической памяти
За несколько
десятилетий было разработано множество типов микросхем динамической памяти,
начиная от простеньких микросхем DRAM, применявшихся в компьютерах IBM PC, и
до необычайно сложных по структуре современных микросхем DDR SDRAM. Впрочем,
популярными становились совсем немногие, поэтому ниже даны характеристики только
тех микросхем динамической памяти, которые до сих пор работают в персональных
компьютерах, а также тех, которые были специально разработаны для использования
с процессорами гигагерцового диапазона.
Наиболее длительное
время были популярны два типа микросхем DRAM — FPM и EDO, которые используются
в компьютерах с процессорами 486 и Pentium. Заметим,
что хотя оба типа микросхем по механическим и электрическим характеристикам
аналогичны, но отличия в логике работы интерфейсных цепей не позволяют устанавливать
их вместе. Кроме того, следует помнить, что только небольшое число системных
плат поддерживают оба типа микросхем.
Микросхемы
FPM DRAM (Fast Page Mode, быстродействующий страничный режим) были разработаны
для компьютеров с 486 процессорами и реализовывали, как следует из названия,
страничный режим. Время доступа для этих микросхем составляло 60 и 70 нс (для
наиболее распространенных типов). Первые компьютеры с процессорами Pentium также
использовали FPM DRAM. Без задержек эти микросхемы могли работать только с частотой
системной шины, не превышающей 28 МГц.
Для сокращения
потерь времени, связанных с отключением шины данных, когда начиналось задание
нового адреса, FPM DRAM модернизировали, и новые микросхемы получили название
EDO DRAM (Extended Data Output, память с расширенным выводом данных). Основное
достоинство EDO DRAM в том, что чтение данных происходит на 10—15% быстрее,
чем у FPM DRAM. До частоты системной шины в 50 МГц эти микросхемы могли работать
без специальных циклов ожидания (задержки).
В дальнейшем
были разработаны и другие модификации микросхем EDO DRAM, например, BEDO DRAM,
в которых был добавлен генератор номера столбца, чтобы сократить время доступа
к большим блокам данных. Ряд других типов микросхем нашли применение в узлах
видеопамяти карт видеоадаптеров.
У микросхемы
FPM и EDO DRAM есть серьезный недостаток — они являются асинхронными элементами,
у которых выходные сигналы жестко не синхронизированы с тактовой частотой системной
шины. На момент появления сигнала на выходе у этих микросхем влияют температура,
старение элементов, созданных на полупроводниковом кристалле, а раз так, то
могут пропускаться рабочие такты. Поэтому следующим шагом по повышению производительности
памяти стала разработка микросхем синхронной динамической памяти - SDRAM (Synchronous
Dynamic Random Access Memory), — у которой все операции синхронизированы с тактовой
частотой системной шины. Микросхемы SDRAM могут работать на частотах 66, 75,
83, 100 и 125 МГц. За счет сокращения тактов ожидания удалось увеличить производительность
системы ОЗУ-процессор. Кроме того, в этих микросхемах предусмотрены различные
способы адресации и доступа к данным, например, чередование адресов, пакетный
режим, конвейерная адресация.
На частоте
системной шины выше 100 МГц первые микросхемы SDRAM работали неустойчиво (дополнительные
проблемы вносили недостатки чипсетов и неудачная разводка системных плат, которые
приходилось приспосабливать к работе на высокой частоте). Для решения проблем
корпорация Intel разработала новую спецификацию для микросхем памяти — РС100.
На ее основе стали производиться сначала микросхемы PC 100 SDRAM, а потом и
PC 133 SDRAM. Можно отметить, что в настоящее время модули памяти РС133 SDRAM
с объемом 128 и 256 Мбайт наиболее дешевы, а вследствие этого очень популярны
у пользователей. Работа оперативной памяти на частоте в 10 раз ниже частоты
ядра процессора явно создает массу проблем при обработке больших массивов информации,
когда объема кэша второго уровня просто недостаточно. Поэтому очень кстати пришлась
новая технология для создания ОЗУ, предложенная фирмой Rambus. Корпорация Intel,
заинтересованная в повышении производительности компьютеров с процессорами Pentium
III и 4, разработала чипсеты и системные платы, которые поддерживали модули
памяти с различными микросхемами RDRAM (Rambus Dynamic Random Access Memory).
Основной изюминкой
в технологии Rambus стала возможность поднять тактовую частоту, на которой работали
микросхемы памяти. К тому же, она предусматривала пересылку данных как по переднему
фронту тактового сигнала, так и по заднему. Таким образом удалось достигнуть
пропускной способности канала ОЗУ—процессор в 1,6 и 3,2 Гбайт/с. Правда, разрядность
шины данных у Rambus-модулей оказалась равным 8 и 16 битам. Обратите внимание,
что повышение тактовой частоты перевело систему RDRAM—чипсет в разряд СВЧ-устройств,
а это повлекло значительные сложности в разводке системных плат и модулей памяти,
а также в согласовании
импендансов (сопротивлений) информационных и тактовых линий.
Примечание
Внутренняя
магистраль Rambus работает теперь на частоте 400 МГц с чтением данных по переднему
и заднему фронту синхросигнала, что дает результирующую частоту 800 МГц. Но
для процессора контроллер Rambus организует передачу так, чтобы частотные и
временные характеристики модулей Rambus соответствовали возможностям системной
шины процессора (как и у модулей DDRDRAM).
При появлении
нового типа памяти каждый раз громогласно объявляется, что за памятью этого
типа — светлое будущее компьютерной индустрии. Вот только проходит пара лет,
и появляется другой тип памяти, который и дешевле, и вполне может конкурировать
со своими предшественниками. Точно так же обстояло дело и с памятью Rambus.
Вначале казалось, что новая технология — это панацея, которая позволит использовать
оперативную память чуть ли не на тактовой частоте процессора. Но, увы, модули
с микросхемами Rambus оказались слишком капризными и дорогими.
Проблемы с
Rambus-памятью привели к тому, что было разработано второе поколение микросхем
SDRAM, которое получило название DDR SDRAM (Double Data Rate). Технология DDR
SDRAM позволяет передавать данные по обоим фронтам каждого тактового импульса,
что дало возможность удвоить пропускную способность памяти. В дальнейшем удалось
за один тактовый импульс передавать уже 4 порции данных. Кроме всего прочего,
микросхемы DDR SDRAM разработаны с учетом последних достижений полупроводниковой
технологии, поэтому удалось серьезно снизить потребляемую энергию.
На рис.
показаны этапы развития всех микросхем оперативной памяти, которые нашли применение
в персональных компьютерах. Затенением выделены те типы микросхем, которые до
сих пор производятся и успешно работают в компьютерах. Их потомки — DDR SDRAM
и DirectRDRAM -уже
подешевели, а потому широко начали применяться в новых персональных компьютерах.
Двумя отдельными ветками показаны типы микросхем, которые используются в кэш-памяти
и видеопамяти. Обратите внимание, что кроме DDR SDRAM и DirectRDRAM, сегодня
производятся микросхемы SynchLink (открытый стандарт на микросхемы DRAM), DDR
SGRAM для видеопамяти и DDR SSRAM для кэш-памяти.
Чтобы у вас
не сложилось впечатление, что микросхемы DRAM используются только с процессорами
семейства х86, приведем информацию о конкурирующих процессорах. Например,
процессор G4 7470 с тактовой частотой 1,5 ГГц производства корпорации Motorola,
предназначенный для персональных компьютеров Apple, поддерживает память РС2100
DDR SDRAM. Процессоры G4 работают с системной шиной на тактовой частоте 133
и 166 МГц (266 и 333 МГц). А разрабатываемые сейчас процессоры G5 с тактовой
частотой 1,5 ГГц будут поддерживать скорость обмена данными с памятью на уровне
12 Гбайт/с.
