Динамическая оперативная память. Типы микросхем динамических озу

ПЗУ с электрическим стиранием

ПЗУ с УФ стиранием

ПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым излучением в настоящее время наиболее широко используются в микропроцессорных системах. В БИС таких ПЗУ каждый бит хранимой информации отображается состоянием соответствующего МОП-транзистора с плавающим затвором (у него нет наружного вывода для подключения). Затворы транзисторов при программировании «1» заряжаются лавинной инжекцией, т.е. обратимым пробоем изолирующего слоя, окружающего затвор под действием электрического импульса напряжением 18 – 26 В. Заряд, накопленный в затворе, может сохраняться очень долго из-за высокого качества изолирующего слоя. Так, например, для ППЗУ серии К573 гарантируется сохранение информации не менее 15 – 25 тысяч часов во включенном состоянии и до 100 тысяч часов (более 10 лет) - в выключенном.

Они позволяют производить как запись, так и стирание (или перезапись) информации с помощью электрических сигналов. Для построения таких ППЗУ применяются структуры с лавинной инжекцией заряда, аналогичные тем, на которых строятся ППЗУ с УФ стиранием, но с дополнительными управляющими затворами, размещаемыми над плавающими затворами. Подача напряжения на управляющий затвор приводит к рассасыванию заряда за счет туннелирования носителей сквозь изолирующий слой и стиранию информации. По этой технологии изготовляют микросхемы К573РР2.

Достоинства ППЗУ с электрическим стиранием: высокая скорость перезаписи информации и значительное допустимое число циклов перезаписи - не менее 10000.

15.2.1 Статические ОЗУ

Рассматриваемые типы запоминающих устройств (ЗУ) применяются в компьютерах для хранения информации, которая изменя­ется в процессе вычислений, производимых в соответствии с программой, и называются оператив­ными (ОЗУ). Информация, записанная в них, раз­рушается при отключении питания.

Главной частью ЗУ является накопитель, состоящий из триггеров

Рисунок 4.6 – Матрица ЗУ

Накопитель двухкоордииатпого ЗУ состоит из нескольких матриц (Рисунок 4.6), количество которых определяется числом разрядов записываемого слова. Запоминаю­щие элементы(ЗЭ) одной матрицы расположены на пересечении адресных шин Х строк и Y столбцов, имеют одну общую для всех элементов разрядную шину. В ЗЭ одной матрицы записываются одноимен­ные разряды всех слов, а каждое слово - в идентично расположенные запоминающие элементы ЗЭ i , всех матриц, составляющие ячейку памяти. Таким обра­зом, в двухкоординатное четырехматричное ЗУ, матрицы которого содержат по 16 запоминающих элемен­тов (рис. 4), можно записать 16 четырехразрядных слов.

В них запоминающий элемент содержит только один транзисторн. (рис.15-5)

Рисунок 4.7 – Элемент динамической ОЗУ

Информация в таком элементе хранится в виде заря­да на запоминающем конденсаторе, обкладками которо­го являются области стока МОП-транзистора и подлож­ки. Запись и считывание ннформаини производятся пу­тем открывания транзистора по затвору и подключения тем самым заноминаюшей емкости к схеме усилителя-регенератора. Последний, по существу является триггерным элементом,который В зависимости от предварительной подготовки или принимает (счи­тывает) цнформацию из емкоетной запоминающец ячейки, устаиавливаясь при этом в состояние 0 пли 1,или, наоборот, в режиме записи соотвегствующим образом заряжает ячейку, будучи иредварительно установленным в 0 нли 1

В режиме чтения триггер усилителя - регенератора в иачале специальным управляющим сигналом устанав­ливается в неустойчивое равновесное состояние, из которого при подключении к нему запоминающей емкости

он переключается в 0 или I. При этом в начале он по­требляет часть заряда, а затем при установке в усгойчивое состояние, возвращает его ячейке осуществляя таким образом регенерацию ее состояния. В режиме хранения информации необходимо периодически производить регенерацию для компенсации ес­тественных утечек заряда.максимальный период цикла регенерации для каждой из ячеек обычно составляет 1 - 2 мс.

Основой ячейки памяти в ЗУ статического типа является триггер. В качестве базовых элементов для реализации триггера используются полевые транзисторы. Использование полевых транзисторов обусловлено тем, что они потребляют меньшую мощность, чем биполярные транзисторы, следовательно, и построенные на их основе микросхемы памяти являются более экономичными.

На рисунке 19.1 представлен триггер на МОП-транзисторах с индуцируемым p -каналом. Для отпирания такого транзистора напряжение на его затворе относительно истока должно быть меньше нуля: .

Пусть в исходном состоянии транзистор VT3 открыт, a VT1 закрыт (состояние хранения нуля). Транзисторы VT2 и VT4 выполняют роль резисторов, поэтому на стоке транзистора VT3 будет потенциал напряжения питания , а на стоке транзистора VT1 – нулевой потенциал. Транзисторы VT5 и VT6 осуществляют запись и считывание информации. В режиме хранения данных напряжения на разрядных линиях P0 и P1 равны нулю, а на линии потенциал равен напряжению питания схемы . При этом напряжение сток-исток на транзисторе VT5 равно нулю, и транзистор VT5 закрыт. Напряжение транзистора VT6 равно нулю и он также закрыт.

Рисунке 19.1 – Принципиальная схема ячейки ОЗУ статического типа

Для установления триггера в единичное состояние (запись единицы) на линию подается нулевой потенциал, а на разрядную линию P1 потенциал равный . При этом транзистор VT5 будет включен инверсно, т. е. истоком становится вывод, подсоединенный к разрядной линии P1. Напряжение затвор-исток инверсно включенного транзистора VT5 становится меньше нуля и транзистор VT5 открывается. Положительный сигнал поступает на затвор транзистора VT3 , при этом становится равным нулю и транзистор VT3 закрывается. В результате на затвор транзистора VT1 поступает нулевой потенциал. У этого транзистора становится отрицательным, и транзистор VT1 открывается, на его стоке устанавливается положительное напряжение, что соответствует единичному состоянию триггера. Напряжение на стоке VT3 становится равным нулю.

Для записи нуля необходимо при нулевом напряжении на линии А подать напряжение на разрядную линию P0 , при этом через открытый транзистор VT6 положительное напряжение, попадая на затвор транзистора VT1, запирает его, что приводит к открыванию транзистора VT3. На стоке транзистора VT1 установится нулевой потенциал, а на стоке транзистора VT3 – потенциал напряжения питания.

Для считывания информации, предварительно записанной в триггер, необходимо подать нулевой потенциал только на линию. При этом если был открыт транзистор VT1 (единичное состояние), то отрицательным напряжением будет открыт транзистор VT5 и через него высокий потенциал поступит в разрядную линию P1 . Если триггер находится в состоянии нуля, то откроется транзистор VT6 и высокий потенциал поступит в разрядную линию Р0.

На рисунке 19.2 приведена типичная структура микросхемы ОЗУ статического типа. Информация хранится в накопителе. Накопитель представляет собой матрицу, составленную из ячеек памяти рассмотренных выше. Для поиска требуемой ячейки памяти указываются строка и столбец, соответствующие положению ячейки памяти в накопителе.

Рисунок 19.2 – Структура микросхемы ОЗУ статистического типа

Адрес ячейки памяти (ЯП) в виде двоичного числа принимается по шине адреса в регистр адреса. Число разрядов адреса связано с емкостью накопителя. Число строк и столбцов накопителя выбираются равными целой степени двух. Если число строк и число столбцов , то общее число ячеек памяти (емкость накопителя)
, где – число разрядов адреса, принимаемого в регистр адреса. Например, при емкости число разрядов адреса . При этом выбирается . В этом случае число строк и число столбцов накопителя равно . Требуемая размерность матрицы накопителя – .

Разряды регистра адреса подразделяются на две группы. Одна группа в n1 разрядов определяет двоичный номер строки, в которой расположена ячейка памяти, другая группа в n2 разрядов определяет двоичный номер столбца, в котором находится ячейка памяти. Каждая группа разрядов адреса подается на соответствующий дешифратор строк или столбцов. При этом каждый из дешифраторов создает на одной из своих выходных цепей уровень логического нуля. На остальных выходах устанавливается уровень логической единицы. Ячейка памяти, оказавшаяся под воздействием двух логических нулей на соответствующих линиях и одновременно, является выбранной. Этому соответствует подача логического нуля на линию триггера ячейки памяти, рассмотренной выше.

В режиме считывания содержимое ячейки памяти выдается на усилитель считывания и с него на выход микросхемы DO. При этом сигнал записи должен иметь пассивный единичный уровень. Режим записи устанавливается подачей активного нулевого уровня сигнала на вход записи . Открывается усилитель записи, и бит информации с входа данных DI поступает в выбранную ячейку памяти для запоминания, при этом усилитель считывания закрывается и данные на выход DO схемы не поступают.

Указанные процессы происходят, если на входе выбора микросхемы действует активный уровень логического нуля. При уровне логической единицы на этом входе на всех выходах дешифратора строк устанавливается уровень логической единицы, и ЗУ оказывается в режиме хранения. Последовательность подачи управляющих сигналов индивидуальна для каждого типа микросхемы памяти. Между тем имеются общие закономерности. Рассмотрим последовательность подачи сигналов управления в режимах чтения и записи (рисунок 19.3).

Первым как в режиме записи, так и в режиме считывания на шину адреса должен выставляться адрес активизируемой ячейки памяти. Снимается адрес с шины после того, как запись в ячейку или чтение из ячейки завершено.

Рисунок 19.3 – Временные диаграммы работы ОЗУ статического типа

Один из управляющих сигналов записи, или выбора микросхемы, или оба должны устанавливаться в активное состояние после установки адреса (интервалы времени, и , ) и сниматься до снятия адреса (интервалы времени , и , ). Тем самым обеспечивается высокоимпедансное состояние выводов DO и DI микросхемы, что исключает возможность ложного обмена информацией между микросхемами памяти и устройствами при смене адресов. В случае пассивного уровня сигнала отключается соответствующий буферный усилитель считывания или записи в каждом из своих режимах. В случае же пассивного уровня сигнала вырабатывается единичный уровень сигнала на линии ячейки памяти, благодаря чему она отключается от линий P0 ) и P1 хранит записанную информацию.

На рисунке 19.3 приведены временные диаграммы работы ОЗУ в случае смены режима, т.е. режим считывания осуществляется после режима записи, а режим записи – после режима считывания. Поэтому происходит установка обоих сигналов и .

Обычно при нескольких режимах чтения подряд и при отсутствии обращения к микросхеме памяти сигнал имеет постоянное значение логической единицы. В этом случае активизация входа DO осуществляется только нулевым уровнем сигнала на входе . Первым определяется режим работы памяти, т.е. подается сигнал . Управление выводами DI и DO осуществляется сигналом , который подается внутри временного интервала действия сигнала .

Считывание информации из микросхемы памяти возможно только в интервал времени , когда завершился процесс формирования данных на выходе DO (интервал времени ), и пока не снят сигнал выбора микросхемы. При этом время выборки характеризуется временным интервалом с момента выставления сигнала и до момента формирования информации на выходе DO.

В режиме записи сигнал должен выставляться только тогда, когда записываемые данные готовы и поступили на вход DI (временной интервал ). Аналогично сами данные для записи должны быть подготовлены к моменту, когда выработается активный уровень сигнала (временной интервал ), и удержаны до окончания действия этого сигнала.

Микросхемы ОЗУ допускают наращивание емкости памяти как путем наращивания числа хранимых слов, так и путем наращивания разрядности этих слов. На практике часто используется комбинированная структура, объединяющая наращивание, как разрядности, так и количества хранимых слов. В этом случае формируется некоторое количество однотипных групп микросхем, объединенных в структуру с наращиванием разрядности слов. Далее эти группы объединяются в единую структуру с наращиванием количества хранимых слов.

Динамическое оперативное запоминающее устройство.

Как уже отмечалось, информация в ячейке динамического ОЗУ представлена в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторе. Схема ячейки памяти динамического ЗУ на одном МОП – транзисторе с индуцируемым -каналом представлена на рисунок 19.4 (выделена пунктирной линией).

Рисунке 19.4 – Принципиальная схема ячейки ОЗУ динамического типа с элементами записи и усилителя считывания

На схеме также показаны общие элементы для – ячеек одного столбца. Главное достоинство этой схемы – малая занимаемая площадь. Накопительный конденсатор имеет МДП-структуру и изготовляется в едином технологическом цикле. Величина его емкости составляет сотые доли пФ. Конденсатор хранит информационный заряд. Транзистор выполняет роль переключателя, передающего заряд конденсатора в разрядную шину данных ШД при считывании либо заряжающего конденсатор при записи. В режиме хранения на адресной линии должен присутствовать потенциал логической единицы, под действием которого транзистор будет закрыт и конденсатор отключен от шины данных ШД. Включение конденсатора в шину данных осуществляется логическим нулем на линии . При этом на транзистор подается напряжение что приводит к его открыванию.

Поскольку шина данных ШД объединяет все ячейки памяти данного столбца, то она характеризуется большой длиной и ее собственная емкость имеет существенное значение. Поэтому при открывании транзистора потенциал шины данных изменяется незначительно. Чтобы установившийся потенциал на ШД однозначно идентифицировать с уровнем напряжения логического нуля или логической единицы, используется усилитель на базе транзистора и резистора . Непосредственно перед считыванием емкость шины данных подзаряжают подключением ее к источнику питания через транзистор . Делается это для фиксации потенциала шины данных. При считывании информации происходит перераспределение заряда конденсатора и заряда шины данных, в результате чего информация, хранимая на конденсаторе , разрушается. Поэтому в цикле считывания необходимо произвести восстановление (регенерацию) заряда конденсатора. Для этих целей, а также для записи в ячейку памяти новых значений, используются транзисторы и , которые подключают шину данных либо к источнику питания, либо к нулевому общему потенциалу. Для записи в ячейку памяти логической единицы необходимо открыть транзистор нулевым значением управляющего сигнала и подключить к шине данных источник питания. Для записи логического нуля необходимо нулевым потенциалом на входе открыть транзистор . Одновременная подача логических нулей на входы и не допускается, так как это вызовет короткое замыкание источника питания на общий провод заземления.

На рисунке 19.5 показан пример структуры микросхемы динамического ОЗУ емкостью 64 Кбит. Данные в этой микросхеме памяти представлены как 64 К отдельных бит, т.е. формат памяти 64 . Ввод и вывод осуществляется раздельно, для чего предусмотрена пара выводов и . Для ввода адреса имеется восемь контактов . Адресация к 64 К ячейкам памяти осуществляется шестнадцатиразрядными адресами . Причем сначала на входы подаются восемь младших разрядов адреса, а затем – восемь старших разрядов . Восемь младших разрядов адреса фиксируются в регистре адреса строки подачей сигнала (сигнал выборки строки). Восемь старших разрядов адреса фиксируются в регистре адреса столбца подачей сигнала (сигнал выборки столбца). Такой режим передачи кода адреса называется мультиплексированным по времени.

Рисунок 19.5 – Структура микросхемы ОЗУ динамического типа

Мультиплексирование позволяет сократить количество выводов микросхемы. Ячейки памяти расположены в виде матрицы из 128 строк и 512 столбцов.

На рисунке 19.6 представлены временные диаграммы, поясняющие работу динамического ОЗУ. В режиме считывания на адресные входы микросхемы подаются восемь младших разрядов , при этом производится выбор строки матрицы в соответствии с поступившим адресом. У всех ячеек памяти выбранной строки регенерируется заряд конденсаторов. Далее производится подача на адресные входы микросхемы восьми старших разрядов адреса, после чего вырабатывается сигнал . Этим сигналом выбирается нужная ячейка памяти из выбранной строки и считанный бит информации поступает на выход микросхемы . В режиме считывания промежуток времени между подачей сигнала и появлением данных на выходе называется временем выборки .

Рисунок 19.6 – Временные диаграммы работы ОЗУ динамического типа

В режиме записи за время цикла записи принимается интервал времени между появлением сигнала и окончанием сигнала . В момент появления сигнала записываемые данные уже должны поступать на вход . Сигнал обычно вырабатывается раньше сигнала .

Для каждого типа микросхем динамических ОЗУ в справочниках приводятся временные параметры, регламентирующие длительность управляющих сигналов, подаваемых на микросхему, а также порядок их взаимного следования.

Заряд конденсатора динамического ОЗУ со временем уменьшается вследствие утечки, поэтому для сохранения содержимого памяти процесс регенерации каждой ячейки памяти должен производится через определенное время. Следовательно, для предотвращения разряда запоминающих конденсаторов необходимо обращаться к каждой строке матрицы через определенное время. При обычном режиме работы ОЗУ это условие не соблюдается, так как обращение к одним ячейкам происходит часто, а к другим очень редко. Поэтому необходим специальный блок, ответственный за регенерацию памяти.

Для правильной работы динамического ОЗУ требуется довольно сложная схема управления. Вследствие того, что обращение к ОЗУ со стороны устройств, с которыми оно работает, и обращение со стороны схемы регенерации не зависит один от другого, следовательно, могут возникать одновременно, то необходимая схема, обеспечивающая упорядоченность этих обращений. Для этих целей существует схемы, управляющие работой динамических ОЗУ, реализованные на одном кристалле. Их использование позволяет значительно упростить построение памяти на динамических ОЗУ.

Постоянное запоминающее устройство предназначено для долговременного хранения информации, не разрушаемой при отключении питания. Принцип работы ПЗУ поясняет схема, изображенная на рисунке 19.7.

Таким образом, информация, хранимая в ПЗУ, определяется расположением диодов в пересечениях горизонтальных и вертикальных линий. При этом необходимое расположение диодов можно организовать двумя путями. В первом случае запись необходимой информации выполняется в ходе технологического процесса изготовления ПЗУ с использованием маскирующих фотошаблонов, причем запись информации производится в соответствии с технической документацией на данное ПЗУ. Такие ПЗУ называются масочными. Примерами таких ПЗУ являются ПЗУ с записанными программами работы станков с числовым управлением, преобразователи кодов и ряд других случаев, когда одна и та же информация используется в процессе работы множества однотипных устройств.

Рисунок 19.7 – Структура схема масочного ПЗУ

Во втором случае запись в ПЗУ осуществляет сам пользователь. Такие ПЗУ называются прожигаемыми ПЗУ. Запись информации в них производится с помощью специальных устройств, называемых программаторами. В процессе изготовления прожигаемых ПЗУ диоды устанавливаются во всех без исключения точках пересечения вертикальных и горизонтальных линий. Последовательно с каждым диодом включены плавкие перемычки, изготавливаемые из материала с относительно большим удельным сопротивлением, обычно из поликристаллического кремния или нихрома.

Если через горизонтальную и вертикальную линии пропустить импульс тока порядка 20 мА и длительностью 1 мс, то плавкая перемычка выгорает и соответствующий диод оказывается отключенным. Очевидно, что однажды записанная таким образом информация не может быть изменена. В реальных микросхемах ПЗУ вместо диодов обычно используются биполярные или полевые транзисторы.

Отдельным классом ПЗУ выделяют перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ), которые допускают стирание записанной информации и запись новой. Схема ППЗУ почти полностью совпадает с ранее рассмотренной схемой ПЗУ с той разницей, что в точках пересечения горизонтальных и вертикальных линий вместо диодов включены специальные МДП – транзисторы с так называемым изолированным затвором.

В обычном состоянии участок исток-сток транзистора электрический ток не проводит. Однако если приложить между истоком и стоком большое напряжение (приблизительно 80 В), то затвор зарядится в результате инжекции электронов. Такой процесс называется зарядкой через влияние. В дальнейшем заряд затвора будет сохраняться достаточно долго. Благодаря весьма высокому качеству диэлектрика из двуокиси кремния при температуре заряд уменьшается на 70% первоначального значения примерно за 10 лет. Отрицательный заряд на затворе притягивает дырки, создает в « -области проводящий -канал между истоком и стоком, т.е. транзистор оказывается в проводящем состоянии.

Стирание информации производится путем подачи специальных электрических сигналов в течение определенного времени. В качестве соединительного транзистора в электрически стираемых ППЗУ используется МНОП-транзистор. Он имеет следующую структуру: металл – нитрид кремния – оксид – полупроводник. Между затвором и полупроводником находятся два разных слоя диэлектрика. Использование таких ППЗУ позволяет осуществлять процесс программирования, не извлекая микросхему из устройства, в котором она эксплуатируется.

Контрольные вопросы

1 Провидите сравнительный анализ БИС ОЗУ статического и динамического типов.

2 Поясните принцип функционирования ячейки ОЗУ статического типа.

3 Какие функции в микросхеме памяти выполняют дешифраторы строк и столбцов?

4 Какая общая последовательность подачи управляющих сигналов на микросхемы ОЗУ статического типа в режиме считывания и записи?

5 Какие способы увеличения объема хранимой информации при организации модулей оперативной памяти вам известны?

6 Поясните принципы функционирования микросхем ОЗУ динамического типа.

7 Как организуется хранение информации в микросхемах ПЗУ?

8 Как реализуется возможность записи информации в прожигаемые ПЗУ?

9 Каким образом реализуются стирание и запись информации в ППЗУ?

Динамическая оперативная память (Dynamic RAM - DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти современных ПК. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки очень плотно упакованы, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно организовать память большой емкости.

Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Проблемы, связанные с памятью этого типа, вызваны тем, что она динамическая, т.е. должна постоянно регенерироваться, так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут “стекать” и данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы, однако он может быть встроен и в процессор, как в процессорах Athlon 64 и Opteron), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную 15 мс. Это означает, что каждые 15 мс прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.

Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора. Каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько тактов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах эти расходы составляют менее 1%. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы настройки BIOS. Интервал между циклами обновления называется tREF и задается не в миллисекундах, а в тактах. Очень важно понимать, что увеличение значения интервала между циклами обновления для повышения быстродействия системы может привести к случайным произвольным ошибкам.

Произвольная ошибка - это ошибка обработки данных, не связанная с дефектом микросхемы памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. Поскольку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. Одним из наиболее приемлемых вариантов является использование для синхронизации памяти значений по умолчанию или автоматических настроек, заданных с помощью программы Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры.

В устройствах DRAM для хранения одного бита используются только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее время уже выпускаются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 4 Гбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат более миллиарда транзисторов! А ведь процессор Core 2 Duo имеет только 230 млн. транзисторов. Откуда такая разница? Дело в том, что в микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последовательно, обычно в узлах квадратной решетки, в виде очень простых, периодически повторяющихся структур, в отличие от процессора, представляющего собой более сложную схему различных структур, не имеющую четкой организации.

Транзистор каждого одноразрядного регистра DRAM используется для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана единица; если заряда нет - записан нуль. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, поэтому память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приводит к потере заряда в ячейке DRAM, а, следовательно, и к потере данных. В работающей системе это приводит к появлению “синего экрана смерти”, глобальным отказам системы защиты, повреждению файлов или к полному отказу системы.

Типы ОЗУ и производительность

В вопросах производительности памяти наблюдается некоторая путаница, поскольку обычно она измеряется в наносекундах, в то время как быстродействие процессоров - в мегагерцах и гигагерцах. В новых быстродействующих модулях памяти быстродействие измеряется в мегагерцах, что дополнительно усложняет ситуацию. К счастью, перевести одни единицы измерения в другие не составляет труда.

Наносекунда - это одна миллиардная доля секунды, т.е. очень короткий промежуток времени. В частности, скорость света в вакууме равна 299 792 км/с, т.е. за одну миллиардную долю секунды световой луч проходит расстояние, равное всего 29,98 см, т.е. меньше длины обычной линейки.

Быстродействие микросхем памяти и систем в целом выражается в мегагерцах (МГц), т.е. в миллионах тактов в секунду, или же в гигагерцах (ГГц), т.е. в миллиардах тактов в секунду. Современные процессоры имеют тактовую частоту от 2 до 4 ГГц, хотя гораздо большее влияние на их производительность оказывает их внутренняя архитектура (например, многоядерность).

При увеличении тактовой частоты продолжительность цикла уменьшается. В ходе эволюции компьютеров для повышения эффективности обращения к памяти создавались различные уровни кэширования, позволяющие перехватывать обращения процессора к более медленной основной памяти. Только недавно модули памяти DDR, DDR2 и DDR3 SDRAM сравняли свою производительность с шиной процессора. Когда частоты шин процессора и памяти равны, производительность памяти становится оптимальной для конкретной системы.

К 2000 году скорость шины процессора и памяти увеличилась до 100 и даже 133 МГц (эти модули назывались PC100 и PC133 соответственно). В начале 2001 года быстродействие памяти удвоилось и стало равным 200 и 266 МГц; в 2002 году выпускались модули памяти DDR со скоростью 333 МГц, а в 2003 году - 400 и 533 МГц. В 2005 и 2006 годах рост быстродействия памяти соответствовал росту скорости шины процессора - от 667 до 800 МГц. В 2007 году скорость памяти DDR2 была доведена до 1066 МГц, и одновременно с этим была выпущена память DDR3 с такой же и более высокой частотой. В таблице ниже перечислены основные типы модулей памяти и их быстродействие.

EDO. Extended Data Out (расширенные возможности вывода данных).

DIMM. Dual Inline Memory Module (модуль памяти с двухрядным расположением выводов).

DDR. Double Data Rate (удвоенная скорость передачи данных).

FPM. Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).

SIMM. Single Inline Memory Module (модуль памяти с однорядным расположением выводов).

RIMM. Rambus Inline Memory Module (модуль памяти стандарта Rambus).

Быстродействие памяти

При замене неисправного модуля или микросхемы памяти новый элемент должен быть того же типа. Обычно проблемы возникают при использовании микросхем или модулей, не удовлетворяющих определенным (не слишком многочисленным) требованиям, например к длительности циклов регенерации. Можно также столкнуться с несоответствием в разводках выводов, емкости, разрядности или конструкции. Если вы не знаете, какие модули памяти позволяет использовать материнская плата, обратитесь к документации.

При установке более быстродействующих модулей памяти производительность компьютера, как правило, не повышается, поскольку система обращается к ней с прежней частотой. В системах, использующих модули DIMM и RIMM, быстродействие и прочие временные характеристики считываются из специального ПЗУ SPD, установленного на модуле. После этого контроллер памяти конфигурируется с применением этих параметров. Производительность таких систем можно повышать, устанавливая более скоростные модули памяти, вплоть до предела, поддерживаемого набором микросхем системной логики.

Чтобы акцентировать внимание на проблемах синхронизации и надежности, Intel и JEDEC создали стандарты для высокоскоростных модулей памяти, определяющие их типы, удовлетворяющие определенным уровням быстродействия. Согласно этим стандартам и выполняется классификация модулей памяти по временным характеристикам.

Основными признаками недостаточного быстродействия памяти или ее несоответствия временным характеристикам системы являются ошибки памяти и четности, а также “зависание” и неустойчивая работа системы. В этом случае тест POST также может выдать ошибки. Если точно не известно, какие модули памяти допустимы для вашей системы, свяжитесь с производителем компьютера и постарайтесь приобрести модули памяти от хорошо зарекомендовавшего себя поставщика.

Контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC)

Ошибки при хранении информации в оперативной памяти неизбежны. Они обычно классифицируются как аппаратные отказы и нерегулярные ошибки (сбои).

Если нормально функционирующая микросхема вследствие, например, физического повреждения начинает работать неправильно, то это называется аппаратным отказом. Чтобы устранить данный тип отказа, обычно требуется заменить некоторую часть аппаратных средств памяти, например неисправную микросхему, модуль SIMM или DIMM.

Другой, более коварный тип отказа - нерегулярная ошибка (сбой). Это непостоянный отказ, который не происходит при повторении условий функционирования или через регулярные интервалы. (Такие отказы обычно “лечатся” выключением питания компьютера и последующим его включением.)

Приблизительно 20 лет назад сотрудники Intel установили, что причиной сбоев являются альфа-частицы. Поскольку альфа-частицы не могут проникнуть даже через тонкий лист бумаги, выяснилось, что их источником служит вещество, используемое в полупроводниках. При исследовании были обнаружены частицы тория и урана в пластмассовых и керамических корпусах микросхем, применявшихся в те годы. Изменив технологический процесс, производители памяти избавились от этих примесей.

В настоящее время производители памяти почти полностью устранили источники альфа-частиц. В связи с этим многие производители модулей памяти исключили из своей продукции поддержку проверки четности, несмотря на то что от сбоев памяти не удалось избавиться полностью. Более поздние исследования показали, что альфа-частицы охватывают лишь малую долю причин сбоев памяти.

Сегодня самая главная причина нерегулярных ошибок - космические лучи. Поскольку они имеют очень большую проникающую способность, от них практически невозможно защититься с помощью экранирования. Этот тезис был подтвержден рядом исследований, проведенных компанией IBM под руководством доктора Дж.Ф. Зиглера.

Эксперимент по проверке степени влияния космических лучей на появление ошибок в работе микросхем показал, что соотношение “сигнал–ошибка” (Signal-to-Error Ratio - SER) для некоторых модулей DRAM составило 5950 единиц интенсивности отказов (Failure Units - FU) на миллиард часов наработки для каждой микросхемы. Измерения проводились в условиях, приближенных к реальным, с учетом длительности в несколько миллионов машино-часов. В среднестатистическом компьютере это означало бы появление программной ошибки памяти примерно каждые шесть месяцев. В серверных системах или мощных рабочих станциях с большим объемом установленной оперативной памяти подобная статистика указывает на одну ошибку (или даже более) в работе памяти каждый месяц! Когда тестовая система с теми же модулями DIMM была размещена в надежном убежище на глубине более 15 метров под слоем каменной породы, что полностью устраняет влияние космических лучей, программные ошибки в работе памяти вообще не были зафиксированы. Эксперимент продемонстрировал не только опасность влияния космических лучей, но и доказал, насколько эффективно устранять влияние альфа-лучей и радиоактивных примесей в оболочках модулей памяти.

Ошибки, вызванные космическими лучами, представляют большую опасность для модулей SRAM, чем для DRAM, поскольку заряд, необходимый для хранения одного бита в ячейке SRAM, гораздо меньше емкости конденсатора в DRAM. Космические лучи также представляют большую опасность для микросхем памяти с повышенной плотностью. Чем выше плотность ячеек памяти, тем выше вероятность того, что космический луч заденет такую ячейку. С ростом объема памяти увеличивается и частота ошибок.

К сожалению, производители ПК не признали это причиной погрешностей памяти. Случайную природу сбоя намного легче оправдать разрядом электростатического электричества, большими выбросами мощности или неустойчивой работой программного обеспечения (например, использованием новой версии операционной системы или большой прикладной программы). Исследования показали, что для систем ECC доля программных ошибок в 30 раз больше, чем аппаратных. И это неудивительно, учитывая вредное влияние космических лучей. Количество ошибок зависит от числа установленных модулей памяти и их объема. Программные ошибки могут случаться и раз в месяц, и несколько раз в неделю, и даже чаще.

Хотя космические лучи и радиация являются причиной большинства программных ошибок памяти, существуют и другие факторы.

Скачки в энергоснабжении или шум на линии. Причиной может быть неисправный блок питания или настенная розетка.

Использование памяти с некорректным типом или характеристиками. Тип памяти должен поддерживаться конкретным набором микросхем и обладать определенной этим набором скоростью доступа.

Статические разряды. Вызывают моментальные скачки в энергоснабжении, что может повлиять на целостность данных.

Ошибки синхронизации. Не поступившие своевременно данные могут стать причиной появления программных ошибок. Зачастую причина заключается в неверных параметрах BIOS, оперативной памяти, быстродействие которой ниже, чем требуется системе, разогнанных процессорах и прочих системных компонентах.

Тепловыделение. Скоростные модули памяти характеризуются более высокими рабочими температурами, чем модули устаревших типов. Первыми модулями, оснащенными теплорассеивателями, оказались модули RDRAM RIMM; сейчас теплорассеивателями оснащены многие производительные модули DDR2 и DDR3, так как это единственный способ борьбы с повышенным уровнем тепловыделения.

Большинство описанных проблем не приводят к прекращению работы микросхем памяти (хотя некачественное энергоснабжение или статическое электричество могут физически их повредить), однако могут повлиять на хранимые данные.

Игнорирование сбоев, конечно, - не лучший способ борьбы с ними. Для повышения отказоустойчивости в современных компьютерах применяются такие методы как контроль четности и коды коррекции ошибок (ECC).

Системы без контроля четности вообще не обеспечивают отказоустойчивость. Единственная причина, по которой они используются, - их минимальная базовая стоимость. При этом, в отличие от других технологий, не требуется дополнительная оперативная память. Байт данных с контролем четности включает в себя 9, а не 8 бит, поэтому стоимость памяти с контролем четности выше примерно на 12,5%. Кроме того, контроллеры памяти, не требующие логических мостов для подсчета данных четности или ECC, обладают упрощенной внутренней архитектурой. Портативные системы, для которых вопрос минимального энергопотребления особенно важен, выигрывают от уменьшенного энергоснабжения памяти благодаря использованию меньшего количества микросхем DRAM. И наконец, шина данных памяти без контроля четности имеет меньшую разрядность, что выражается в сокращении количества буферов данных. Статистическая вероятность возникновения ошибок памяти в современных настольных компьютерах составляет примерно одну ошибку в несколько месяцев. При этом количество ошибок зависит от объема и типа используемой памяти.

Подобный уровень ошибок может оказаться приемлемым для обычных компьютеров, не используемых для работы с важными приложениями. В этом случае цена играет основную роль, а дополнительная стоимость модулей памяти с поддержкой контроля четности и кода ECC себя не оправдывает, поэтому легче смириться с нечастыми ошибками.

Контроль четности

Это один из введенных IBM стандартов, в соответствии с которым информация в банках памяти хранится фрагментами по 9 бит, причем восемь из них (составляющих один байт) предназначены собственно для данных, а девятый является битом четности. Использование девятого бита позволяет схемам управления памятью на аппаратном уровне контролировать целостность каждого байта данных. Если обнаруживается ошибка, работа компьютера останавливается, а на экран выводится сообщение о неисправности. Если вы работаете на компьютере под управлением Windows или OS/2, то при возникновении ошибки контроля четности сообщение, возможно, не появится, а просто произойдет блокировка системы. После перезагрузки система BIOS должна идентифицировать ошибку и выдать соответствующее сообщение.

Модули SIMM и DIMM поставляются как с поддержкой битов четности, так и без нее.

Первые ПК использовали память с контролем четности для регулировки точности осуществляемых операций. Начиная с 1994 года на рынке ПК стала развиваться тревожная тенденция. Большинство компаний начали предлагать компьютеры с памятью без контроля четности и вообще без каких бы то ни было средств определения или исправления ошибок. Применение модулей SIMM без контроля четности сокращало стоимость памяти на 10–15%. В свою очередь, память с контролем четности обходилась дороже за счет применения дополнительных битов четности. Технология контроля четности не позволяет исправлять системные ошибки, однако предоставляет пользователю компьютера возможность их обнаружить, что имеет следующие преимущества:

контроль четности защищает от последствий неверных вычислений на базе некорректных данных;

контроль четности точно указывает на источник возникновения ошибок, помогая разобраться в проблеме и улучшая степень эксплуатационной надежности компьютера.

Для реализации поддержки памяти с контролем четности или без него не требуется особых усилий. В частности, внедрить поддержку контроля четности для системной платы не составит труда. Основные затраты внедрения связаны со стоимостью самих модулей памяти с контролем четности. Если покупатели готовы пойти на дополнительные затраты для повышения надежности заказываемых систем, производители компьютеров могут предоставить им такую возможность.

Схема проверки четности

При разработке стандарта контроля четности IBM определила, что значение бита четности задается таким, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах (восемь разрядов данных и разряд четности) было нечетным. Другими словами, когда байт (8 бит) данных заносится в память, специальная схема контроля четности (микросхема, установленная на системной плате или на плате памяти) подсчитывает количество единиц в байте. Если оно четное, на выходе микросхемы формируется сигнал логической единицы, который сохраняется в соответствующем разряде памяти как девятый бит (бит четности). Общее количество единиц во всех девяти разрядах при этом становится нечетным. Если же количество единиц в восьми разрядах исходных данных нечетное, то бит четности равен нулю, и сумма двоичных цифр в девяти разрядах также остается нечетной.

Рассмотрим конкретный пример (имейте в виду, что разряды в байте нумеруются с нуля, т.е. 0, 1, 2, ..., 7).

Значение бита: 1 0 1 1 0 0 1 1 0

В данном случае общее число единичных битов данных нечетное (5), поэтому бит четности должен быть равен нулю.

Рассмотрим еще один пример.

Разряд данных: 0 1 2 3 4 5 6 7 бит чётности

Значение бита: 0 0 1 1 0 0 1 1 1

В этом примере общее число единичных битов данных четное (4), поэтому бит четности должен быть равен единице, чтобы количество единиц во всех девяти разрядах было нечетным.

При считывании из памяти та же самая микросхема проверяет информацию на четность. Если в 9-разрядном байте число единиц четное, значит, при считывании или записи данных произошла ошибка. Определить, в каком разряде она произошла, невозможно (нельзя даже выяснить количество испорченных разрядов). Более того, если сбой произошел в трех разрядах (в нечетном их количестве), то ошибка будет зафиксирована; однако при двух ошибочных разрядах (или четном их количестве) сбой не регистрируется. Поскольку одновременная ошибка в нескольких разрядах одного байта крайне маловероятна, такая схема проверки была недорогой и при этом позволяла с большой вероятностью определять ошибки в памяти.

При обнаружении ошибки схема контроля четности на системной плате формирует немаскируемое прерывание (NMI) - системное предупреждение, которое программы не могут проигнорировать. Основная работа прекращается и инициируется специальная процедура, записанная в BIOS.

Еще несколько лет назад, когда память была дорогой, некоторые компании выпускали модули SIMM с фиктивными микросхемами проверки четности. Вместо того чтобы хранить биты четности для каждого байта памяти, эти микросхемы генерировали всегда корректный бит дополнения. Таким образом, когда система пыталась записать бит четности, он попросту отбрасывался, а при считывании байта всегда подставлялся “нужный” бит четности. В результате система всегда получала информацию о корректной работе памяти, хотя на самом деле все могло быть далеко не так.

Такие мошеннические действия были вызваны дороговизной микросхем памяти, и производители были готовы переплатить пару лишних долларов на генератор, чтобы не платить за более дорогую микросхему, хранящую биты четности. К сожалению, определить наличие в модуле памяти такого генератора было достаточно сложно. Поддельный генератор четности внешне отличался от обычных микросхем памяти и имел маркировку, отличную от других микросхем модуля. Большинство из генераторов имели логотип “GSM”, который указывал на изготовителя логического устройства проверки четности, часто отличавшегося от компании, выпустившей сам модуль памяти.

Единственным инструментом, позволявшим выявить модули с поддельным контролем четности, были аппаратные тестеры. Сейчас же цены на память упали, что устранило первопричину подобных махинаций.

Код коррекции ошибок

Коды коррекции ошибок (Error Correcting Code - ECC) позволяют не только обнаружить ошибку, но и исправить ее в одном разряде. Поэтому компьютер, в котором используются подобные коды, в случае ошибки в одном разряде может работать без прерывания, причем данные не будут искажены. Коды коррекции ошибок в большинстве ПК позволяют только обнаруживать, но не исправлять ошибки в двух разрядах. В то же время приблизительно 98% сбоев памяти вызвано именно ошибкой в одном разряде, т.е. она успешно исправляется с помощью данного типа кодов. Данный тип ECC получил название SEC_DED (эта аббревиатура расшифровывается как “одноразрядная коррекция, двухразрядное обнаружение ошибок”).

В кодах коррекции ошибок этого типа для каждых 32 бит требуется дополнительно семь контрольных разрядов при 4-байтовой и восемь - при 8-байтовой организации (64-разрядные процессоры Athlon/Pentium). Реализация кода коррекции ошибок при 4-байтовой организации, естественно, дороже обычной проверки четности, но при 8-байтовой организации их стоимости равны, поскольку требуют одного и того же количества дополнительных разрядов.

Для использования кодов коррекции ошибок необходим контроллер памяти, вычисляющий контрольные разряды при операции записи в память. При чтении из памяти такой контроллер сравнивает прочитанные и вычисленные значения контрольных разрядов и при необходимости исправляет испорченный бит (или биты). Стоимость дополнительных логических схем для реализации кода коррекции ошибок в контроллере памяти не очень высока, но это может значительно снизить быстродействие памяти при операциях записи. Это происходит потому, что при операциях записи и чтения необходимо ожидать завершения вычисления контрольных разрядов. При записи части слова вначале следует прочитать полное слово, затем перезаписать изменяемые байты и только после этого - новые вычисленные контрольные разряды.

В большинстве случаев сбой памяти происходит в одном разряде, и потому такие ошибки успешно исправляются с помощью кода коррекции ошибок. Использование отказоустойчивой памяти обеспечивает высокую надежность компьютера. Память с кодом ECC предназначена для серверов, рабочих станций или приложений, в которых потенциальная стоимость ошибки вычислений значительно превышает дополнительные средства, вкладываемые в оборудование, а также временные затраты системы. Если данные имеют особое значение, и компьютеры применяются для решения важных задач, без памяти ECC не обойтись. По сути, ни один уважающий себя системный инженер не будет использовать сервер, даже самый неприхотливый, без памяти ECC.

Пользователи имеют выбор между системами без контроля четности, с контролем четности и с ECC, т.е. между желательным уровнем отказоустойчивости компьютера и степенью ценности используемых данных.

Вывод

Для использования кодов коррекции ошибок необходим контроллер памяти, вычисляющий контрольные разряды при операции записи в память. Стоимость дополнительных логических схем для реализации кода коррекции ошибок в контроллере памяти не очень высока, но это может значительно снизить быстродействие памяти при операциях записи. Это происходит потому, что при операциях записи и чтения необходимо ожидать завершения вычисления контрольных разрядов.

Использование отказоустойчивой памяти обеспечивает высокую надежность компьютера. Память с кодом ECC предназначена для серверов, рабочих станций или приложений, в которых потенциальная стоимость ошибки вычислений значительно превышает дополнительные средства, вкладываемые в оборудование, а также временные затраты системы. Если данные имеют особое значение, и компьютеры применяются для решения важных задач, без памяти ECC не обойтись.

На протяжении долгого времени разработчиками создавались различные типы памяти. Они обладали разными характеристиками, в них были использованы разные технические решения. Основной движущей силой развития памяти было развитие компьютеров и центральных процессоров. Постоянно требовалось увеличение быстродействия и объёма оперативной памяти.

Страничная память

Страничная память (англ. page mode DRAM, PM DRAM) являлась одним из первых типов выпускаемой компьютерной оперативной памяти. Память такого типа выпускалась в начале 1990-х годов, но с ростом производительности процессоров и ресурсоёмкости приложений требовалось увеличивать не только объём памяти, но и скорость её работы.

Быстрая страничная память

Быстрая страничная память (англ. fast page mode DRAM, FPM DRAM) появилась в 1995 году. Принципиально новых изменений память не претерпела, а увеличение скорости работы достигалось путём повышенной нагрузки на аппаратную часть памяти. Данный тип памяти в основном применялся для компьютеров с процессорами Intel 80486 или аналогичных процессоров других фирм. Память могла работать на частотах 25 и 33 МГц с временем полного доступа 70 и 60 нс и с временем рабочего цикла 40 и 35 нс соответственно.

EDO DRAM -- память с усовершенствованным выходом

C появлением процессоров Intel Pentium память FPM DRAM оказалась совершенно неэффективной. Поэтому следующим шагом стала память с усовершенствованным выходом (англ. extended data out DRAM, EDO DRAM). Эта память появилась на рынке в 1996 году и стала активно использоваться на компьютерах с процессорами Intel Pentium и выше. Её производительность оказалась на 10--15 % выше по сравнению с памятью типа FPM DRAM. Её рабочая частота была 40 и 50 МГц, соответственно, время полного доступа -- 60 и 50 нс, а время рабочего цикла -- 25 и 20 нс. Эта память содержит регистр-защелку (англ. data latch) выходных данных, что обеспечивает некоторую конвейеризацию работы для повышения производительности при чтении.

SDRAM -- синхронная DRAM

В связи с выпуском новых процессоров и постепенным увеличением частоты системной шины, стабильность работы памяти типа EDO DRAM стала заметно падать. Ей на смену пришла синхронная память (англ. synchronous DRAM, SDRAM). Новыми особенностями этого типа памяти являлись использование тактового генератора для синхронизации всех сигналов и использование конвейерной обработки информации. Также память надёжно работала на более высоких частотах системной шины (100 МГц и выше).

Если для FPM и EDO памяти указывается время чтения первой ячейки в цепочке (время доступа), то для SDRAM указывается время считывания последующих ячеек. Цепочка -- несколько последовательных ячеек. На считывание первой ячейки уходит довольно много времени (60-70 нс) независимо от типа памяти, а вот время чтения последующих сильно зависит от типа. Рабочие частоты этого типа памяти могли равняться 66, 100 или 133 МГц, время полного доступа -- 40 и 30 нс, а время рабочего цикла -- 10 и 7,5 нс.

С этим типом памяти применялась технология Virtual Channel Memory (VCM). VCM использует архитектуру виртуального канала, позволяющую более гибко и эффективно передавать данные с использованием каналов регистра на чипе. Данная архитектура интегрирована в SDRAM. VCM, помимо высокой скорости передачи данных, была совместима с существующими SDRAM, что позволяло делать апгрейд системы без значительных затрат и модификаций. Это решение нашло поддержку у некоторых производителей чипсетов.

Enhanced SDRAM (ESDRAM)

Для преодоления некоторых проблем с задержкой сигнала, присущих стандартной DRAM-памяти, было решено встроить небольшое количество SRAM в чип, то есть создать на чипе кеш.

ESDRAM -- это, по существу, SDRAM с небольшим количеством SRAM. При малой задержке и пакетной работе достигается частота до 200 МГц. Как и в случае внешней кеш-памяти, SRAM-кеш предназначен для хранения и выборки наиболее часто используемых данных. Отсюда и уменьшение времени доступа к данным медленной DRAM.

Одним из таких решений являлась ESDRAM от Ramtron International Corporation.

Пакетная EDO RAM

Пакетная память EDO RAM (англ. burst extended data output DRAM, BEDO DRAM) стала дешёвой альтернативой памяти типа SDRAM. Основанная на памяти EDO DRAM, её ключевой особенностью являлась технология поблочного чтения данных (блок данных читался за один такт), что сделало её работу быстрее, чем у памяти типа SDRAM. Однако невозможность работать на частоте системной шины более 66 МГц не позволила данному типу памяти стать популярным.

Специальный тип оперативной памяти -- Video RAM (VRAM) -- был разработан на основе памяти типа SDRAM для использования в видеоплатах. Он позволял обеспечить непрерывный поток данных в процессе обновления изображения, что было необходимо для реализации изображений высокого качества. На основе памяти типа VRAM, появилась спецификация памяти типа Windows RAM (WRAM), иногда её ошибочно связывают с операционными системами семейства Windows. Её производительность стала на 25 % выше, чем у оригинальной памяти типа SDRAM, благодаря некоторым техническим изменениям.

По сравнению с обычной памятью типа SDRAM, в памяти SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных (англ. double data rate SDRAM, DDR SDRAM или SDRAM II) была вдвое увеличена пропускная способность. Первоначально память такого типа применялась в видеоплатах, но позднее появилась поддержка DDR SDRAM со стороны чипсетов.

У всех предыдущих DRAM были разделены линии адреса, данных и управления, которые накладывают ограничения на скорость работы устройств. Для преодоления этого ограничения в некоторых технологических решениях все сигналы стали выполняться на одной шине. Двумя из таких решений являются технологии DRDRAM и SLDRAM. Они получили наибольшую популярность и заслуживают внимания. Стандарт SLDRAM является открытым и, подобно предыдущей технологии, SLDRAM использует оба перепада тактового сигнала. Что касается интерфейса, то SLDRAM перенимает протокол, названный SynchLink Interface и стремится работать на частоте 400 МГц.

Память DDR SDRAM работает на частотах в 100, 133, 166 и 200 МГц, её время полного доступа -- 30 и 22,5 нс, а время рабочего цикла -- 5, 3,75, 3 и 2,5 нс.

Так как частота синхронизации лежит в пределах от 100 до 200 МГц, а данные передаются по 2 бита на один синхроимпульс, как по фронту, так и по срезу тактового импульса, то эффективная частота передачи данных лежит в пределах от 200 до 400 МГц. Такие модули памяти обозначаются DDR200, DDR266, DDR333, DDR400.

Direct RDRAM или Direct Rambus DRAM

Тип памяти RDRAM является разработкой компании Rambus. Высокое быстродействие этой памяти достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах памяти. Первоначальная очень высокая стоимость памяти RDRAM привела к тому, что производители мощных компьютеров предпочли менее производительную, зато более дешёвую память DDR SDRAM. Рабочие частоты памяти -- 400, 600 и 800 МГц, время полного доступа -- до 30 нс, время рабочего цикла -- до 2,5 нс.

Конструктивно новый тип оперативной памяти DDR2 SDRAM был выпущен в 2004 году. Основываясь на технологии DDR SDRAM, этот тип памяти за счёт технических изменений показывает более высокое быстродействие и предназначен для использования на современных компьютерах. Память может работать с тактовой частотой шины 200, 266, 333, 337, 400, 533, 575 и 600 МГц. При этом эффективная частота передачи данных соответственно будет 400, 533, 667, 675, 800, 1066, 1150 и 1200 МГц. Некоторые производители модулей памяти помимо стандартных частот выпускают и образцы, работающие на нестандартных (промежуточных) частотах. Они предназначены для использования в разогнанных системах, где требуется запас по частоте. Время полного доступа -- 25, 11,25, 9, 7,5 нс и менее. Время рабочего цикла -- от 5 до 1,67 нс.

Этот тип памяти основан на технологиях DDR2 SDRAM со вдвое увеличенной частотой передачи данных по шине памяти. Отличается пониженным энергопотреблением по сравнению с предшественниками. Частота полосы пропускания лежит в пределах от 800 до 2400 МГц (рекорд частоты -- более 3000 МГц), что обеспечивает большую пропускную способность по сравнению со всеми предшественниками.

Конструктивные исполнения памяти DRAM

Рис. 4. Различные корпуса DRAM. Сверху вниз: DIP, SIPP, SIMM (30-контактный), SIMM (72-контактный), DIMM (168-контактный), DIMM (184-контактный, DDR)

Рис.5.

Рис. 6. Модуль DDR2 в 204-контактном корпусе SO-DIMM

Память типа DRAM конструктивно выполняют и в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP, SOIC, BGA, и в виде модулей памяти типа: SIPP, SIMM, DIMM, RIMM.

Первоначально микросхемы памяти выпускались в корпусах типа DIP (к примеру, серия К565РУхх), далее они стали производиться в более технологичных для применения в модулях корпусах.

На многих модулях SIMM и подавляющем числе DIMM устанавливалась SPD (Serial Presence Detect) -- небольшая микросхема памяти EEPROM, хранящяя параметры модуля (ёмкость, тип, рабочее напряжение, число банков, время доступа и т. п.), которые программно были доступны как оборудованию, в котором модуль был установлен (применялось для автонастройки параметров), так и пользователям и производителям.

Модули SIPP

Модули типа SIPP (Single In-line Pin Package) представляют собой прямоугольные платы с контактами в виде ряда маленьких штырьков. Этот тип конструктивного исполнения уже практически не используется, так как он далее был вытеснен модулями типа SIMM.

Модули SIMM

Модули типа SIMM (Single In-line Memory Module) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядом контактных площадок вдоль одной из её сторон. Модули фиксируются в разъёме (сокете) подключения с помощью защёлок, путём установки платы под некоторым углом и нажатия на неё до приведения в вертикальное положение. Выпускались модули на 4, 8, 16, 32, 64, 128 Мбайт.

Наиболее распространены 30- и 72-контактные модули SIMM.

Модули DIMM

Модули типа DIMM (Dual In-line Memory Module) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядами контактных площадок вдоль обеих её сторон, устанавливаемые в разъём подключения вертикально и фиксируемые по обоим торцам защёлками. Микросхемы памяти на них могут быть размещены как с одной, так и с обеих сторон платы.

Модули памяти типа SDRAM наиболее распространены в виде 168-контактных DIMM-модулей, памяти типа DDR SDRAM -- в виде 184-контактных, а модули типа DDR2, DDR3 и FB-DIMM SDRAM -- 240-контактных модулей.

Модули SO-DIMM

Для портативных и компактных устройств (материнских плат форм-фактора Mini-ITX, лэптопов, ноутбуков, таблетов и т. п.), а также принтеров, сетевой и телекоммуникационной техники и пр. широко применяются конструктивно уменьшенные модули DRAM (как SDRAM, так и DDR SDRAM) -- SO-DIMM (Small outline DIMM) -- аналоги модулей DIMM в компактном исполнении для экономии места.

Модули RIMM

Модули типа RIMM (Rambus In-line Memory Module) менее распространены, в них выпускается память типа RDRAM. Они представлены 168- и 184-контактными разновидностями, причём на материнской плате такие модули обязательно должны устанавливаться только в парах, в противном случае в пустые разъёмы устанавливаются специальные модули-заглушки (это связано с особенностями конструкции таких модулей). Также существуют 242-контактные PC1066 RDRAM модули RIMM 4200, не совместимые с 184-контактными разъёмами, и уменьшенная версия RIMM -- SO-RIMM, которые применяются в портативных устройствах.

Динамической памяти в вычислительной машине значительно больше, чем стати­ческой, поскольку именно DRAM используется в качестве основной памяти ВМ. Как и SRAM, динамическая память состоит из ядра (массива ЗЭ) и интерфейсной логики (буферных регистров, усилителей чтения данных, схемы регенерации и др.).

В отличие от SRAM адрес ячейки DRAM передается в микросхему за два шага - вначале адрес столбца, а затем строки, что позволяет сократить количество выво­дов шины адреса примерно вдвое, уменьшить размеры корпуса и разместить на материнской плате большее количество микросхем. Это, разумеется, приводит к снижению быстродействия, так как для передачи адреса нужно вдвое больше вре­мени. Для указания, какая именно часть адреса передается в определенный момент, служат два вспомогательных сигнала RAS и CAS. При обращении к ячейке памя­ти на шину адреса выставляется адрес строки. После стабилизации процессов на шине подается сигнал RAS и адрес записывается во внутренний регистр микро­схемы памяти. Затем на шину адреса выставляется адрес столбца и выдается сиг­нал CAS. В зависимости от состояния линии WE производится чтение данных из ячейки или их запись в ячейку (перед записью данные должны быть помещены на шину данных). Интервал между установкой адреса и выдачей сигнала RAS (или CAS) оговаривается техническими характеристиками микросхемы, но обычно ад­рес выставляется в одном такте системной шины, а управляющий сигнал - в сле­дующем. Таким образом, для чтения или записи одной ячейки динамического ОЗУ требуется пять тактов, в которых происходит соответственно: выдача адреса строки, выдача сигнала RAS, выдача адреса столбца, выдача сигнала CAS, выполнение операции чтения/записи (в статической памяти процедура занимает лишь от двух до трех тактов).

Рис. 5.10. Классификация динамических ОЗУ: а - микросхемы для основной памяти; б - микросхемы для видеоадаптеров

Следует также помнить о необходимости регенерации данных. Но наряду с ес­тественным разрядом конденсатора ЗЭ со временем к потере заряда приводит так­же считывание данных из DRAM, поэтому после каждой операции чтения данные должны быть восстановлены. Это достигается за счет повторной записи тех же данных сразу после чтения. При считывании информации из одной ячейки факти­чески выдаются данные сразу всей выбранной строки, но используются только те, которые находятся в интересующем столбце, а все остальные игнорируются. Та­ким образом, операция чтения из одной ячейки приводит к разрушению данных всей строки, и их нужно восстанавливать. Регенерация данных после чтения выполняется автоматически интерфейсной логикой микросхемы, и происходит это сразу же после считывания строки. Теперь рассмотрим различные типы микросхем динамической памяти, начнем с системных DRAM, то есть микросхем, предназначенных для использования в ка­честве основной памяти. На начальном этапе это были микросхемы асинхронной памяти, работа которых не привязана жестко к тактовым импульсам системной шины.

Асинхронные динамические ОЗУ. Микросхемы асинхронных динамических ОЗУ управляются сигналами RAS и CAS, и их работа в принципе не связана непосред­ственно тактовыми импульсами шины. Асинхронной памяти свойственны допол­нительные затраты времени на взаимодействие микросхем памяти и контроллера. Так, в асинхронной схеме сигнал RAS будет сформирован только после поступле­ния в контроллер тактирующего импульса и будет воспринят микросхемой памя­ти через некоторое время. После этого память выдаст данные, но контроллер смо­жет их считать только по приходу следующего тактирующего импульса, так как он должен работать синхронно с остальными устройствами ВМ. Таким образом, на протяжении цикла чтения/записи происходят небольшие задержки из-за ожида­ния памятью контроллера и контроллером памяти.

Микросхемы DRAM. В первых микросхемах динамической памяти применялся наиболее простой способ обмена данными, часто называемый традиционным (con­ventional). Он позволял считывать и записывать строку памяти только на каждый пятый такт (рис. 5.11, а). Этапы такой процедуры были описаны ранее. Традици­онной DRAM соответствует формула 5-5-5-5. Микросхемы данного типа могли работать на частотах до 40 МГц и из-за своей медлительности (время доступа со­ставляло около 120 не) просуществовали недолго.

Микросхемы FPMDRAM. Микросхемы динамического ОЗУ, реализующие ре­жим FPM, также относятся к ранним типам DRAM. Сущность режима была пока­зана ранее. Схема чтения для FPM DRAM (рис. 5.11, 6) описывается формулой 5-3-3-3 (всего 14 тактов). Применение схемы быстрого страничного доступа по­зволило сократить время доступа до 60 не, что, с учетом возможности работать на более высоких частотах шины, привело к увеличению производительности памя­ти по сравнению с традиционной.DRAM приблизительно на 70%. Данный тип микросхем применялся в персональных компьютерах примерно до 1994 года.

Микросхемы EDO DRAM. Следующим этапом в развитии динамических ОЗУ стали ИМС с гиперстраничным режимом доступа (НРМ, Hyper Page Mode), бо­лее известные как EDO (Extended Data Output - расширенное время удержания данных на выходе). Главная особенность технологии - увеличенное по сравне­нию с FPM DRAM время доступности данных на выходе микросхемы. В микро­схемах FPM DRAM выходные данные остаются действительными только при ак­тивном сигнале CAS, из-за чего во втором и последующих доступах к строке нужно три такта: такт переключения CAS в активное состояние, такт считывания данных и такт переключения CAS в неактивное состояние. В EDO DRAM по активному (спадающему) фронту сигнала CAS данные запоминаются во внутреннем регистре, где хранятся еще некоторое время после того, как поступит следующий активный фронт сигнала. Это позволяет использовать хранимые данные, когда CAS уже переведен в неактивное состояние (рис. 5.11, б). Иными словами, временные пара­метры улучшаются за счет исключения циклов ожидания момента стабилизации данных на выходе микросхемы.

Схема чтения у EDO DRAM уже 5-2-2-2, что на 20% быстрее, чем у FPM. Вре­мя доступа составляет порядка 30-40 не. Следует отметить, что максимальная ча­стота системной шины для микросхем EDO DRAM не должна была превышать 66 МГц.

Микросхемы BEDO DRAM. Технология EDO была усовершенствована компа­нией VIA Technologies. Новая модификация EDO известна как BEDO (Burst EDO - пакетная EDO). Новизна метода в том, что при первом обращении считы­вается вся строка микросхемы, в которую входят последовательные слова пакета. За последовательной пересылкой слов (переключением столбцов) автоматически следит внутренний счетчик микросхемы. Это исключает необходимость выдавать адреса для всех ячеек пакета, но требует поддержки со стороны внешней логики. Способ позволяет сократить время считывания второго и последующих слов еще на один такт (рис. 5.11, г), благодаря чему формула приобретает вид 5-1-1-1.

Микросхемы EDRAM. Более быстрая версия DRAM была разработана подраз­делением фирмы Ramtron - компанией Enhanced Memory Systems. Технология реализована в вариантах FPM, EDO и BEDO. У микросхемы более быстрое ядро и внутренняя кэш-память. Наличие последней - главная особенность технологии. В роли кэш-памяти выступает статическая память (SRAM) емкостью 2048 бит. Ядро EDRAM имеет 2048 столбцов, каждый из которых соединен с внутренней кэш-памятью. При обращении к какой-либо ячейке одновременно считывается целая строка (2048 бит). Считанная строка заносится в SRAM, причем перенос информации в кэш-память практически не сказывается на быстродействии, по­скольку происходит за один такт. При дальнейших обращениях к ячейкам, отно­сящимся к той же строке, данные берутся из более быстрой кэш-памяти. Следую­щее обращение к ядру происходит при доступе к ячейке, не расположенной в строке, хранимой в кэш-памяти микросхемы.

Технология наиболее эффективна при последовательном чтении, то есть когда среднее время доступа для микросхемы приближается к значениям, характерным для статической памяти (порядка 10 нс). Главная сложность состоит в несовмес­тимости с контроллерами, используемыми при работе с другими видами DRAM.

Синхронные динамические ОЗУ. В синхронных DRAM обмен информацией син­хронизируется внешними тактовыми сигналами и происходит в строго определен­ные моменты времени, что позволяет взять все от пропускной способности шины «процессор-память» и избежать циклов ожидания. Адресная и управляющая ин­формация фиксируются в ИМС памяти. После чего ответная реакция микросхе­мы произойдет через четко определенное число тактовых импульсов, и это время процессор может использовать для других действий, не связанных с обращением к памяти. В случае синхронной динамической памяти вместо продолжительности цикла доступа говорят о минимально допустимом периоде тактовой частоты, и речь уже идет о времени порядка 8-10 не.

Микросхемы SDRAM. Аббревиатура SDRAM (Synchronous DRAM - синхрон­ная DRAM) используется для обозначения микросхем «обычных» синхронных динамических ОЗУ. Кардинальные отличия SDRAM от рассмотренных выше асин­хронных динамических ОЗУ можно свести к четырем положениям:

 синхронный метод передачи данных на шину;

 конвейерный механизм пересылки пакета;

 применение нескольких (двух или четырех) внутренних банков памяти;

 передача части функций контроллера памяти логике самой микросхемы.

Синхронность памяти позволяет контроллеру памяти «знать» моменты готов­ности данных, за счет чего снижаются издержки циклов ожидания и поиска дан­ных. Так как данные появляются на выходе ИМС одновременно с тактовыми им­пульсами, упрощается взаимодействие памяти с другими устройствами ВМ.

В отличие от BEDO конвейер позволяет передавать данные пакета по тактам, благодаря чему ОЗУ может работать бесперебойно на более высоких частотах, чем асинхронные ОЗУ. Преимущества конвейера особенно возрастают при передаче длинных пакетов, но не превышающих длину строки микросхемы.

Значительный эффект дает разбиение всей совокупности ячеек на независи­мые внутренние массивы (банки). Это позволяет совмещать доступ к ячейке одного банка с подготовкой к следующей операции в остальных банках (перезарядкой управляющих цепей и восстановлением информации). Возможность держать открытыми одновременно несколько строк памяти (из разных банков) также спо­собствует повышению быстродействия памяти. При поочередном доступе к бан­кам частота обращения к каждому из них в отдельности уменьшается пропор­ционально числу банков и SDRAM может работать на более высоких частотах. Благодаря встроенному счетчику адресов SDRAM, как и BEDO DRAM, позволя­ет производить чтение и запись в пакетном режиме, причем в SDRAM длина паке­та варьируется и в пакетном режиме есть возможность чтения целой строки памя­ти. ИМС может быть охарактеризована формулой 5-1-1-1. Несмотря на то, что формула для этого типа динамической памяти такая же, что и у BEDO, способ­ность работать на более высоких частотах приводит к тому, что SDRAM с двумя банками при тактовой частоте шины 100 МГц по производительности может по­чти вдвое превосходить память типа BEDO.

Микросхемы DDR SDRAM. Важным этапом в дальнейшем развитии техноло­гии SDRAM стала DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM - SDRAM с удвоен­ной скоростью передачи данных). В отличие от SDRAM новая модификация вы­дает данные в пакетном режиме по обоим фронтам импульса синхронизации, за счет чего пропускная способность возрастает вдвое. Существует несколько специ­фикаций DDR SDRAM, в зависимости от тактовой частоты системной шины: DDR266, DDR333, DDR400, DDR533. Так, пиковая пропускная способность мик­росхемы памяти спецификации DDR333 составляет 2,7 Гбайт/с, а для DDR400 - 3,2 Гбайт/с. DDR SDRAM в настоящее время является наиболее распространен­ным типом динамической памяти персональных ВМ.

Микросхемы RDRAM, DRDRAM. Наиболее очевидные способы повышения эффективности работы процессора с памятью - увеличение тактовой частоты шины либо ширины выборки (количества одновременно пересылаемых разрядов). К сожалению, попытки совмещения обоих вариантов наталкиваются на существен­ные технические трудности (с повышением частоты усугубляются проблемы элек­тромагнитной совместимости, труднее становится обеспечить одновременность поступления потребителю всех параллельно пересылаемых битов информации). В большинстве синхронных DRAM (SDRAM, DDR) применяется широкая вы­борка (64 бита) при ограниченной частоте шины.

Принципиально отличный подход к построению DRAM был предложен ком­панией Rambus в 1997 году. В нем упор сделан на повышение тактовой частоты до 400 МГц при одновременном уменьшении ширины выборки до 16 бит. Новая па­мять известна как RDRAM (Rambus Direct RAM). Существует несколько разно­видностей этой технологии: Base, Concurrent и Direct. Во всех тактирование ведется по обоим фронтам синхросигналов (как в DDR), благодаря чему результирующая частота составляет соответственно 500-600, 600-700 и 800 МГц. Два первых ва­рианта практически идентичны, а вот изменения в технологии Direct Rambus (DRDRAM) весьма значительны.

Сначала остановимся на принципиальных моментах технологии RDRAM, ори­ентируясь в основном на более современный вариант - DRDRAM. Главным от­личием от других типов DRAM является оригинальная система обмена данными между ядром и контроллером памяти, в основе которой лежит так называемый «канал Rambus», применяющий асинхронный блочно-ориентированный протокол. На логическом уровне информация между контроллером и памятью передается пакетами.

Различают три вида пакетов: пакеты данных, пакеты строк и пакеты столбцов. Пакеты строк и столбцов служат для передачи от контроллера памяти команд уп­равления соответственно линиями строк и столбцов массива запоминающих эле­ментов. Эти команды заменяют обычную систему управления микросхемой с по­мощью сигналов RAS, CAS, WE и CS.

Микросхемы SLDRAM. Потенциальным конкурентом RDRAM на роль стандарта архитектуры памяти для будущих персональных ВМ выступает новый вид ди­намического ОЗУ, разработанный консорциумом производителей ВМ SyncLink Consortium и известный под аббревиатурой SLDRAM. В отличие от RDRAM, тех­нология которой является собственностью компаний Rambus и Intel, данный стан­дарт - открытый. На системном уровне технологии очень похожи. Данные и ко­манды от контроллера к памяти и обратно в SLDRAM передаются пакетами по 4 или 8 посылок. Команды, адрес и управляющие сигналы посылаются по однонап­равленной 10-разрядной командной шине. Считываемые и записываемые данныепередаются по двунаправленной 18-разрядной шине данных. Обе шины работают на одинаковой частоте. Пока что еще эта частота равна 200 МГц, что, благодаря технике DDR, эквивалентно 400 МГц. Следующие поколения SLDRAM должны работать на частотах 400 МГц и выше, то есть обеспечивать эффективную частоту более 800 МГц.

К одному контроллеру можно подключить до 8 микросхем памяти. Чтобы из­бежать запаздывания сигналов от микросхем, более удаленных от контроллера, временные характеристики для каждой микросхемы определяются и заносятся в ее управляющий регистр при включении питания.

Микросхемы ESDRAM. Это синхронная версия EDRAM, в которой использу­ются те же приемы сокращения времени доступа. Операция записи в отличие от чтения происходит в обход кэш-памяти, что увеличивает производительность ESDRAM при возобновлении чтения из строки, уже находящейся в кэш-памяти. Благодаря наличию в микросхеме двух банков простои из-за подготовки к опера­циям чтения/записи сводятся к минимуму. Недостатки у рассматриваемой мик­росхемы те же, что и у EDRAM - усложнение контроллера, так как он должен учитывать возможность подготовки к чтению в кэш-память новой строки ядра. Кроме того, при произвольной последовательности адресов кэш-память задейству­ется неэффективно.

Микросхемы CDRAM. Данный тип ОЗУ разработан в корпорации Mitsubishi, и его можно рассматривать как пересмотренный вариант ESDRAM, свободный от некоторых ее несовершенств. Изменены емкость кэш-памяти и принцип размеще­ния в ней данных. Емкость одного блока, помещаемого в кэш-память, уменьшена до 128 бит, таким образом, в 16-килобитовом кэше можно одновременно хранить копии из 128 участков памяти, что позволяет эффективнее использовать кэш-па­мять. Замена первого помещенного в кэш участка памяти начинается только после заполнения последнего (128-го) блока. Изменению подверглись и средства доступа. Так, в микросхеме используются раздельные адресные шины для статического кэша и динамического ядра. Перенос данных из динамического ядра в кэш-память со­вмещен с выдачей данных на шину, поэтому частые, но короткие пересылки не снижают производительности ИМС при считывании из памяти больших объе­мов информации и уравнивают CDRAM с ESDRAM, а при чтении по выбо­рочным адресам CDRAM явно выигрывает. Необходимо, однако, отметить, что вышеперечисленные изменения привели к еще большему усложнению кон­троллера памяти.