Динамика развития оперативной памяти с начала XXI века до наших дней

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

«Динамика развития оперативной памяти

с начала XXI века до наших дней» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2011.

     СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     "Память  определяет быстродействие" 
Фон-Нейман

     "Самый  медленный верблюд определяет  скорость каравана" 
Арабское народное  
 

1. Введение.

 

     Рисунок 1. Память. Миллиарды битовых ячеек, упакованных в крошечную керамическую пластинку, свободно умещающуюся на ладони. 

     Оперативная память персональных компьютеров сегодня, как и десять лет тому назад, строится на базе относительно недорогой динамической памяти - DRAM (Dynamic Random Access Memory). Множество поколений интерфейсной логики, соединяющей ядро памяти с "внешним миром", сменилось за это время. Эволюция носила ярко выраженный преемственный характер - каждое новое поколение памяти практически полностью наследовало архитектуру предыдущего, включая и свойственные ему ограничения. Ядро же памяти и вовсе не претерпевало никаких принципиальных изменений. Даже "революционный" Rambus Direct RDRAM ничего подлинного революционного в себе не содержит и хорошо вписывается в общее "генеалогическое" древо развития памяти. 

2. Немного теории. Устройство и принципы функционирования.

 

     Ядро микросхемы динамической памяти состоит из множества ячеек, каждая из которых хранит всего один бит информации. На физическом уровне ячейки объединяются в прямоугольную матрицу, горизонтальные линейки которой называются строками (ROW), а вертикальные - столбцами (Column) или страницами (Page).

     Линейки представляют собой обыкновенные проводники, на пересечении которых находится "сердце" ячейки – несложное устройство, состоящее из одного транзистора и одного конденсатора (рис. 2).

     Рисунок 2. Схематическое изображение модуля оперативной памяти (1); микросхемы памяти (2); матрицы (3) и отдельной ячейки памяти (4). 

     Конденсатору  отводится роль непосредственного хранителя информации. Правда, хранит он очень немного - всего один бит. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю, а его наличие - логической единице. Транзистор же играет роль "ключа", удерживающего конденсатор от разряда. В спокойном состоянии транзистор закрыт, но, стоит подать на соответствующую строку матрицы электрический сигнал, как спустя мгновение-другое (конкретное время зависит от конструктивных особенностей и качества изготовления микросхемы) он откроется, соединяя обкладку конденсатора с соответствующим ей столбцом.

     Чувствительный  усилитель (sense amp), подключенный к каждому из столбцов матрицы, реагируя на слабый поток электронов, устремившихся через открытые транзисторы с обкладок конденсаторов, считывает всю страницу целиком. Именно страница является минимальной порцией обмена с ядром динамической памяти. Чтение/запись отдельно взятой ячейки невозможно, т.к. открытие одной строки приводит к открытию всех, подключенных к ней транзисторов, а, следовательно, - разряду закрепленных за этими транзисторами конденсаторов.

     Чтение  ячейки деструктивно по своей природе, поскольку sense amp разряжает конденсатор  в процессе считывания его заряда, благодаря чему динамическая память представляет собой память разового действия. Во избежание потери информации считанную строку приходится тут же перезаписывать вновь. В зависимости от конструктивных особенностей эту миссию выполняет либо программист, либо контроллер памяти, либо сама микросхема памяти. Практически все современные микросхемы принадлежат к последней категории. Редко какая из них поручает эту обязанность контроллеру, и уж совсем ни когда перезапись не возлагается на программиста.

     Ввиду микроскопических размеров, а, следовательно, емкости конденсатора записанная на нем информация хранится крайне недолго, - буквально сотые, а то тысячные доли секунды. Причина тому - саморазряд конденсатора. Несмотря на использование высококачественных диэлектриков с огромным удельным сопротивлением, заряд стекает очень быстро, ведь количество электронов, накопленных конденсатором на обкладках, относительно невелико. Для борьбы с "забывчивостью" памяти прибегают к ее регенерации - периодическому считыванию ячеек с последующей перезаписью. В зависимости от конструктивных особенностей "регенератор" может находиться как в контроллере, так и в самой микросхеме памяти. Например, в компьютерах XT/AT регенерация оперативной памяти осуществлялась по таймерному прерыванию каждые 18 мс через специальный канал DMA (контроллера прямого доступа). И всякая попытка "замораживания" аппаратных прерываний на больший срок приводила к потере и/или искажению оперативных данных, что не очень-то радовало программистов, да к тому же снижало производительность системы, поскольку во время регенерации память была недоступна. Сегодня же регенератор чаще всего встраивается внутрь самой микросхемы, причем перед регенерацией содержимое обновляемой строки копируется в специальный буфер, что предотвращает блокировку доступа к информации.

     Физически микросхема памяти (не путать с модулями памяти) представляет собой прямоугольный кусок керамики (или пластика) "ощетинившийся" с двух (реже - с четырех) сторон множеством ножек.

     Эти ножки представляют собой линии адреса и линии данных. Линии адреса, как и следует из их названия, служат для выбора адреса ячейки памяти, а линии данных - для чтения и для записи ее содержимого. Необходимый режим работы определяется состоянием специального вывода Write Enable (Разрешение Записи).

     Низкий  уровень сигнала WE готовит микросхему к считыванию состояния линий данных и записи полученной информации в соответствующую ячейку, а высокий, наоборот, заставляет считать содержимое ячейки и "выплюнуть" его значения в линии данных.

     Такой трюк значительно сокращает количество выводов микросхемы, что в свою очередь уменьшает ее габариты. А, чем меньше габариты, тем выше предельно допустимая тактовая частота. Это происходит по многим причинам. Во-первых, в силу ограниченной скорости распространения электричества, длины проводников, подведенных к различным ножкам микросхемы, должны не сильно отличаться друг от друга, иначе сигнал от одного вывода будет опережать сигнал от другого. Во-вторых, длины проводников не должны быть очень велики - в противном случае задержка распространения сигнала "съест" все быстродействие. В-третьих, любой проводник действует как приемо-передающая антенна, причем уровень помех резко усиливается с ростом тактовой частоты. Паразитному антенному эффекту можно противостоять множеством способов (например, путем перекашивания сигналов в соседних разрядах), но самой радикальной мерой было и до сих пор остается сокращение количества проводников и уменьшение их длины. Наконец, в-четвертых, всякий проводник обладает электрической емкостью. А емкость и скорость передачи данных - несовместимы! Вот только один пример: "…первый трансатлантический кабель для телеграфа был успешно проложен в 1858 году,… когда напряжение прикладывалось к одному концу кабеля, оно не появлялось немедленно на другом конце и вместо скачкообразного нарастания достигало стабильного значения после некоторого периода времени. Когда снимали напряжение, напряжение приемного конца не падало резко, а медленно снижалось. Кабель вел себя как губка, накапливая электричество. Это свойство теперь называют емкостью".

     Таким образом, совмещение выводов микросхемы увеличивает скорость обмена с памятью, но не позволяет осуществлять чтение и запись одновременно.

     Столбцы и строки матрицы памяти тем же самым способом совмещаются в единых адресных линиях. В случае квадратной матрицы количество адресных линий сокращается вдвое, но и выбор конкретной ячейки памяти отнимает вдвое больше тактов, ведь номера столбца и строки приходится передавать последовательно. Причем, возникает неоднозначность, что именно в данный момент находится на адресной линии – номер строки или номер столбца. Решение этой проблемы потребовало двух дополнительных выводов, сигнализирующих о наличии столбца или строки на адресных линиях и окрещенных RAS (от row address strobe - строб адреса строки) и CAS (от column address strobe - строб адреса столбца), соответственно. В спокойном состоянии на обоих выводах поддерживается высокий уровень сигнала, что говорит микросхеме: никакой информации на адресных линиях нет и никаких действий предпринимать не требуется.

     К примеру, программист захотел прочесть содержимое некоторой ячейки памяти. Контроллер преобразует физический адрес в пару чисел - номер строки и номер столбца, а затем посылает первый из них на адресные линии. Дождавшись, когда сигнал стабилизируется, контроллер сбрасывает сигнал RAS в низкий уровень, сообщая микросхеме памяти о наличии информации на линии. Микросхема считывает этот адрес и подает на соответствующую строку матрицы электрический сигнал. Все транзисторы, подключенные к этой строке, открываются и бурный поток электронов, срываясь с насиженных обкладок конденсатора, устремляется на входы чувствительного усилителя. Чувствительный усилитель декодирует всю строку, преобразуя ее в последовательность нулей и единиц, и сохраняет полученную информацию в специальном буфере. Все это (в зависимости от конструктивных особенностей и качества изготовления микросхемы) занимает от двадцати до сотни наносекунд, в течение которых контроллер памяти выдерживает терпеливую паузу. Наконец, когда микросхема завершает чтение строки и вновь готова к приему информации, контроллер подает на адресные линии номер колонки и, дав сигналу стабилизироваться, сбрасывает CAS в низкое состояние. "Ага!", говорит микросхема и преобразует номер колонки в смещение ячейки внутри буфера. Остается всего лишь прочесть ее содержимое и выдать его на линии данных. Это занимает еще какое-то время, в течение которого контроллер ждет запрошенную информацию. На финальной стадии цикла обмена контроллер считывает состояние линий данных, дезактивирует сигналы RAS и CAS, устанавливая их в высокое состояние, а микросхема берет определенный тайм-аут на перезарядку внутренних цепей и восстановительную перезапись строки.

     Задержка  между подачей номера строки и  номера столбца на техническом жаргоне  называется "RAS to CAS delay" (на сухом официальном языке - tRCD). Задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки на выходе - "CAS delay" (или tCAC), а задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки - "RAS precharge" (tRP).

     Немаловажной категорией характеристик микросхем/модулей памяти являются «тайминги памяти». Понятие «таймингов» тесно связано с задержками, возникающими при любых операциях с содержимым ячеек памяти в связи со вполне конечной скоростью функционирования устройств SDRAM, как и любых других интегральных схем.

     Задержки, возникающие при доступе в  память, также принято называть «латентностью» памяти (этот термин не совсем корректен, и пришел в обиход с буквальным переводом термина latency, означающего  «задержка»).