При этом оперативная память компьютера у многих пользователей является первым понятием, которое приходит на ум, когда речь заходит о памяти вообще.

Строго говоря, существует две разновидности памяти – постоянная и временная. И временная память компьютера – это и есть оперативная память плюс , о которой мы уже рассказывали в отдельной статье.

Информация, которую содержит временная память, как можно догадаться, не сохраняется постоянно и после выключения питания компьютера бесследно исчезает, если, разумеется, пользователь не успел сохранить ее в постоянной, то есть, на жестком диске или каком-либо сменном носителе. Однако временная память имеет одно большое преимущество перед постоянной – это высокое быстродействие. В частности, оперативная память работает в несколько сот тысяч (!) раз быстрее, чем жесткий диск. Именно поэтому во временной памяти хранятся динамично меняющиеся данные и программы, которые запускаются в течение сессии работы операционной системы.

Оперативная память (которую также иногда называют ОЗУ, что означает «оперативное запоминающее устройство») является самым большим временным хранилищем данных в компьютере. По сравнению с кэш-памятью ОЗУ обладает гораздо большим объемом, но в то же время, и меньшим быстродействием. Однако быстродействие ОЗУ, тем не менее, вполне достаточно для выполнения текущих задач прикладных программ и операционной системы.

Принцип работы оперативной памяти

В настоящее время микросхемы ОЗУ изготавливаются на основе технологии динамической памяти (DRAM, или Dynamic Random Access Memory). Динамическая память, в отличие от статической, которая используется в кэш-памяти, имеет более простое устройство, и, соответственно ее цена на единицу объема гораздо ниже. Для хранения одной единицы информации (одного бита) в DRAM используется всего лишь один транзистор и один конденсатор.

Помимо этого, особенностью динамической памяти является ее постоянная потребность в периодической регенерации содержимого. Эта особенность обусловлена тем, что конденсаторы, обслуживающие ячейку памяти, очень быстро разряжаются, и поэтому через определенное время их содержимое необходимо прочитать и записать заново. Данная операция в современных микросхемах осуществляется автоматически через определенный промежуток времени, при помощи контроллера микросхемы памяти.

Максимальный объем доступной оперативной памяти, которую можно установить в системе, определяется разрядностью шины адреса процессора. С появлением 32-разрядных процессоров этот объем был равен 4 ГБ. Современные 64-разрядные процессоры способны поддерживать адресное пространство ОЗУ в 16 ТБ. Это цифра представляется сейчас совершенно фантастической, но ведь когда-то и цифра в 4 ГБ для ОЗУ казалась абсолютно невероятной, а сегодня 32-разрядные системы уже уперлись в этот потолок, ограничивающий их возможности.

Как и в случае процессора, скорость работы ОЗУ во многом определяется ее тактовой частотой. Тактовая частота современных микросхем памяти типа DDR3 в среднем составляет примерно 1600 МГц.

Физически оперативная память представляет собой длинную и невысокую плату, к которой припаяны непосредственно микросхемы памяти. Эта плата вставляется в специальные слоты на материнской плате. В настоящее время наиболее распространены модули памяти форм-фактора DIMM (Dual In-line Memory Module или двухсторонний модуль памяти).

История развития микросхем

В эпоху господства компьютеров семейства XT/AT господствовали микросхемы памяти форм-фактора DIP. Эта память представляла собой отдельную микросхему, которую нужно было вставлять в горизонтальном положении в специальный разъем на материнской плате. Оперативная память формата DIP, однако, имела несколько существенных недостатков. Во-первых, микросхема не очень крепко держалась в своем гнезде, и поэтому часть ее контактов могла не действовать, что приводило к ошибкам памяти. Кроме того, подобные микросхемы имели небольшую емкость и неэффективно использовали свободное пространство материнской платы.

Недостатки технологии DIP побудили конструкторов к разработке модулей памяти форм-фактора SIMM (Single-in-line Memory Module). Первые SIMM появились еще в системах AT. В отличие от DIP модули SIMM, как и современные DIMM, представляли собой длинные модульные платы, к которым были в один ряд прикреплены микросхемы памяти, и которые можно было вставлять в специальный разъем на материнской плате в вертикальном положении.

В разные годы выпускалось два типа SIMM – 8-разрядные SIMM c 30 контактами и более поздний вариант, впервые появившийся в системах на базе 486-х процессоров – 32 разрядные модули c 72-разъемами.

Модули SIMM необходимо было вставлять не как угодно, а таким образом, чтобы заполнялись так называемые банки памяти. Разрядность банка памяти соответствовала разрядности шины адреса процессора. Для заполнения банка памяти в компьютерах с 16-разрядной шиной минимальное количество модулей SIMM составляло два 8-разрядных модуля, а в компьютерах с 32-разрядной шиной их требовалось уже 4.

Модули типа SIMM стали выходить из употребления уже в системах на базе первого Pentium. Вместо них конструкторами был разработан модуль DIMM. Как можно догадаться из названия («двухсторонний модуль памяти»), этот модуль имеет два ряда контактов с обеих сторон, в то время, как в SIMM фактически был всего один ряд контактов.

Помимо этого, модуль DIMM отличается технологией изготовления самих микросхем устанавливаемых на нем. Если до появления DIMM использовались микросхемы типа EDO или FPM, то в DIMM используется более новая технология Synchronous DRAM. Кроме того, модули DIMM имеют встроенную микросхему контроля четности памяти.

Модуль DIMM первого поколения, в отличие от SIMM, имел 168 контактов, а также специальный ключ в разъеме, исключающий неправильную установку модуля.

Второе поколение DIMM, основанное на технологии DDR SDRAM, имело уже 184 контакта. Следующие поколения – современные DDR2 и DDR3 могут похвастаться наличием 240 контактов.

Технология Double Data Rate Synchronous DRAM

Расскажем чуть подробнее о памяти технологии DDR SDRAM, которая стала настоящим технологическим прорывом и во многом предопределила дальнейшее развитие технологий оперативной памяти.

Модули ОЗУ типа DDR SDRAM были разработаны в начале 2000-х гг. и работали на тактовой частоте в 266 МГц. Первые модули DDR SDRAM появились в системах на базе AMD Athlon, а потом и на Pentium 4. По сравнению с предшественниками, микросхема DDR SDRAM позволила удвоить скорость считывания данных на одной и той же тактовой частоте, то есть скорость работы DDR SDRAM на частоте 100 МГц была эквивалентна работе простых микросхем Synchronous DRAM на частоте в 200 МГц. Удвоение скорости достигалось в DDR SDRAM за счет усовершенствования методики передачи сигнала. В преемниках технологии DDR SDRAM, технологиях DDR2 и DDR3 объем обрабатываемой за такт информации еще более увеличился.

Принципы работы современных микросхем памяти.

Память Rambus

Также стоит рассказать немного об одной интересной технологии ОЗУ, которая наделала в свое время много шума, однако так и не стала массовой. Речь идет о модулях памяти типа RIMM (Rambus in-line memory module), которые были разработаны компанией Rambus совместно с Intel в конце 90-х гг.

В основу модулей памяти RIMM Rambus положила технологию памяти, которая до этого использовалась в некоторых видеокартах. Технология RIMM до появления DIMM и DDR SDRAM казалась многообещающей и позиционировалась Rambus как замена всем старым форматам памяти. В частности, модули памяти Rambus RIMM в несколько раз превосходили своих конкурентов, предлагая пользователем скорость передачи данных в 1600 МБ/с при тактовой частоте в 400 МГц.

Тем не менее, модули памяти типа RIMM, оказались не лишены и нескольких недостатков. Во-первых, модули RIMM были довольно велики по размеру. Кроме того модули RIMM выделяли слишком много тепла и нуждались в средствах охлаждения. Ну и самое главное, память типа RIMM была отнюдь не дешева.

Поэтому на сегодняшний день ОЗУ, основанное на модулях памяти форм-фактора RIMM, можно встретить лишь в некоторых серверах, а не в персональных компьютерах.

Заключение

Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство персонального компьютера – один из важнейших его компонентов. Основное назначение оперативной памяти – временное хранение текущих данных. Оперативная память предоставляет необходимое пространство для работы прикладных программ и операционной системы. От объема и скорости работы модулей оперативной памяти во многом зависит скорость работы и производительность всего компьютера.

ОЗУ представляет собой специальную микросхему, используемую для хранения данных всевозможного вида. Существует множество разновидностей данных устройств, они выпускается разнообразными компаниями. Лучшие производители чаще всего имеют японское происхождение.

Что это такое и для чего она нужна?

ОЗУ (так называемая РАМ-память) – разновидность энергозависимой микросхемы, используемой для хранения всевозможной информации . Чаще всего в ней находится:

• машинный код исполняемых в данный момент программ (или находящихся в режиме ожидания);
• входные и выходные данные.

Обмен данными между центральным процессором и ОЗУ осуществляется двумя способами:

• при помощи ультрабыстрой регистра АЛУ;
• через специальный кэш (если имеется в конструкции);
• непосредственно (напрямую через шину данных).

Рассматриваемые девайсы представляют собой схемы, построенные на полупроводниках. Вся информация, хранимая во всевозможных электронных компонентах, остается доступной только при наличии электрического тока. Как только напряжение отключается полностью, либо происходит кратковременный обрыв питания, то всё, что содержалось внутри ОЗУ, стирается, либо разрушается. Альтернативой является устройства типа ROM.

Виды и объем памяти

Плата на сегодняшний день может иметь объем в несколько десятков гигабайт. Современные технические средства позволяют использовать её максимально быстро. Большинство операционных систем оснащаются возможностью взаимодействовать с такими устройствами. Имеется пропорциональная зависимость между объемом ОЗУ и стоимостью. Чем больше её размер, тем более она дорогая. И наоборот.

Также рассматриваемые устройства могут иметь разную частоту. Данный параметр определяет, как быстро осуществляется взаимодействие между ОЗУ и иными устройствами ПК (ЦП, шиной данных и видеокартой). Чем выше скорость работы, тем больше операций выполнит ПК за единицу времени.

Величина данной характеристики также непосредственно влияет на стоимость рассматриваемого устройства. Современная самая быстрая модификация может «запомнить» 128 Гб. Выпускается она компанией под названием Hynix и имеет следующие рабочие характеристики:

Все современные ОЗУ можно разделить на две разновидности:

• статическую;
• динамическую.

Статический тип

Более дорогой на сегодняшний день является микросхема статическая. Маркируется она как SDRAM. Динамическая же является более дешевой.

Отличительными чертами SDRAM-разновидности являются:

Также отличительной особенностью RAM является наличие возможности осуществлять выбор того бита, в который будет осуществлена запись какой-либо информации.

К недостаткам можно отнести:

• малую плотность записи;
• относительно высокую стоимость.

Устройства оперативной памяти компьютера всевозможного вида (SDRAM и DRAM) имеют внешние отличия. Они заключаются в длине контактной части. Также имеет отличия её форма. Обозначение оперативной памяти находится как на этикетке-наклейке, так и пропечатано непосредственно на самой планке.

Сегодня существует множество различных модификаций SDRAM. Обозначается она как:

• DDR 2;
• DDR 3;
• DDR 4.

Динамический тип

Ещё один вид микросхем обозначается как DRAM. Он является также полностью энергозависимым, доступ к битам записи осуществляется произвольным образом. Данная разновидность широко используется в большинстве современных ПК. Также она применяется в тех компьютерных системах, где высоки требования к задержкам – быстродействие DRAM на порядок выше SDRAM.

Чаще всего данная разновидность имеет форм-фактор типа DIMM. Такое же конструктивное решение используется и для изготовления статической схемы (SDRAM). Особенностью DIMM-исполнения является то, что контакты имеются с обеих сторон поверхности.

Параметры ОП

Основными критериями выбора микросхем данного типа являются их рабочие параметры.

Ориентироваться следует, прежде всего, на следующие моменты:

• частоту работы;
• тайминги;
• напряжение.

Все они зависят от типа конкретной модели. Например, ДДР 2 будет выполнять различные действия однозначно быстрее, чем планка ДДР 1. Так как обладает более выдающимися рабочими характеристиками.

Таймингами называется время задержки информации между различными компонентами устройства. Типов таймингов довольно много, все они непосредственно влияют на быстродействие. Маленькие тайминги позволяют увеличить скорость выполнения различных операций. Имеется одна неприятная пропорциональная зависимость – чем выше быстродействие оперативно-запоминающего устройства, тем больше значения таймингов.

Выходом из данного положения служит повышение рабочего напряжения – чем оно выше, тем меньше становятся тайминги. Количество выполненных операций за единицу времени в то же время возрастает.

Частота и скорость

Чем выше пропускная способность ОЗУ, тем больше её скорость. Частота является параметром, определяющим пропускную способность каналов, через которые осуществляется передача данных различного рода в ЦП через материнскую плату.

Желательно, чтобы данная характеристика совпадала с допустимой скоростью работы материнской платы.

Например, если планка поддерживает частоту 1600 МГц, а материнская плата – не более 1066 Мгц, то скорость обмена данными между ОЗУ и ЦП будет ограничена именно возможностями материнской платы. То есть скорость будет не более 1066 МГц.

Производительность

Быстродействие зависит от многих факторов. Очень большое влияние на данный параметр оказывает количество используемых планок. Двухканальная ОЗУ работает на порядок быстрее, чем одноканальная. Наличие возможности поддерживать режимы многоканальности обозначается на наклейке, расположенной поверх платы.

Данные обозначения имеют следующий вид:

Для определения того, какой режим является оптимальным для конкретной материнской платы, необходимо посчитать общее количество слотов для подключения, и разделить их на два. Например, если их 4, то необходимо 2 идентичных планки от одного производителя. При их параллельной установке активируется режим Dual.

Принцип работы и функции

Реализовано функционирование ОП довольно просто, запись или чтение данных осуществляется следующим образом:

Каждый столбец подключен к чрезвычайно чувствительному усилителю. Он регистрирует потоки электронов, возникающие в случае, если конденсатор разряжается. При этом подается соответствующая команда. Таким образом, происходит осуществление доступа к различным ячейкам, расположенным на плате. Есть один важный нюанс, который следует обязательно знать. Когда подается электрический импульс на какую-либо строку, он открывает все её транзисторы. Они подключены к ней напрямую.

Из этого можно сделать вывод, что одна строка является минимальным объемом информации, который можно прочитать при осуществлении доступа. Основное назначение ОЗУ – хранить различного рода временные данные, которые необходимы, пока персональный компьютер включен и функционирует операционная система. В ОЗУ загружаются наиболее важные исполняемые файлы, ЦП осуществляет их выполнение напрямую, просто сохраняя результаты выполненных операций.

Также в ячейках хранятся:

• исполняемые библиотеки;
• коды клавиш, нажатие на которые было осуществлено;
• результаты различных математических операций.

При необходимости все, что находится в RAM, центральный процессор может сохранить на жесткий диск. Причем сделать это в том виде, в котором это необходимо.

Производители

В магазинах можно встретить огромное количество RAM от самых разных производителей. Большое количество таких изделий стало поставляться именно от китайских компаний.

На сегодняшний день наиболее производительной и качественной является продукция следующих брендов:

• Kingston;
• Hynix;
• Corsair;
• Kingmax.
• Samsung.

Она является компромиссным выбором между качеством и производительностью.

Таблица характеристик оперативной памяти

Оперативная память одного вида от различных производителей обладает схожими рабочими характеристиками.

Именно поэтому корректно осуществлять сравнение, беря во внимание лишь тип:

DDR
DDR2
DDR3
Частотный диапазон
100-400
400-800
800-1600
Рабочее напряжение
2.5v +/- 0.1V
1.8V +/- 0.1V
1.5V +/- 0.075V
Количество блоков
4
4
8
Termination
ограничено
ограничено
все DQ сигналы
Топология
TSOP
TSOP or Fly-by
Fly-by
Способ управления
-
OCD
Автоматическая калибровка с ZQ
Наличие температурного датчика
Нет
Нет
Да

Сравнение производительности и цены

Производительность оперативной памяти напрямую зависит от её стоимости. Узнать, сколько стоит модуль DDR3, можно в ближайшем компьютерном магазине, также следует ознакомиться с ценой на DDR 1. Сопоставив их рабочие параметры и цену, а после этого протестировав, можно легко в этом убедиться.

Наиболее корректно осуществлять сравнение ОЗУ одного вида, но с разной производительностью, зависящей от частоты работы:

Тип
Частота работы, МГц
Стоимость, руб.
Скорость работы , Aida 64, Memory Read, MB/s
DDR 3
1333
3190
19501
DDR 3
1600
3590
22436
DDR 3
1866
4134
26384
DDR 3
2133
4570
30242
DDR 3
2400
6548
33813
DDR 3
2666
8234
31012
DDR 3
2933
9550
28930

В Aida 64 тестирование всех DDR 3 было выполнено на идентичном оборудовании:

• ОС: Windows 8.1;
• ЦП: i5-4670K;
• видеокарта: GeForce GTX 780 Ti;
• материнская плата: LGA1150, Intel Z87.

ОЗУ является очень важной составной частью ПК, сильно влияющей на его производительность. Именно поэтому для её увеличения рекомендуется устанавливать планки с высокой частотой и небольшими таймингами. Это даст большой прирост производительности компьютера, она особенно важна для игр и различных профессиональных программ.

>

Объём оперативной памяти

Далее остановимся подробнее на следующей важной характеристике оперативной памяти – ее объеме. Вначале следует отметить, что он самым непосредственным образом влияет на количество единовременно запущенных программ, процессов и приложений и на их бесперебойную работу. На сегодняшний день наиболее популярными модулями являются планки с объемом: 4 Гб и 8 Гб (речь идет про стандарт DDR3).

Исходя из того, какая операционная система установлена, а также, для каких целей используется компьютер, следует правильно выбирать и подбирать объем ОЗУ. В большинстве своем, если компьютер используется для доступа к всемирной паутине и для работы с различными приложениями, при этом установлена Windows XP, то 2 Гб вполне достаточно.

Для любителей «обкатать» недавно вышедшую игру и людей, работающих с графикой, следует ставить как минимум 4 Гб. А в том случае, если планируется установка виндовс 7 , то понадобится еще больше.

Самым простым способом узнать, какой для вашей системы необходим объем памяти, является запуск Диспетчера задач (путем нажатия комбинации на клавиатуре ctrl+alt+del) и запуск самой ресурсопотребляющей программы или приложения. После этого необходимо проанализировать информацию в группе «Выделение памяти» - «Пик».

Таким образом можно определить максимальный выделенный объем и узнать, до какого объёма её необходимо нарастить, чтобы наш высший показатель умещался в оперативной памяти. Это даст вам максимальное быстродействие системы. Дальше увеличивать необходимости не будет.

Выбор оперативной памяти

Сейчас перейдем к вопросу выбора оперативки, наиболее подходящей конкретно вам. С самого начала следует определить именно тот тип ОЗУ, который поддерживает материнская плата вашего компьютера. Для модулей разных типов существуют разные разъемы соответственно. Поэтому, чтобы избежать повреждений системной платы или непосредственно модулей, сами модули имеют различные размеры.

Об оптимальных объемах ОЗУ говорилось выше. При выборе оперативной памяти следует акцентировать внимание на ее пропускную способность. Для быстродействия системы наиболее оптимальным будет тот вариант, когда пропускная способность модуля совпадает с той же характеристикой процессора.

То есть, если в компьютере стоит процессор с шиной 1333 МГц, пропускная способность которого 10600 Мб/с, то для обеспечения наиболее благоприятных условий для быстродействия, можно поставить 2 планки, пропускная способность которых 5300 Мб/с, и которые в сумме дадут нам 10600 Мб/с.

Однако, следует запомнить, что для такого режима работы модули ОЗУ должны быть идентичны как по объему, так и по частоте. Кроме того, должны быть изготовлены одним производителем. Вот краткий список производителей хорошо себя зарекомендовавших: Samsung, OCZ, Transcend, Kingston, Corsair, Patriot.

В конце стоит подытожить главные моменты:

• Исходя из определения: оперативная память или ОЗУ - это составная часть компьютера, необходимая для временного хранения данных, которые в свою очередь необходимы процессору для его работы.
• После завершения каких-либо операций (закрытия программ, приложений) все связанные с ними данные удаляются из микросхемы. А при запуске новых задач в неё с жесткого диска загружаются данные, которые необходимы процессору в данный момент времени.
• Скорость доступа к данным, находящимся в оперативной памяти, в несколько сотен раз больше скорости доступа к информации, которая находится на жестком диске. Это позволяет процессору использовать нужную информацию, получая к ней мгновенный доступ.
• На сегодняшний день самые распространенные 2 типа: DDR3 (с частотой от 800 до 2400 МГц) и DDR4 (от 2133 до 4266 МГц). Чем выше частота, тем быстрее работает система.

Если у вас возникли трудности с выбором оперативной памяти, если не можете определить, какой тип ОЗУ поддерживает ваша материнская плата и какой объем будет больше соответствовать нуждам, то вы всегда можете обратиться в сервис сайт. Мы - это компьютерная помощь на дому в Москве и Подмосковье. Наши специалисты помогут с выбором, заменой и установкой в компьютер или ноутбук.

Устройство и принцип работы оперативной памяти

Оперативная память - это неотъемлемый компонент любой компьютерной системы, эта память хранит в себе данные, необходимые для работы всей системы в определённый момент времени. При создании чипов оперативной памяти используют динамическую память, которая медленнее, но дешевле чем статическая, которая используется при создании кеш памяти процессоров.

Из чего состоит ядро оперативной памяти

Ядро микросхемы оперативной памяти состоит из огромного количества ячеек памяти, которые объединены в прямоугольные таблицы - матрицы. Горизонтальные линейки матрицы называют строками , а вертикальные столбцами . Весь прямоугольник матрицы называться страницей , а совокупность страниц называется банком .

Горизонтальные и вертикальные линии являются проводником, на пересечении горизонтальных и вертикальных линий и находятся ячейки памяти .

Из чего состоит ячейка памяти

Ячейка памяти состоит из одного полевого транзистора и одного конденсатора . Конденсатор выполняет роль хранителя информации, он может хранить один бит данных, то есть либо логическую единицу (когда он заряжен), либо логический ноль (когда он разряжен). Транзистор выполняет роль электрического ключа, который либо удерживает заряд на конденсаторе, либо открывает для считывания.

Регенерация памяти

Конденсатор, который служит хранителем данных, имеет микроскопические размеры и как следствие маленькую ёмкость, и ввиду этого не может долго хранить заряд заданный ему, по причине саморазряда. Для борьбы с этой проблемой, используется регенерация памяти , которая, с определённой периодичностью считывает ячейки и записывает заново. Благодаря подобному явлению, эта память и получила название динамической.

Чтение памяти

Если нам нужно прочитать память, то на определённую строку страницы памяти, подаётся сигнал, который открывает транзистор и пропускает электрический заряд, который содержится (или не содержится) в конденсаторе на соответствующий столбец. К каждому столбцу подключен чувствительный усилитель, который реагирует на незначительный поток электронов выпущенных с конденсатора. Но тут есть нюанс - сигнал, поданный на строку матрицы, открывает все транзисторы данной строки, так как они все подключены на данную строку, и таким образом происходит чтение всей строки. Исходя из вышесказанного, становится ясно, что строка в памяти, является минимальной величиной для чтения - прочитать одну ячейку, не затронув другие невозможно.

Процесс чтения памяти является деструктивным, так как прочитанный конденсатор отдал все свои электроны, что бы его услышал чувствительный усилитель. И по этому, после каждого чтения строки, её нужно записать заново.

Интерфейс памяти

У интерфейсной части памяти следует выделить линии адреса и линии данных. Линии адреса указывают на адрес ячейки, а линии данных производят чтение и запись памяти.

Не забываем оставлять

Оперативная память: история развития и принципы работы

Прежде чем мы начнем говорить непосредственно об оперативной памяти, ее развитии и типах, следует разобраться, для чего она предназначена и зачем входит в состав современных компьютеров.

Специалисты, исследующие историю развития вычислительной техники, считают первой вехой на тернистом пути возникновения и развития компьютеров разработку британцем Чарльзом Бэббиджем аналитической машины в Лондоне в далеком 1834 году. Из-за проблем с финансированием и отсутствием необходимых для постройки машины технологий построить ее в то время так и не удалось. Несмотря на этот факт, именно аналитическую машину считают первым созданным человеческим разумом автоматическим устройством для хранения и обработки математической информации, то есть первым компьютером.

Один из элементов аналитической машины, собранный сыном Бэббиджа после его смерти (фото Andrew Dunn)

Совокупность основных узлов и элементов, входящих в состав аналитической машины (и современных компьютеров также), называют архитектурой вычислительной машины. Бэббидж при разработке своего устройства выделил несколько основных частей. Первая - это «мельница», которая занималась обработкой информации (аналог современного процессора). Вторая - устройства ввода-вывода, с помощью которых вводились данные для обработки и с которых снимался затем результат. Третья - «склад», в котором хранились промежуточные результаты вычислений. Четвертая - управляющий элемент, предназначенный для передачи данных между остальными узлами аналитической машины.

Подобную архитектуру имеют все современные компьютеры, состоящие из арифметико-логического устройства (АЛУ), шины передачи данных, оперативной памяти и устройств ввода-вывода. Упрощенно взаимодействие этих элементов можно изобразить с помощью следующей схемы.

Архитектура компьютера

Назначение всех элементов точно соответствует назначению узлов аналитической машины Бэббиджа. Оперативная память, подобно «складу» в машине британца, отвечает за временное хранение информации, которая содержит входящие, выходящие и промежуточные данные, а также программы и алгоритмы, с помощью которых они обрабатываются.

В информатике оперативную память принято также называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), что более точно отображает суть этого элемента вычислительной машины.

Физическая реализация ОЗУ на разных этапах развития

В машине Бэббиджа для оперативного хранения информации предусматривался сложный массив валов и шестерен, положение которых и соответствовало тому или иному значению информационной единицы. Подобный подход с небольшими изменениями просуществовал довольно долго, пока вычислительные машины представляли собой чисто механические устройства.

Появление электромеханических вычислителей и первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ) привело к созданию более быстрых и надежных методов хранения информации. На первых порах различные исследовательские центры весьма широко экспериментировали с конструкциями и физическими принципами работы запоминающих устройств. Были созданы ОЗУ, работающие на электромеханических реле, на электромагнитных переключателях, на электростатических трубках, на электронно-лучевых трубках. Затем появились различные варианты магнитных запоминающих устройств - магнитные диски и барабаны, в то время как длительное хранение информации осуществлялось на магнитных лентах. Диски и барабаны обеспечивали значительно меньшее время доступа к каждой ячейке данных по сравнению с лентами. А одним из основных требований, предъявляемых к оперативной памяти, было и остается по сей день высокое быстродействие.

Магнитный барабан (фото из «Википедии»)

Помимо магнитных дисков и барабанов длительное время в качестве быстрой памяти использовались массивы на ферромагнитных сердечниках, которые обеспечивали очень высокую скорость доступа. Основным недостатком подобных массивов была большая энергоемкость и весьма крупные габаритные размеры ОЗУ.

Элемент памяти на магнитных сердечниках конструкции К. Олсена (1964 г.)

Как видим, основными тенденциями при разработке новых типов памяти были и остаются постепенная миниатюризация элементов памяти, что необходимо для увеличения емкости хранимой информации, снижение энергопотребления и увеличение быстродействия каждой ячейки и модулей памяти в целом.

Самый серьезный толчок развитию ЭВМ дало создание БИС (больших интегральных схем), состоящих из большого числа полупроводниковых транзисторов, заключенных в один корпус. Скорость обработки информации увеличилась настолько, что быстродействия существовавшей на то время оперативной памяти катастрофически не хватало для обеспечения нормальной работы компьютеров в целом. Понадобилось разработать принципиально новые методы хранения информации, которыми мы пользуемся и до сих пор.

Строение и принцип работы современной оперативной памяти

В современных микросхемах памяти наиболее широко используются два метода хранения информации. Первый основан на широко известном свойстве конденсатора сохранять накопленный заряд достаточно продолжительное время, чтобы его можно было использовать для кратковременного хранения единицы информации. Второй подразумевает использование для хранения каждого бита информации единичного транзисторного триггера. Рассмотрим оба метода более подробно.

Динамическая память

Запись информации в конденсаторную ячейку осуществляется путем заряда этого конденсатора до уровня, соответствующего логическому нулю или единице. Обеспечивает заряд до нужного уровня сопряженный с конденсатором транзистор, который открывается под воздействием управляющего сигнала. Получается, что каждая ячейка хранения бита информации является парой транзистор плюс конденсатор.

Принципиальная схема ячейки динамической памяти

Основное достоинство - дешевизна производства и малый размер каждой ячейки. Современная элементная база позволяет вмещать миллионы подобных пар на каждый квадратный миллиметр микросхемы памяти.

Основной недостаток подобного метода хранения информации является следствием физических свойств конденсаторов. Как известно, любой конденсатор, насколько бы досконально он ни был разработан и произведен, имеет такой неприятный параметр, как ток утечки. И относительная величина этого тока обратно пропорциональна геометрическим размерам элемента. Соответственно, время, за которое разряжается конденсатор, тем меньше, чем меньше сам конденсатор. В микросхемах памяти размеры каждого емкостного элемента исчисляются десятками нанометров, а время их саморазряда составляет миллисекунды. Вполне очевидно, что, для того чтобы информация, записанная в ячейку памяти, хранилась в течение времени, достаточном для ее обработки, ее необходимо обновлять с периодичностью, исключающей потерю от саморазряда конденсаторов. Поэтому в микросхемах памяти, основанных на конденсаторных ячейках, идет постоянный процесс обновления хранимой информации. Этот процесс называют регенерацией, и для его осуществления на модулях памяти предусмотрены специальные контроллеры.

Память подобного типа называют динамической. Процесс постоянной перезаписи приводит к увеличенному расходу энергии и дополнительному нагреву микросхем, а также к ухудшению такого важного параметра, как время отклика.

Еще одним неприятным свойством любого конденсатора является его электрическая инерционность. Изменение емкости не является мгновенным процессом, следовательно, чтение единицы информации и ее перезапись занимают какое-то время, необходимое для накопления или сброса электрического заряда.

Статическая память

В триггерных системах памяти хранение каждого бита информации происходит в единичных триггерах, которые фактически представляют собой группы из шести-восьми транзисторов. Так как состояние триггера зависит исключительно от наличия управляющего сигнала и не меняется с течением времени (пока есть питающее напряжение), то такой тип памяти называют статической памятью. Основным достоинством статической ОЗУ является ее чрезвычайно высокое быстродействие, так как переключение триггера происходит практически мгновенно при подаче соответствующего управляющего сигнала на вход элемента.

Недостатки также достаточно очевидны. Первый - значительно более высокая стоимость по сравнению с динамической памятью. Создать на пластинке кремния группу из полудюжины транзисторов значительно сложнее и дороже, чем пару конденсатор плюс транзистор.

Второй недостаток - значительно большие размеры каждой ячейки памяти, что ведет к существенному увеличению размеров каждой микросхемы памяти.

Вместо вывода

На сегодняшний день широко используются и статический, и динамический тип ОЗУ. На более дешевых динамических элементах построены обычные модули памяти, внешний вид которых знаком каждому, кто хоть раз видел раскрытый компьютер. Статическая память используется в первую очередь там, где высокое быстродействие важнее экономии в стоимости и размерах. Это прежде всего процессорная кеш-память. Скорость работы кеша во многом определяет и общую скорость работы современных процессоров, что и обуславливает применение более дорогого и более быстрого ОЗУ.

Отдельного упоминания заслуживает и еще одна особенность современной оперативной памяти - ее энергозависимость. И конденсаторные схемы, и триггеры хранят записанную в них информацию, пока не отключено питающее напряжение. Как только питание отключается, вся информация бесследно стирается. Это является основной причиной того, что любой компьютер после выключения длительное время занят запуском операционной системы, всех служб и резидентных программ. Уже достаточно длительное время в крупнейших исследовательских центрах идет разработка энергонезависимой оперативной памяти, которая будет хранить записанную в нее информацию длительное время и без подачи питающего напряжения. Работающие прототипы уже существуют, но пока еще слишком дороги и ненадежны для массового применения.

С каждым годом компьютеры становятся все мощнее, оперативная память становится все быстрее и надежнее. Увеличивается частота, на которой способны стабильно работать микросхемы ОЗУ, и стремительно растет объем памяти в каждой микросхеме. Каждый производитель старается хоть в чем-то опередить конкурентов, что приводит к бурному развитию элементной базы и росту числа типов и моделей модулей памяти, доступных на рынке сегодня.

В одной из следующих статей мы подробно рассмотрим современный рынок оперативной памяти, постараемся разобраться в основных типах оперативки и отдельно поговорим о крупнейших производителях микросхем и модулей памяти.