DRAM ( engelsk dynamic random access memory - dynamic random access memory) - en typ av datorminne , kännetecknad av användningen av halvledarmaterial , volatilitet och förmågan att komma åt data lagrade i godtyckliga minnesceller (se random access memory ). Minnesmoduler med denna typ av minne används ofta i datorer som RAM-minne och används även som permanenta lagringsenheter i system som kräver förseningar.
Rent fysiskt består DRAM av celler skapade i ett halvledarmaterial i form av en kapacitans. En laddad eller urladdad kapacitans lagrar lite data. Varje cell i ett sådant minne tenderar att laddas ur (på grund av läckströmmar, etc.), så de måste ständigt laddas om - därav namnet "dynamiskt" (dynamiskt ladda). Uppsättningen av celler bildar en villkorlig "rektangel", som består av ett visst antal rader och kolumner . En sådan "rektangel" kallas en sida , och samlingen av sidor kallas en bank . Hela uppsättningen av celler är villkorligt uppdelad i flera områden.
Både en lagringsenhet (minne) och DRAM är en minnesmodul av någon form, bestående av ett tryckt kretskort , på vilket minneskretsarna är placerade, och en kontakt , nödvändig för att ansluta modulen till moderkortet .
Dynamiskt minne användes först i Aquarius-dechiffreringsmaskinen, som användes under andra världskriget vid regeringens kod- och chifferskola i Bletchley Park . Tecknen som lästes från pappersbandet ”lagrades i dynamisk lagring. … Valvet var en bank av kondensatorer som antingen laddades eller laddades ur. Den laddade kondensatorn motsvarade symbolen "X" (logisk etta), den urladdade motsvarade symbolen "." (logisk nolla). Eftersom kondensatorerna förlorade sin laddning på grund av läckage, applicerades en puls periodiskt på dem för att ladda (därav termen dynamisk ) ” [1] .
Den elektroniska kalkylatorn Toshiba Toscal BC-1411 , som började säljas i november 1965 [2] [3] , använde ett slags minne på kondensatorer med en total kapacitet på 180 bitar, gjorda på diskreta bipolära transistorer [2] [4] .
1965 skapade IBM -forskarna Arnold Farber och Eugene Schlig en minnescell på porten till en FET och en tunneldiodvippa som en läs-regenereringsförstärkare [5] . Senare ersatte de tunneldiodvippan med en tvåtransistorvippa, förutom transistorer, innehållande ytterligare två motstånd. Denna läsregenereringsförstärkarstruktur blev känd som Farber-Schlig-cellen . 1965 skapade Benjamin Agusta och kollegor på IBM ett 16-bitars kiselminneschip baserat på en Farber-Schlig-cell innehållande 80 transistorer, 64 resistorer och 4 dioder.
Till en början använde DRAM bipolära transistorer. Trots det faktum att sådant minne var snabbare än magnetiskt kärnminne, kunde bipolär transistor DRAM inte konkurrera på pris med magnetiskt kärnminne som dominerade vid den tiden [6] .
Kondensatorer användes också i tidigare lagringsenheter, som Atanasoff-Berry- datortrumman , Williams-rör och selectrons .
1966 uppfann Robert Dennard från IBMs Thomas Watson Research Center det moderna minnet och det fortfarande använda DRAM-minnet med en kondensator och en transistor per bit. 1968 utfärdades Dennard US Patent #3,387,286 .
Intel 1103 blev det första kommersiella dynamiska minneschippet1 kB, släpptes till försäljning i oktober 1970.
På den fysiska nivån är DRAM en samling celler som kan lagra information. Celler består av kondensatorer och transistorer placerade inuti halvledarminneschips [7] . Kondensatorer laddas när en enhetsbit skrivs till en cell och laddas ur när en nollbit skrivs till en cell.
När strömförsörjningen avbryts laddas kondensatorerna ur och minnet återställs (töms). För att upprätthålla den erforderliga spänningen på kondensatorplattorna (för att spara data) måste kondensatorerna laddas upp med jämna mellanrum . Omladdningen utförs genom att spänningen påläggs kondensatorerna genom switchande transistoromkopplare . Behovet av att ständigt ladda kondensatorerna (dynamiskt underhåll av laddningen av kondensatorer) är den grundläggande principen för driften av DRAM-minnet.
En viktig del av DRAM-minnet är en känslig förstärkare - komparator ( engelsk sense amp ) kopplad till var och en av kolumnerna i "rektangeln". När man läser data från minnet reagerar komparatorförstärkaren på en svag ström av elektroner som rusar genom öppna transistorer från kondensatorplattor och läser en hel linje. Läsning och skrivning sker rad för rad; datautbyte med en enda cell är inte möjligt.
Till skillnad från statiskt minne ( SRAM -minne ( engelsk static random access memory ), strukturellt mer komplext, dyrare, snabbare och används huvudsakligen i cacheminne ), är långsamt men billigt dynamiskt minne (DRAM) gjort på basis av kondensatorernas liten kapacitet. Sådana kondensatorer tappar snabbt laddning, så för att undvika förlust av lagrad data måste kondensatorerna laddas upp med jämna mellanrum. Denna process kallas minnesregenerering och utförs av en speciell styrenhet installerad antingen på moderkortet eller på CPU -kretsen . Under en tidsperiod, kallat regenereringssteget , skrivs en hel rad med celler över i DRAM, och alla minnesrader uppdateras efter 8-64 ms .
Processen med minnesregenerering i den klassiska versionen saktar ner systemet avsevärt, eftersom det under dess implementering är omöjligt att utbyta data med minnet. Regenerering baserad på enkel raduppräkning används inte i moderna typer av DRAM. Det finns flera mer ekonomiska alternativ för denna process: utökad, batch, distribuerad. Det mest ekonomiska är dold (skugg) regenerering.
Bland de nya regenereringsteknikerna finns PASR ( partial array self refresh ), som används av vissa företag inom lågeffekts SDRAM -minneschips . Cellregenerering utförs endast under vänteperioden i de minnesbanker som har data. Samtidigt med denna teknik används TCSR- teknik ( temperaturkompenserad självuppfriskning ) , utformad för att reglera regenereringsperioden beroende på driftstemperaturen.
De viktigaste egenskaperna hos DRAM är driftfrekvens och timings .
Innan man kommer åt en minnescell skickar minneskontrollern banknumret , banksidnumret , sidradens nummer och sidkolumnnumret till minnesmodulen; Dessa frågor tar tid. Före och efter utförandet av en läsning eller skrivning ägnas en ganska lång tid åt att "öppna" och "stänga" banken. Varje åtgärd tar tid, kallad timing .
De viktigaste DRAM-tiderna är:
Tider mäts i nanosekunder eller cykler. Ju lägre tidsvärde, desto snabbare kommer RAM-minnet att fungera.
Med tiden har utvecklare skapat olika typer av DRAM med hjälp av olika tekniska lösningar. Den främsta drivkraften bakom denna utveckling var önskan att öka hastigheten och mängden RAM.
PM DRAM ( eng. sidläge DRAM - sida DRAM) - en av de första typerna av DRAM. Denna typ av minne producerades i början av 1990-talet. Med tillväxten av processorprestanda och resursintensiteten för applikationer var det nödvändigt att öka inte bara mängden minne utan också hastigheten på dess drift.
FPM DRAM ( eng. fast page mode DRAM - fast page DRAM) är en typ av DRAM baserad på PM DRAM och med ökad prestanda. Denna typ av minne fungerade på samma sätt som PM DRAM-minne, och hastighetsökningen uppnåddes genom att öka belastningen på minneshårdvaran (åtkomst av data på samma sida utfördes med en lägre fördröjning [8] ). Denna typ av minne var populärt under första hälften av 1990-talet och 1995 [9] upptog den 80 % av datorminnesmarknaden. Den användes främst för datorer med Intel 80486-processorer eller liknande processorer från andra företag. Den kunde fungera på 25 och 33 MHz med fulla åtkomsttider på 70 och 60 ns och arbetscykeltider på 40 respektive 35 ns. 1996-1997 ersattes den av EDO DRAM och SDR SDRAM. 1997 sjönk marknadsandelen för FPM DRAM till 10 % [9] [10] .
EDO DRAM ( engelsk extended data out DRAM - DRAM with extended data output) är en typ av DRAM designad för att ersätta FPM DRAM på grund av ineffektiviteten hos FPM DRAM när man arbetar med Intel Pentium-processorer . Denna typ av minne dök upp på marknaden 1996. Används på datorer med Intel Pentium och högre processorer. När det gäller prestanda gick den om FPM DRAM med 10-15%. Den fungerade vid frekvenser på 40 och 50 MHz med en full accesstid på 60 och 50 ns och en arbetscykeltid på 25 respektive 20 ns. Den innehöll ett låsregister ( engelsk datalås ) med utdata, vilket gav en del pipelinearbete för att förbättra prestandan vid läsning.
SDR SDRAM ( eng. single data rate synchronous DRAM - synchronous DRAM of a single frequency) är en typ av DRAM skapad för att ersätta EDO DRAM på grund av en minskning av stabiliteten hos EDO DRAM med nya processorer och en ökning av systemets driftsfrekvenser bussar . De nya funktionerna i denna typ av minne är användningen av en klockgenerator för att synkronisera alla signaler och användningen av pipelined informationsbehandling . Denna typ av minne fungerade tillförlitligt vid systembussfrekvenser på 100 MHz och högre.
Om för FPM DRAM och EDO DRAM tiden för att läsa data från den första cellen i kedjan (åtkomsttid) indikerades, så indikerades för SDRAM tiden för att läsa data från efterföljande celler. En kedja är flera celler ordnade i serie. Det tog 60–70 ns att läsa data från den första cellen, oavsett minnestyp, och tiden för att läsa efterföljande celler berodde på minnestypen. SDRAM-driftsfrekvenser kan vara 66, 100 eller 133 MHz, full åtkomsttid - 40 och 30 ns, och arbetscykeltid - 10 och 7,5 ns.
Tillsammans med SDRAM-minne användes VCM -teknik ( virtuellt kanalminne ) . VCM använder en virtuell kanalarkitektur som möjliggör mer flexibel och effektiv dataöverföring med hjälp av on-chip registerkanaler. Denna arkitektur är integrerad i SDRAM. Användningen av VCM ökade dataöverföringshastigheten. VCM-kapabla och icke-VCM-kapabla SDRAM-minnesmoduler var kompatibla, vilket gjorde att system kunde uppgraderas utan betydande kostnad eller modifiering. Denna lösning har fått stöd från vissa chipsettillverkare.
ESDRAM ( enhanced SDRAM ) är en typ av DRAM designad för att lösa några av de latensproblem som är inneboende i standard DRAM. Denna typ av minne kännetecknades av närvaron av en liten mängd SRAM i chippet, det vill säga närvaron av en cache. I huvudsak var det SDRAM med en liten mängd SRAM. Cachen användes för att lagra och hämta de mest använda data, vilket minskade dataåtkomsttiden för långsamt DRAM. Minne av denna typ producerades till exempel av Ramtron International Corporation. Med låga fördröjningar och paketarbete kunde den fungera vid frekvenser upp till 200 MHz.
BEDO DRAM ( burst EDO DRAM - burst EDO RAM) är en typ av DRAM baserad på EDO DRAM och med stöd för block-för-block dataläsningsteknik (ett datablock lästes i en cykel). Minnesmoduler av denna typ, på grund av blockläsning, fungerade snabbare än SDRAM, blev ett billigt alternativ till SDRAM, men på grund av oförmågan att fungera på systembussfrekvenser över 66 MHz blev de inte populära.
VRAM ( engelsk video RAM ) är en typ av DRAM utvecklad på basis av SDRAM speciellt för användning i grafikkort . Tack vare vissa tekniska förändringar överträffade minnet av denna typ SDRAM med 25 %. Tillåts tillhandahålla en kontinuerlig ström av data i processen att uppdatera bilden, vilket var nödvändigt för att inse möjligheten att visa bilder av hög kvalitet. Det blev grunden för WRAM- minne ( eng. windows RAM ), som ibland av misstag förknippas med operativsystem i Windows- familjen .
DDR SDRAM ( eng. dubbel datahastighet SDRAM , SDRAM eller SDRAM II ) är en typ av DRAM baserad på SDR SDRAM och med dubbel dataöverföringshastighet (dubbel bandbredd ). Denna typ av minne användes ursprungligen i grafikkort, senare började det användas på chipset.
I tidigare versioner av DRAM var adress-, data- och kontrolllinjerna som begränsar enheternas hastighet separerade. För att övervinna denna begränsning, i vissa tekniska lösningar, började alla signaler sändas över en enda buss. Två av dessa lösningar var DRDRAM och SLDRAM (en öppen standard). SLDRAM-minne, liknande det föregående[ vad? ] teknologin använder båda klockkanterna. När det gäller gränssnittet antar SLDRAM ett protokoll som heter SynchLink Interface och syftar till att arbeta vid 400 MHz.
Driftsfrekvenserna för DDR SDRAM-minnet är 100, 133, 166 och 200 MHz, den fulla åtkomsttiden är 30 och 22,5 ns, och arbetscykeltiden är 5, 3,75, 3 och 2,5 ns.
Eftersom klockfrekvensen ligger i intervallet från 100 till 200 MHz, och data sänds med 2 bitar per klockpuls, både på stigande flank och vid sjunkande klockpuls, ligger den effektiva dataöverföringsfrekvensen i intervallet från 200 till 400 MHz. Minnesmoduler som arbetar vid sådana frekvenser betecknas "DDR200", "DDR266", "DDR333", "DDR400".
RDRAM ( engelska Rambus DRAM ) är en typ av DRAM som utvecklats av Rambus . Minne av denna typ kännetecknades av hög prestanda på grund av ett antal funktioner som inte finns i andra typer av minne. Drivs på 400, 600 och 800 MHz med full åtkomsttid upp till 30 ns och arbetscykeltid upp till 2,5 ns. Till en början var det väldigt dyrt, varför tillverkare av kraftfulla datorer föredrog det mindre produktiva och billigare DDR SDRAM.
DDR2 SDRAM är en typ av DRAM baserad på DDR SDRAM och släpptes 2004. Denna typ av minne, jämfört med DDR SDRAM, hade högre prestanda på grund av tekniska förändringar. Designad för användning på moderna datorer. Arbetade på bussklockfrekvenser på 200, 266, 333, 337, 400, 533, 575 och 600 MHz. I detta fall kan den effektiva dataöverföringsfrekvensen vara 400, 533, 667, 675, 800, 1066, 1150 och 1200 MHz. Vissa tillverkare av minnesmoduler producerade, förutom moduler som arbetar med standardfrekvenser, moduler som arbetar med icke-standardiserade (mellanliggande) frekvenser; sådana moduler var avsedda att användas i överklockade system där utrymme krävdes. Full åtkomsttid - 25, 11.25, 9, 7.5 ns och mindre. Driftcykeltiden är från 5 till 1,67 ns.
DDR3 SDRAM är en typ av DRAM baserad på DDR2 SDRAM som har dubbla minnesbussdatahastigheten och lägre strömförbrukning. Denna typ av minne ger mer bandbredd än tidigare typer av minne. Fungerar med bandbreddsfrekvenser från 800 till 2400 MHz (frekvensrekord - mer än 3000 MHz).
DDR4 SDRAM ( eng. DDR four SDRAM ) är en typ av DRAM baserad på tekniken från tidigare generationer av DDR och med ökade frekvensegenskaper och minskad matningsspänning.
Den största skillnaden mellan DDR4 och den tidigare standarden (DDR3) är att antalet banker fördubblades till 16 (i två grupper av banker, vilket ökade överföringshastigheten). Bandbredden på DDR4-minne i framtiden kan nå 25,6 GB / s (vid ökning av den maximala effektiva frekvensen till 3200 MHz). Tillförlitligheten hos DDR4 har förbättrats genom att införa en paritetskontrollmekanism på adress- och kommandobussarna. Inledningsvis definierade DDR4-standarden ett frekvensområde från 1600 till 2400 MHz med möjlighet att öka upp till 3200 MHz.
Massproduktion av DDR4 ECC-minne började under andra kvartalet 2014, och försäljningen av icke-ECC DDR4-moduler började följande kvartal tillsammans med Intel Haswell-E/Haswell-EP-processorer som kräver DDR4.
DDR5 SDRAM ( eng. DDR five SDRAM ) är en typ av DRAM baserad på tekniken från tidigare generationer av DDR och med ökad frekvensrespons, maximal modulstorlek och minskad matningsspänning.
Den största skillnaden mellan DDR5 och den tidigare standarden (DDR4) är den maximala minnesbandbredden som når 32GB/s (vid en maximal effektiv frekvens på 8400MHz), den maximala volymen för en modul är 64GB och en spänning på 1,1V.
DRAM-minne utförs strukturellt både i form av separata mikrokretsar (i DIP , SOIC , BGA- typer) och i form av minnesmoduler (typer SIPP , SIMM , DIMM , RIMM ).
Till en början producerades minneschips i paket av DIP -typ (till exempel K565RUxx- serien ), senare började de produceras i paket som var mer tekniskt avancerade för användning i moduler.
På många SIMM-enheter och på de flesta DIMM-enheter installerades SPD ( seriell närvarodetektion ) - ett litet EEPROM-minneschip. Modulens parametrar (kapacitet, typ, driftspänning, antal banker, åtkomsttid, etc.) registrerades på SPD. Parametrar var läsbara av hårdvara, användes för autotuning, kunde läsas av programvara (tillverkare eller användare).
SIPP ( eng. single in-line pin package ) - minnesmoduler, som är rektangulära kort med kontakter i form av en serie små stift. Denna typ av design används praktiskt taget inte längre, eftersom den ersattes av SIMM-moduler.
SIMM ( engelska single in-line memory module ) - minnesmoduler, som är långa rektangulära kort med ett antal kuddar längs ena sidan av kortet. Modulerna fixeras i skåran (slits, från den engelska skåran - slot, slot) med hjälp av spärrhakar genom att ställa in brädet i en viss vinkel och trycka det tills det förs till vertikalt läge. Moduler producerades för 256 KB, 1, 4, 8, 16, 32, 64, 128 MB. De vanligaste är 30- och 72-stifts SIMM.
DIMM ( eng. dual in-line memory module ) - minnesmoduler, som är långa rektangulära kort med rader av kontaktdynor längs båda sidor av kortet. De är installerade vertikalt i anslutningskontakten och är fixerade i båda ändar med spärrar. Minneschips kan placeras på dem antingen på ena eller båda sidor av brädet.
Använda DIMM-designer| Minnestyp | Antal kontakter |
|---|---|
| SDRAM | 168 |
| DDR SDRAM | 184 |
| DDR2, DDR3, FB-DIMM SDRAM | 240 |
| DDR4 SDRAM | 288 |
SO-DIMM ( eng. small outline DIMM ) - minnesmoduler som är små i storlek och designade för användning i bärbara och kompakta enheter (på Mini-ITX formfaktormoderkort , i bärbara datorer , surfplattor etc.), i skrivare , i nätverk och telekommunikationsteknik, etc. Strukturellt reducerade DRAM-moduler (både SDRAM och DDR SDRAM) används i stor utsträckning, som är analoger till DIMM-moduler i en kompakt design för att spara utrymme. Finns i 72-, 100-, 144-, 200-, 204- och 260-stiftsversioner.
RIMM ( engelska rambus in-line minnesmodul ) - minnesmoduler som används i par. Lite vanligt. Finns med RDRAM- minne , med 168 eller 184 stift. På grund av designfunktionerna bör de endast installeras på moderkort i par, annars bör speciella stubbmoduler installeras i tomma platser. Det finns också 242-stifts PC1066 RDRAM RIMM 4200-moduler som inte är kompatibla [11] med 184-stiftskontakter, och SO-RIMM är mindre minnesmoduler som liknar RIMM som är designade för användning i bärbara enheter.
De tio bästa tillverkarna av DRAM-minneskretsar 2018 inkluderade Kingston Technology (72,17%), SMART Modular Technologies (5,07%), Ramaxel (4,68%), ADATA Technology (3,89%), Tigo (2,08%), POWEV (2,05%) , Transcend Information (1,04%), Apacer Technology (0,96%), Team Group (0,87%) och Innodisk (0,67%).
Ledaren när det gäller produktion av färdiga DIMM DRAM-moduler är det amerikanska företaget Kingston Technology (45,8 % från och med första halvåret 2010) [12] .
| Typer av Dynamic Random Access Memory (DRAM) | |
|---|---|
| asynkron | |
| Synkron | |
| Grafisk | |
| Rambus | |
| Minnesmoduler | |