Краткая история эволюции оперативной памяти

Сегодня на очереди у нас история ОЗУ – что в расшифровке значит оперативное запоминающее устройство. От самых первых до самых передовых, всё как вы любите...

Для полноценного понимания давайте сначала определимся, что же такое оперативная память. ОЗУ на английском Random Access Memory, RAM —

если очень упростить, это такая память, которая хранит временные данные (запущенные игры, программы, операционную систему). ОЗУ является неким соединяющим звеном между процессором и накопителем, будь то ссд или хдд. А нужна она для того, чтобы оперативно и быстро выполнять задачи, так как те же накопители, как правило, имеют низкую скорость ввода-вывода информации; и в теории, если убрать оперативку из этого звена, то задачи бы исполнялись в несколько раз дольше. И еще данные ОЗУ хранятся только во время непосредственно работы самой программы/операционной системы, то есть во время отключения компьютера данные с неё стираются.

В большинстве случаев - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором. Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится как непосредственно, так и через сверхбыструю память нулевого уровня либо при наличии аппаратного кэша процессора — через кэш. 

Содержащиеся в полупроводниковой оперативной памяти данные доступны и сохраняются только тогда, когда на модули памяти подаётся напряжение. Выключение питания оперативной памяти, даже кратковременное, приводит к потере хранимой информации.

Итак, с чего всё началось?

А началось всё в 1833 году с Чарльза Бэббиджа, который начал разработку аналитической машины. Одну из её частей он называл «складом» (store) и предназначалась она для хранения промежуточных результатов вычислений. Информация в «складе» запоминалась в чисто механическом устройстве в виде поворотов валов и шестерней.

В ЭВМ первого поколения использовалось множество разновидностей и конструкций запоминающих устройств, основанных на различных физических принципах: 

В качестве ОЗУ использовались также магнитные барабаны, обеспечивавшие достаточно малое для ранних компьютеров время доступа; также они использовались в качестве основной памяти для хранения программ и данных.

Второе поколение требовало более технологичных, дешёвых и быстродействующих ОЗУ. Наиболее распространённым видом ОЗУ в то время стала ферритовая память на магнитных сердечниках.

Начиная с третьего поколения, большинство электронных узлов компьютеров стали выполнять на микросхемах, в том числе и ОЗУ. Наибольшее распространение получили два вида ОЗУ:

- статическая память (SRAM) в виде массива триггеров;

- динамическая память (DRAM) в виде массива конденсаторов.

SRAM хранит бит данных в виде состояния триггера. Этот вид памяти является более дорогим в расчёте на хранение 1 бита; как правило, имеет меньшее время доступа, но большее энергопотребление, чем DRAM. В современных компьютерах SRAM часто используется в качестве кэш-памяти процессора.

DRAM хранит бит данных в виде заряда конденсатора. Однобитовая ячейка памяти содержит конденсатор и транзистор. Конденсатор заряжается до высокого или низкого напряжения (логические 1 или 0). Транзистор выполняет функцию ключа, соединяющего конденсатор к схеме управления, расположенной на том же чипе. Схема управления позволяет считывать состояние заряда конденсатора или изменять его. Так как хранение 1 бита информации в этом виде памяти дешевле, DRAM преобладает в компьютерах третьего поколения.

DRAM хранит бит данных в виде заряда конденсатора. Однобитовая ячейка памяти содержит конденсатор и транзистор. Конденсатор заряжается до высокого или низкого напряжения (логические 1 или 0). Транзистор выполняет функцию ключа, соединяющего конденсатор к схеме управления, расположенной на том же чипе. Схема управления позволяет считывать состояние заряда конденсатора или изменять его. Так как хранение 1 бита информации в этом виде памяти дешевле, DRAM преобладает в компьютерах третьего поколения.

Но что до современной памяти? С чего всё началось?

Память на микросхемах.

Революция на оперативном поприще случилась в 1970 году, когда были освоены микросхемы. Память на них выпустили сразу два производителя – уже крупный и известный игрок IBM и молодая ещё никому неизвестная конторка Intel. В IBM большую роль в появлении памяти сыграл доктор Роберт Деннард.

Впрочем, история сложилась так, что именно Intel представила в последствии самый популярный на тот момент чип памяти i1103 ёмкостью 1 кбит. 

Появление подобных компактных чипов памяти позволило появится на свет первым микропроцессорам и относительно компактным калькуляторам. А в 1972 году однотранзисторная DRAM вытеснила ферромагнитную память с рынка. И скоро начали уходить в прошлое и громоздкие компьютеры величиной с комнату, передавая место пусть и увесистым, но всё же настольным персональным компьютерам. Да и объём памяти стал расти, дойдя на пике своего развития от 64 кб до 1 Мб.

Первые планки памяти.

Первыми планками памяти, отдалённо напоминающими нам современные DDR плашки, стали FPM RAM, которые были выпущены в 1990 году. Имели 30 контактов, частоту в 25 мгц и пропускную способность в 200 Мбит/сек. Шина данных была 8-битная, а напряжение 5 Вольт. В 1995 году ей на смену пришла более продвинутая EDO RAM память.

Кстати о ней. Её разработала компания Micron и выпускала с 1995 по 1996 год в компьютерах на основе Intel Pentium. Имела объём 16Мб, частоту 40 МГц, а пропускную способность - 320 Мб/сек. Напряжение было внушительным – 5 Вольт. В отличии от FPM памяти, в памяти EDO при выставлении сигнала CAS в линию продолжали выдаваться данные с текущего такта, что позволило сократить длительность цикла чтения. Что, впрочем, продержаться на плаву типу памяти не помогло – уже в 1996 году её окончательно вытеснила SDRAM.

Но вернёмся в 1993 год. Именно тогда компания Samsung представляет SDRAM. Такое деловитое слово означает Синхронная Динамическая Память с Произвольным Доступом. Память на отдельных микросхемах, которую можно менять самостоятельно в случае необходимости. Первоначально память предлагалась как альтернатива дорогущей VRAM, однако быстро прижилась в качестве оперативной памяти и стала очень быстро вытеснять остальные виды динамической памяти. К 2000 году SDRAM стала единственным видом ОЗУ. Первые планки имели объём в 16 Мб и частоту 66, 100 или 133 МГц. Время доступа к данным составляло 10 наносекунд. В отличии от других типов DRAM, использовавших асинхронный обмен данными, ответ на поступивший в устройство управляющий сигнал возвращается не сразу, а лишь при получении следующего тактового сигнала.

Там же, в нулевых, появилась комиссия JEDEC – участники рынка памяти сформировали стандарты и спецификации памяти, утвердили частотные и электрические характеристики.

И впрочем, был ещё один тип памяти, который прожил не долгую, но яркую и насыщенную жизнь – RDRAM. Появилась на свет божий этот тип в 1996 году силами производителей Rambus и Intel. Память имела революционные характеристики – высокие частоты обеспечивали 99% загрузку канала памяти, когда у конкурентов это значение не превышало 70%. Пропускная способность первых планок равнялась немыслимым 1 гбит/Сек, а позже появились планки с пропускной способностью аж 4 гбит/Сек. Память ринулись закупать крупнейшие производители, такие как Samsung, LG, и AMD. В 1999 году на выставке IDF вновь показали RDRAM плашки с частотой в 800 МГц. Вы только вдумайтесь: 800 МГц против 133 МГц у конкурентов! Были даже готовые первые матплаты с поддержкой данной памяти, однако за 2 дня до презентации мероприятие было перенесено на неопределённый срок из-за вскрывшейся ошибки памяти memory bit error. В тот момент из-за переносов Intel потеряла около 100 млн долларов. Это, на минуточку, 1999 год - деньжищи были огромные!

Ну, разумеется, память тогда не умерла, а смогла добраться до рынка и даже прописаться в двух игровых консолях - PlayStation 2 и Nintendo 64. Однако к началу нулевых её доля рынка уменьшилась до нескольких процентов: тип RDRAM была весьма производительной, но жутко дорогой, а производители к тому времени уже сконцентрировались на другом типе памяти – DDR. 

DDR память - синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных.

Прототипы памяти нового поколения показала Samsung в 1997 году, а в 1998 присоединилась и Hyundai Electronics (ныне SK Hynix). Однако широко использоваться они стали только в 2000 году, когда были выпущены первые матплаты с поддержкой нового стандарта.

DDR является улучшением синхронной памяти с произвольным доступом SDRAM, например, скорость передачи данных была удвоена.

Однако, в отличии от первой SDRAM, считывание данных происходит не только по фронту, но и по спаду тактового сигнала. То есть удвоение скорости достигается не за счёт повышения частот. При фактических 100 МГц мы получаем 200 МГц эффективной частоты – вот откуда берутся корни разделения частоты на фактическую и эффективную, вплоть до наших дней.

Однако в спецификации JEDEC указано, что применение единицы измерения в МегаГерцах к оперативной памяти некорректно, а вернее будет говорить «миллионов передач в секунду через один вывод данных». Тут же в DDR получили распространение двухканальный режим и поддержка ЕСС – коррекции ошибок в реальном времени. Хотя, конечно, сама ЕСС появилась ещё в 40-х годах для устранения помех в каналах связи – телетайпах и телеграфе.

Что по характеристикам, то тактовые частоты варьировались от 100 до 200 МГц. Теперь эти значения надо было умножать на 2. Техпроцесс 130-нм. Объём от 512 Мб до 1Гб. 

Тут ещё стоит сделать сноску о том, что было 2 типа DRAM: синхронная и асинхронная память.

Синхронная DRAM использует системные часы для доступа к памяти, из-за чего ЦП знает время или точное количество циклов, в течение которых данные будут доступны из ОЗУ на ввод-вывод. Что, как вы понимаете, положительно влияет на производительность системы.

Асинхронная же память к системным часам не обращается, считывая сигналы с входной и выходной шины, что вызывает высокие задержки и падение скорости работы.

К слову, еще стоит немного упомянуть графическую память – GDDR. Общими отличиями GDDR от DDR являются более высокие номинальные частоты работы первой. Также GDDR содержит упрощения электрического интерфейса и применение ряда специальных приёмов управления буфером ввода-вывода, что позволяет достичь несколько бо́льшей пропускной способности и более высоких рабочих частот по сравнению с DDR SDRAM. Кроме этого, GDDR имеет по сравнению с DDR более низкое энергопотребление и тепловыделение при работе на равных частотах.

DDR2 и DDR3

Представлен новый стандарт был в 2003 году. Частоты выросли – теперь диапазон составлял от 100 до 266 МГц тактовой частоты (200 – 533 МГц эффективной), а объём довели до 2 Гб, хотя были в продаже и модули по 8 Гб. Ну и напряжение снизили во многом благодаря 90-нм техпроцессу. Позже для видеокарт появится GDDR2. GDDR2 по сути является DDR2 с интерфейсом и упаковкой, спроектированными специально для работы на максимально возможных частотах и для коротких шин.

Далее в 2007 году вышла DDR3, которая используется по сей день многими пользователями. Виток развития, если коротко, был тот же: увеличить память и частоту, снизить напряжение, в том числе за счёт более тонкого техпроцесса. Первые партии шли на 90-нм, затем память переехала на 65-нм, далее на 50-нм и наконец на 40-нм. Ну и увеличение буфера предварительной выборки с 4 пакетов DDR2 до 8 пакетов в DDR3. Выросли вдвое тактовые частоты до 400 и 1200 МГц, и 800 и 2400 МГц эффективной частоты. А объём варьировался от 1 до 16 Гб.

Также была и GDDR3 для графических карт, но при этом имела такое же технологическое ядро, как DDR2, но более высокую эффективную частоту

В 2014 году на публичный рынок выходит DDR4.

На данный момент последнее поколение памяти, использующееся на широком потребительском рынке. 

Повышенная плотность модулей и пониженные рабочие напряжения позволили довести объём одной плашки памяти до 128 Гб, что в 8 раз больше, чем 16 Гб у DDR3. Основное отличие DDR4 от предыдущего стандарта DDR3 заключается в удвоенном до 16 числе внутренних банков, что позволило увеличить скорость передачи внешней шины. Ранние работы по проектированию следующего за DDR3 стандарта оперативной памяти начались в JEDEC около 2005 года, примерно за два года до запуска DDR3 в 2007. Основы архитектуры DDR4 планировалось согласовать в 2008 году. JEDEC представила информацию о DDR4 в 2010 году на конференции MemCon в Токио. Судя по слайдам «Time to rethink DDR4», новинка должна иметь и повышенную эффективную частоту (от 2 133 до 4 266 МГц) и пониженное напряжение (от 1,3 до 1,1 В) по сравнению с предыдущими стандартами, предполагаемый техпроцесс — 32 и 36 нм. Массовое производство намечалось на 2015 год.

До сегодняшнего дня планки памяти прошли путь от 36-нм до 16-нм техпроцесса. Выросли и тактовые частоты – от 800 до 1600 МГц (эффективная - от 1600 до 3200 МГц). Хотя, конечно, со временем во всех поколениях, и в DDR4 в том числе, производители умудряются разгонять свои планки свыше обозначенных рамок, что весьма хорошечно. 

Что на счёт GDDR4? Она вообще является аналогом DDR3, но как полагается для графической памяти имеет более высокую эффективную частоту. Работала на частотах от 1 ГГц (2 Ггц эффективной) и вплоть до 2,2-2,4 Ггц (4-4,8 эффективной ), но этот тип памяти широкого распространения не получил из-за цены и несущественного прироста в сравнении с GDDR3.

DDR5 – игра стоит свеч?

Новый стандарт памяти по сути дебютировал на рынке вместе с 12 поколением Intel Alder Lake, ведь именно тогда производители активно стали анонсировать свои планки памяти, а на рынке появились процессоры и матплаты с поддержкой новой памяти.

Согласно спецификациям Hynix, пропускная способность DDR5 почти в 2 раза выше, чем у DDR4 – до 5600 мбит/Сек на линию. Скорость работы тоже увеличилась в 2 раза – с 3,2 до 6,4 гбит/Сек. Плотность ядра увеличилась с 16 до 64 гбит. Вольтаж снова снизили – стандартная планка работает с напряжением в 1,1В. Релиз ожидается либо в конце 2021 года, либо уже в 2022 году. Первые планки имеют скорость от 4800 до 6800 мгц, однако в будущем появятся и более скоростные планки с частотой около 8000 мгц. За частотами увеличились и тайминги. Они выше, чем у DDR4, но на производительности это не отразится - всё же рост частот и пропускной способности с головой перекрывают такой досадный элемент, да и опять же, потенциал новой памяти пока не раскрыт. Так уж вышло, что старт новой памяти пришёлся на релиз 11 Windows, которая по сложившейся традиции оказалась, скажем так, сыроватой. В будущем, когда оптимизируют новую винду, допилят биосы новых гибридных Alder Lake, всё может поменяться. Тем более, что в планках реализована поддержка ЕСС – коррекция ошибок в реальном времени, так что неудивительно, что задержки и тайминги стали повыше.

Увеличился и объём. Теперь 1 планка даёт сборке от 16 Гб памяти, а максимальный объём при помощи технологии производства Through-Silicon-Via - аж 256тГб. 

Что интересно, на рынке уже давно существуют GDDR5 и GDDR5X, а недавно появилась и GDDR6. Это, конечно, не одно и тоже, но просто любопытно, как была нарушена преемственность поколений и видеопамять по своему развитию ускакала далеко вперёд, по крайней мере в номерном порядке.

Взглянув на путь развития памяти, можно увидеть, как возрастала их производительность. И, как видим, память прошла огромный путь - от самых простых до самых быстрых и инновационных. Это прогресс, детка!

Теперь поговорим о ней чуть детальнее.

Что интересно, GDDR5 соответствует DDR3, имеет удвоенные каналы связи, а также буферы предварительной выборки шириной 8 битов, как у GDDR4. Память типа GDDR5 обеспечивает вдвое большую пропускную способность по сравнению с GDDR3. Однако на данный момент из GDDR5 выжаты почти все соки, начиная от 900 Мгц (3600 эффективной) в HD 4870 до 2500 Мгц (10000 эффективной) в GTX 1080. В последствии была представлена и GDDR5X. Говоря конкретнее, в GDDR5X возможны скорости передачи 10-14 Гбит/с, что вдвое превосходит возможности GDDR5.

Следующим шагом в развитии стала уже GDDR6, что по заверениям JEDEC снова в два раза быстрее, чем GDDR5. Выходит, где-то на уровне GDDR5X? Можно сказать и так. Но рабочее напряжение снижено на 10 %. Также одной из отличительных особенностей новой памяти является работа каждой микросхемы в двухканальном режиме. Появилась данная память с анонсом Nvidia RTX 2000. А что было дальше? Все мы уже знаем, что с анонсом RTX 3000 была показана GDDR6X c впечатляющей пропускной способностью. Скорость передачи данных для одного контакта GDDR6X достигает 21 Гбит/с, тогда как у GDDR6 этот показатель составлял лишь 16 Гбит/с. В результате пропускная способность всей подсистемы памяти раньше (имеется в виду с GDDR6) могла достигать порядка 700 Гбайт/с, а теперь этот показатель может доходить до 1 Тбайт/с. Вот такие вот сверхскорости! Однако энергопотребление возросло существенно, как и температуры самих чипов.

Пожалуй, на этом у нас всё! Данный материал является ознакомительным и содержит упущения в угоду его усвояемости, более подробно вам всегда всё расскажет Гугл. Мы кратенько прошлись по истории оперативной памяти и надеемся, что вам всё понравилось.