DRAM ( anglicky dynamic random access memory - dynamic random access memory) - typ počítačové paměti , vyznačující se použitím polovodičových materiálů , volatilitou a možností přístupu k datům uloženým v libovolných paměťových buňkách (viz paměť s náhodným přístupem ). Paměťové moduly s tímto typem paměti jsou široce používány v počítačích jako paměť s náhodným přístupem (RAM) a jsou také používány jako trvalá paměťová zařízení v systémech, které jsou náročné na zpoždění.
Fyzicky se DRAM skládá z článků vytvořených v polovodičovém materiálu ve formě kapacity. Nabitá nebo vybitá kapacita ukládá trochu dat. Každý článek takové paměti má tendenci se vybíjet (v důsledku svodových proudů apod.), proto je nutné je neustále dobíjet – odtud název „dynamický“ (dynamicky dobíjet). Sada buněk tvoří podmíněný „obdélník“, který se skládá z určitého počtu řádků a sloupců . Jeden takový „obdélník“ se nazývá stránka a sbírka stránek se nazývá banka . Celá sada buněk je podmíněně rozdělena do několika oblastí.
Paměťové zařízení (paměť) i DRAM je paměťový modul určité konstrukce, skládající se z desky plošných spojů , na které jsou umístěny paměťové čipy, a konektoru potřebného pro připojení modulu k základní desce .
Dynamická paměť byla poprvé použita v dešifrovacím stroji Aquarius, který byl použit během druhé světové války ve vládní škole kódování a šifrování v Bletchley Park . Znaky načtené z papírové pásky „byly uloženy v dynamickém úložišti. … Trezor byl souborem kondenzátorů , které byly buď nabité, nebo vybité. Nabitý kondenzátor odpovídal symbolu „X“ (logická jednička), vybitý odpovídal symbolu „.“ (logická nula). Protože kondenzátory ztratily svůj náboj v důsledku úniku, byl na ně periodicky aplikován puls, aby se znovu nabily (odtud termín dynamický )“ [1] .
Elektronická kalkulačka Toshiba Toscal BC-1411 , která se začala prodávat v listopadu 1965 [2] [3] , používala jakousi paměť na kondenzátorech o celkové kapacitě 180 bitů, vyrobených na diskrétních bipolárních tranzistorech [2] [4] .
V roce 1965 vytvořili výzkumníci IBM Arnold Farber a Eugene Schlig paměťovou buňku na hradle FET a klopný obvod tunelové diody jako zesilovač pro čtení a regeneraci [5] . Později vyměnili tunelový diodový klopný obvod za dvoutranzistorový klopný obvod, kromě tranzistorů obsahující další dva odpory. Tato struktura zesilovače pro čtení a regeneraci se stala známou jako Farber-Schligův článek . V roce 1965 Benjamin Agusta a kolegové z IBM vytvořili 16bitový křemíkový paměťový čip založený na Farber-Schligově buňce obsahující 80 tranzistorů, 64 rezistorů a 4 diody.
Zpočátku DRAM používal bipolární tranzistory. Navzdory skutečnosti, že taková paměť byla rychlejší než paměť s magnetickým jádrem, bipolární tranzistorová DRAM nemohla cenově konkurovat pamětem s magnetickým jádrem, které v té době dominovalo [6] .
Kondenzátory byly také používány v dřívějších úložných zařízeních, jako je buben počítače Atanasoff-Berry , Williamsovy trubice a selektrony .
V roce 1966 vynalezl Robert Dennard z Thomas Watson Research Center společnosti IBM moderní paměť a stále používanou DRAM s jedním kondenzátorem a jedním tranzistorem na bit. V roce 1968 byl Dennardovi vydán americký patent #3,387,286 .
Intel 1103 se stal prvním komerčním dynamickým paměťovým čipem1 kB, uvolněna do prodeje v říjnu 1970.
Na fyzické úrovni je DRAM souborem buněk schopných ukládat informace. Články se skládají z kondenzátorů a tranzistorů umístěných uvnitř polovodičových paměťových čipů [7] . Kondenzátory se nabíjejí, když je do buňky zapsán jednotkový bit, a vybíjejí se, když je do buňky zapsán nulový bit.
Při přerušení napájení se vybijí kondenzátory a paměť se resetuje (vyprázdní). Pro udržení požadovaného napětí na deskách kondenzátoru (pro uložení dat) je třeba kondenzátory pravidelně dobíjet . Dobíjení se provádí přivedením napětí na kondenzátory přes spínací tranzistorové spínače . Potřeba neustále nabíjet kondenzátory (dynamické udržování nabití kondenzátorů) je základním principem fungování paměti DRAM.
Důležitým prvkem paměti DRAM je citlivý zesilovač - komparátor ( anglicky sense amp ) připojený ke každému ze sloupců "obdélníku". Při čtení dat z paměti komparátorový zesilovač reaguje na slabý proud elektronů řítící se otevřenými tranzistory z desek kondenzátoru a čte jeden celý řádek. Čtení a psaní se provádí řádek po řádku; výměna dat s jedinou buňkou není možná.
Na rozdíl od statické paměti ( paměti typu SRAM ( angl . static random access memory ), konstrukčně složitější, dražší, rychlejší a používané především v cache paměti ), je pomalá, ale levná dynamická paměť (DRAM) vyrobena na bázi kondenzátorů s malou kapacitou. Takové kondenzátory rychle ztrácejí náboj, takže aby nedošlo ke ztrátě uložených dat, je třeba je v pravidelných intervalech dobíjet. Tento proces se nazývá regenerace paměti a provádí jej speciální řadič nainstalovaný buď na základní desce nebo na čipu CPU . Za určitou dobu, nazývanou regenerační krok , se celá řada buněk přepíše v DRAM a všechny řady paměti se aktualizují po 8-64 ms .
Proces regenerace paměti v klasické verzi výrazně zpomaluje systém, protože během jeho implementace není možné vyměňovat data s pamětí. Regenerace založená na jednoduchém výčtu řádků se u moderních typů DRAM nepoužívá. Pro tento proces existuje několik ekonomičtějších možností: rozšířený, dávkový, distribuovaný. Nejekonomičtější je skrytá (stínová) regenerace.
Mezi nové technologie regenerace patří PASR ( částečné obnovování pole ), používané některými společnostmi v nízkoenergetických paměťových čipech SDRAM . Regenerace buněk se provádí pouze během čekací doby v těch paměťových bankách, které mají data. Současně s touto technologií je použita technologie TCSR ( teplotně kompenzovaná samoobnovení ) určená k regulaci doby regenerace v závislosti na provozní teplotě.
Hlavní charakteristiky DRAM jsou provozní frekvence a časování .
Před přístupem k paměťové buňce odešle paměťový řadič číslo banky , číslo stránky banky , číslo řádku stránky a číslo sloupce stránky do paměťového modulu; Tyto dotazy vyžadují čas. Před a po provedení čtení nebo zápisu je poměrně dlouhá doba strávená „otevřením“ a „zavřením“ banky. Každá akce vyžaduje čas, kterému se říká načasování .
Hlavní časování DRAM je:
Časování se měří v nanosekundách nebo cyklech. Čím nižší je hodnota časování, tím rychleji bude RAM pracovat.
Vývojáři postupem času vytvořili různé typy DRAM pomocí různých technických řešení. Hlavním hnacím motorem tohoto vývoje byla touha zvýšit rychlost a množství paměti RAM.
PM DRAM ( angl. page mode DRAM - page DRAM) - jeden z prvních typů DRAM. Tento typ paměti byl vyroben na počátku 90. let. S růstem výkonu procesoru a náročností na zdroje aplikací bylo nutné zvýšit nejen množství paměti, ale i rychlost jejího provozu.
FPM DRAM ( anglicky fast page mode DRAM - fast page DRAM) je typ DRAM založený na PM DRAM a vyznačuje se zvýšeným výkonem. Tento typ paměti fungoval stejně jako paměti PM DRAM a zvýšení rychlosti bylo dosaženo zvýšením zátěže hardwaru paměti (přístup k datům na stejné stránce byl realizován s menším zpožděním [8] ). Tento typ pamětí byl populární v první polovině 90. let a v roce 1995 [9] zabíral 80 % trhu počítačových pamětí. Používal se především pro počítače s procesory Intel 80486 nebo podobnými procesory jiných firem. Mohl by pracovat na 25 a 33 MHz s plnými přístupovými časy 70 a 60 ns a dobami pracovního cyklu 40 a 35 ns. V letech 1996-1997 byl nahrazen EDO DRAM a SDR SDRAM. V roce 1997 klesl podíl FPM DRAM na trhu na 10 % [9] [10] .
EDO DRAM ( anglicky extended data out DRAM - DRAM s rozšířeným datovým výstupem) je typ DRAM navržený k nahrazení FPM DRAM kvůli neefektivitě FPM DRAM při práci s procesory Intel Pentium . Tento typ paměti se objevil na trhu v roce 1996. Používá se na počítačích s procesory Intel Pentium a vyššími. Výkonově předběhl FPM DRAM o 10-15%. Pracoval na frekvencích 40 a 50 MHz s plnou přístupovou dobou 60 a 50 ns a dobou pracovního cyklu 25 a 20 ns. Obsahoval latch registr ( anglicky data latch ) výstupních dat, který poskytoval určitou práci s potrubím pro zlepšení výkonu při čtení.
SDR SDRAM ( anglicky single data rate synchronous DRAM - synchronní DRAM jedné frekvence) je typ DRAM vytvořený jako náhrada EDO DRAM kvůli snížení stability EDO DRAM s novými procesory a zvýšením provozních frekvencí systému . autobusy . Novými vlastnostmi tohoto typu paměti je použití generátoru hodin pro synchronizaci všech signálů a využití zřetězeného zpracování informací . Tento typ pamětí pracoval spolehlivě při frekvencích systémové sběrnice 100 MHz a vyšších.
Jestliže pro FPM DRAM a EDO DRAM byl indikován čas pro načtení dat z první buňky v řetězci (čas přístupu), pak pro SDRAM byl indikován čas pro načtení dat z následujících buněk. Řetězec je několik buněk uspořádaných v sérii. Načtení dat z první buňky trvalo 60–70 ns bez ohledu na typ paměti a doba načtení dalších buněk závisela na typu paměti. Pracovní frekvence SDRAM mohou být 66, 100 nebo 133 MHz, doba plného přístupu - 40 a 30 ns a doba pracovního cyklu - 10 a 7,5 ns.
Spolu s pamětí SDRAM byla použita technologie VCM ( virtual channel memory ) . VCM používá architekturu virtuálních kanálů, která umožňuje flexibilnější a efektivnější přenos dat pomocí registračních kanálů na čipu. Tato architektura je integrována do SDRAM. Použití VCM zvýšilo rychlost přenosu dat. Paměťové moduly SDRAM s podporou VCM a bez VCM byly kompatibilní, což umožnilo upgradovat systémy bez významných nákladů nebo úprav. Toto řešení našlo podporu u některých výrobců čipových sad.
ESDRAM ( vylepšená SDRAM ) je typ DRAM navržený k řešení některých problémů s latencí, které jsou vlastní standardní DRAM. Tento typ paměti se vyznačoval přítomností malého množství SRAM v čipu, to znamená přítomností mezipaměti. V podstatě šlo o SDRAM s malým množstvím SRAM. Mezipaměť byla použita k ukládání a načítání nejčastěji používaných dat, čímž se zkrátila doba přístupu k datům u pomalé DRAM. Paměti tohoto typu vyráběla například firma Ramtron International Corporation. S nízkým zpožděním a paketovou prací by mohl pracovat na frekvencích až 200 MHz.
BEDO DRAM ( burst EDO DRAM - burst EDO RAM ) je typ DRAM založený na EDO DRAM s podporou technologie čtení dat blok po bloku (datový blok byl načten v jednom cyklu). Paměťové moduly tohoto typu díky blokovému čtení pracovaly rychleji než SDRAM, staly se levnou alternativou k SDRAM, ale kvůli neschopnosti pracovat na frekvencích systémové sběrnice přesahující 66 MHz se neprosadily.
VRAM ( anglicky video RAM ) je typ DRAM vyvinutý na základě SDRAM speciálně pro použití ve grafických kartách . Díky některým technickým změnám předčily paměti tohoto typu SDRAM o 25 %. Umožňuje poskytovat nepřetržitý proud dat v procesu aktualizace obrazu, což bylo nutné pro realizaci možnosti zobrazení vysoce kvalitních snímků. Stala se základem paměti WRAM ( angl. windows RAM ), která je někdy mylně spojována s operačními systémy rodiny Windows .
DDR SDRAM ( angl. double data rate SDRAM , SDRAM nebo SDRAM II ) je typ DRAM založený na SDR SDRAM a vyznačuje se dvojnásobnou rychlostí přenosu dat (double bandwidth ). Tento typ paměti se původně používal ve grafických kartách, později se začal používat na čipových sadách.
V předchozích verzích DRAM byly adresy, data a řídicí linky, které omezují rychlost zařízení, odděleny. Aby se toto omezení překonalo, v některých technologických řešeních se všechny signály začaly přenášet po jediné sběrnici. Dvě z těchto řešení byly DRDRAM a SLDRAM (otevřený standard). Paměť SLDRAM, podobná té předchozí[ co? ] technologie využívá obě hrany hodin. Pokud jde o rozhraní, SLDRAM přijímá protokol nazvaný SynchLink Interface a jeho cílem je pracovat na 400 MHz.
Pracovní frekvence pamětí DDR SDRAM jsou 100, 133, 166 a 200 MHz, plná přístupová doba je 30 a 22,5 ns a doba pracovního cyklu je 5, 3,75, 3 a 2,5 ns.
Protože hodinová frekvence je v rozsahu od 100 do 200 MHz a data jsou přenášena rychlostí 2 bity na hodinový pulz, jak na náběžné hraně, tak na sestupu hodinového pulzu, leží efektivní frekvence přenosu dat v rozsahu od 200 na 400 MHz. Paměťové moduly pracující na takových frekvencích jsou označeny "DDR200", "DDR266", "DDR333", "DDR400".
RDRAM ( anglicky Rambus DRAM ) je typ DRAM vyvinutý společností Rambus . Paměti tohoto typu se vyznačovaly vysokým výkonem díky řadě funkcí, které se u jiných typů pamětí nevyskytují. Provoz na 400, 600 a 800 MHz s plnou přístupovou dobou až 30 ns a dobou pracovního cyklu až 2,5 ns. Zpočátku byl velmi drahý, proto výrobci výkonných počítačů preferovali méně produktivní a levnější DDR SDRAM.
DDR2 SDRAM je typ DRAM založený na DDR SDRAM a vydaný v roce 2004. Tento typ paměti měl oproti DDR SDRAM vyšší výkon díky technickým změnám. Navrženo pro použití na moderních počítačích. Pracoval na taktovacích frekvencích sběrnice 200, 266, 333, 337, 400, 533, 575 a 600 MHz. V tomto případě by efektivní frekvence přenosu dat mohla být 400, 533, 667, 675, 800, 1066, 1150 a 1200 MHz. Někteří výrobci paměťových modulů kromě modulů pracujících na standardních frekvencích vyráběli moduly pracující na nestandardních (středních) frekvencích; takové moduly byly určeny pro použití v přetaktovaných systémech, kde byla vyžadována rezerva. Plná přístupová doba - 25, 11,25, 9, 7,5 ns a méně. Doba pracovního cyklu je od 5 do 1,67 ns.
DDR3 SDRAM je typ DRAM založený na DDR2 SDRAM, který se vyznačuje dvojnásobnou datovou rychlostí paměťové sběrnice a nižší spotřebou energie. Tento typ paměti poskytuje větší šířku pásma než předchozí typy paměti. Pracuje na frekvencích šířky pásma od 800 do 2400 MHz (frekvenční rekord - více než 3000 MHz).
DDR4 SDRAM ( anglicky DDR four SDRAM ) je typ DRAM založený na technologiích předchozích generací DDR a vyznačuje se zvýšenou frekvenční charakteristikou a sníženým napájecím napětím.
Hlavním rozdílem mezi DDR4 a předchozím standardem (DDR3) je zdvojnásobení počtu bank na 16 (ve dvou skupinách bank, čímž se zvýšila přenosová rychlost). Šířka pásma paměti DDR4 může v budoucnu dosáhnout 25,6 GB/s (v případě zvýšení maximální efektivní frekvence na 3200 MHz). Spolehlivost DDR4 byla vylepšena zavedením mechanismu kontroly parity na adresové a příkazové sběrnici. Zpočátku standard DDR4 definoval frekvenční rozsah od 1600 do 2400 MHz s možností zvýšení až na 3200 MHz.
Masová výroba pamětí DDR4 ECC začala ve druhém čtvrtletí roku 2014 a prodej modulů DDR4 bez ECC začal v následujícím čtvrtletí spolu s procesory Intel Haswell-E/Haswell-EP vyžadujícími DDR4.
DDR5 SDRAM ( ang. DDR five SDRAM ) je typ DRAM založený na technologiích předchozích generací DDR a vyznačuje se zvýšenou frekvenční odezvou, maximální velikostí modulu a sníženým napájecím napětím.
Hlavním rozdílem mezi DDR5 a předchozím standardem (DDR4) je maximální šířka pásma paměti dosahující 32GB/s (při maximální efektivní frekvenci 8400MHz), maximální objem jednoho modulu je 64GB a napětí 1,1V.
Paměť DRAM je konstrukčně provedena jak ve formě samostatných mikroobvodů (v typech DIP , SOIC , BGA ), tak ve formě paměťových modulů (typy SIPP , SIMM , DIMM , RIMM ).
Paměťové čipy se zpočátku vyráběly v pouzdrech typu DIP (např. řada K565RUxx ), později se začaly vyrábět v pouzdrech technologicky vyspělejších pro použití v modulech.
Na mnoha modulech SIMM a na většině modulů DIMM byl nainstalován SPD ( sériová detekce přítomnosti ) - malý paměťový čip EEPROM. Parametry modulu (kapacita, typ, provozní napětí, počet bank, přístupová doba atd.) byly zaznamenány na SPD. Parametry byly čitelné hardwarem, používaly se pro automatické ladění, mohly být čteny softwarem (výrobcem nebo uživatelem).
SIPP ( angl. single in-line pin package ) - paměťové moduly, což jsou obdélníkové desky s kontakty ve formě řady malých pinů. Tento typ konstrukce se již prakticky nepoužívá, protože byl nahrazen moduly SIMM.
SIMM ( anglicky single in-line memory module ) - paměťové moduly, což jsou dlouhé obdélníkové desky s řadou podložek podél jedné strany desky. Moduly se ve slotu (slot, z angl. slot - slot, slot) fixují pomocí západek nastavením desky pod určitým úhlem a jejím přitlačením až do svislé polohy. Moduly byly vyrobeny pro 256 KB, 1, 4, 8, 16, 32, 64, 128 MB. Nejběžnější jsou 30- a 72-pinové SIMM.
DIMM ( anglicky dual in-line memory module ) - paměťové moduly, což jsou dlouhé obdélníkové desky s řadami kontaktních ploch po obou stranách desky. Instalují se svisle do připojovacího konektoru a na obou koncích jsou upevněny západkami. Paměťové čipy na ně mohou být umístěny buď na jedné nebo na obou stranách desky.
Použití návrhů DIMM| Typ paměti | Počet kontaktů |
|---|---|
| SDRAM | 168 |
| DDR SDRAM | 184 |
| DDR2, DDR3, FB-DIMM SDRAM | 240 |
| DDR4 SDRAM | 288 |
SO-DIMM ( angl. small outline DIMM ) - paměťové moduly, které jsou malé velikosti a jsou určeny pro použití v přenosných a kompaktních zařízeních (na základních deskách formátu Mini-ITX , v noteboocích , tabletech atd.), v tiskárnách, v síti a telekomunikační inženýrství atd. Široce se používají strukturálně redukované moduly DRAM (jak SDRAM, tak DDR SDRAM), což jsou analogy modulů DIMM v kompaktním provedení pro úsporu místa. K dispozici ve verzích 72-, 100-, 144-, 200-, 204- a 260-pin.
RIMM ( anglicky rambus in-line memory module ) - paměťové moduly používané v páru. Málo běžné. K dispozici s pamětí RDRAM , se 168 nebo 184 kolíky. Vzhledem ke konstrukčním vlastnostem by měly být instalovány na základní desky pouze v páru, jinak by měly být speciální pahýlové moduly instalovány do prázdných slotů. Existují také 242pinové moduly PC1066 RDRAM RIMM 4200, které nejsou kompatibilní [11] se 184pinovými konektory, a SO-RIMM jsou menší paměťové moduly podobné RIMM navrženým pro použití v přenosných zařízeních.
Prvních deset výrobců paměťových čipů DRAM v roce 2018 zahrnovalo 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 %) a Innodisk (0,67 %).
Lídrem ve výrobě hotových modulů DIMM DRAM je americká společnost Kingston Technology (45,8 % k 1. pololetí 2010) [12] .
| Typy dynamických pamětí s náhodným přístupem (DRAM) | |
|---|---|
| asynchronní | |
| Synchronní | |
| Grafický | |
| Rambus | |
| Paměťové moduly | |