DRAM ( — динамическая память с произвольным доступом) — тип компьютерной памяти, отличающийся использованием полупроводниковых материалов, энергозависимостью и возможностью доступа к данным, хранящимся в произвольных ячейках памяти (см. запоминающее устройство с произвольным доступом). Модули памяти с памятью такого типа широко используются в компьютерах в качестве оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), также используются в качестве устройств постоянного хранения информации в системах, требовательных к задержкам.
Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале в виде ёмкости. Заряженная или разряженная ячейка хранит бит данных. Каждая ячейка такой памяти имеет свойство разряжаться (из-за токов утечки и пр.), поэтому их постоянно надо подзаряжать — отсюда название «динамическая» (то есть в ней постоянно протекают процессы, изменяющие её состояние, даже если к ней нет обращения). Совокупность ячеек образует условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.
Как запоминающее устройство (ЗУ), так и DRAM представляет собой модуль памяти какого-либо конструктивного исполнения, состоящий из печатной платы, на которой расположены микросхемы памяти, и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.
История
Впервые динамическая память была применена в дешифровальной машине «Aquarius», использовавшейся во время Второй мировой войны в правительственной школе кодов и шифров в Блетчли-парк. Считывавшиеся с бумажной ленты символы «запоминались в динамическом хранилище. Хранилище представляло собой блок конденсаторов, которые были либо заряжены, либо разряжены. Заряженный конденсатор соответствовал символу „X“ (логической единице), разряженный — символу „.“ (логическому нулю). Поскольку конденсаторы хранящие логические единицы теряли заряд из-за утечки через диэлектрик, на них периодически подавался импульс для подзарядки (отсюда произошёл термин динамическая)».
В электронном калькуляторе фирмы Toshiba «Toscal BC-1411», поступившем в продажу в ноябре 1965 годаToscal BC-1411 calculator , Science Museum, London, использовалась своеобразная память на конденсаторах общей ёмкостью 180 бит, выполненная на дискретных биполярных транзисторах и конденсаторахToshiba «Toscal» BC-1411 Desktop Calculator .
В 1965 году исследователи из IBM Арнольд Фарбер и Юджин Шлиг создали ячейку памяти, где конденсатором служила затворная ёмкость полевого транзистора, и триггера выполненного на Туннельный диод туннельном диоде в качестве усилителя чтения-регенерации. Позже разработчики заменили триггер на туннельном диоде двухтранзисторным триггером, кроме транзисторов, содержащим ещё два резистора. Эта структура усилителя чтения-регенерации стала называться ячейкой Фарбера — Шлига. В 1965 году Бенджамин Агуста с сотрудниками в IBM создали 16-разрядную кремниевую микросхему памяти на основе ячейки Фарбера — Шлига, содержащую 80 транзисторов, 64 резистора и 4 диода.
Первоначально в DRAM использовались биполярные транзисторы. Несмотря на то, что такая память имела большее быстродействие по сравнению с памятью на магнитных сердечниках, DRAM на биполярных транзисторах не мог конкурировать по цене с господствовавшей в то время памятью на магнитных сердечниках.
Конденсаторы для хранения информации также использовались в более ранних запоминающих устройствах, например, в барабане компьютера Атанасова — Берри, трубках Уильямса и селектронах.
В 1966 году Роберт Деннард из исследовательского центра имени Томаса Уотсона компании IBM изобрёл современную память и применяемую до сих пор DRAM с одним конденсатором и одним транзистором на бит. В 1968 году Деннарду был выдан Патент США № 3 387 286.
Первой коммерческой микросхемой динамической памяти стала объёмом 1 кБит, выпущенная в продажу в октябре 1970 года.
Принцип действия
На физическом уровне память DRAM представляет собой набор ячеек, способных хранить информацию. Ячейки состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти. Конденсаторы заряжают при записи в ячейку единичного бита и разряжают при записи в ячейку нулевого бита.
При прекращении подачи электроэнергии конденсаторы разряжаются, и память обнуляется (опустошается). Для поддержания необходимого напряжения на конденсаторах (для сохранения данных) конденсаторы, хранящие логические единицы необходимо периодически подзаряжать. Подзарядку выполняют путём подачи на конденсаторы напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Необходимость постоянной зарядки конденсаторов (динамическое поддержание заряда конденсаторов) является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM.
Важным элементом памяти типа DRAM является чувствительный усилитель-компаратор (), подключённый к каждому из столбцов «прямоугольника». При чтении данных из памяти усилитель-компаратор реагирует на слабый ток от конденсаторов через открытые транзисторы и считывает и регенерирует одну строку целиком. Чтение и запись выполняются построчно; обмен данными с отдельно взятой ячейкой невозможен.
Регенерация В отличие от статической памяти (памяти типа SRAM (), конструктивно более сложной, более дорогой, более быстрой и применяемой в основном в кэш-памяти), медленная, но дешёвая динамическая память (DRAM) изготавливается на основе конденсаторов небольшой ёмкости. Такие конденсаторы быстро теряют заряд, поэтому во избежание потерь хранимых данных конденсаторы приходится подзаряжать через определённые промежутки времени. Этот процесс называется регенерацией памяти, которая осуществляется специальным контроллером, установленным либо на материнской плате, либо на кристалле центрального процессора. На протяжении времени, называемого шагом регенерации, в DRAM перезаписывается целая строка ячеек, и через обновляются все строки матрицы памяти.
Процесс регенерации памяти в классическом варианте существенно тормозит работу системы, поскольку во время его осуществления обмен данными с памятью невозможен. Регенерация, основанная на обычном переборе строк, в современных типах DRAM не применяется. Существует несколько более экономичных вариантов этого процесса: расширенный, пакетный, распределённый. Наиболее экономичной является скрытая (теневая) регенерация.
Среди новых технологий регенерации — PASR (), применяемая некоторыми компаниями в чипах памяти SDRAM, отличающихся низким уровнем энергопотребления. Регенерация ячеек выполняется только в период ожидания в тех банках памяти, в которых имеются данные. Одновременно с этой технологией применяется технология TCSR (), предназначенная для регулирования периода регенерации в зависимости от рабочей температуры.
Характеристики DRAM Основными характеристиками DRAM являются рабочая частота и тайминги.
Перед обращением к памяти контроллер памяти передаёт модулю памяти номер банка, номер страницы банка, номер строки страницы и номер столбца страницы; на эти передачи тратится время. До и после выполнения чтения или записи довольно большой промежуток времени уходит на «открытие» и «закрытие» банка. На каждое действие требуется время, называемое таймингом.
Основными таймингами DRAM являются: задержка между подачей номера строки и номера столбца, называемая временем полного доступа (); задержка между подачей номера столбца и получением содержимого ячейки, называемая временем рабочего цикла (); задержка между чтением последней ячейки и подачей номера новой строки ().
Длительность таймингов измеряются в наносекундах или тактах. Чем меньше величина тайминга, тем быстрее будет работать оперативная память.
Типы DRAM На протяжении долгого времени разработчики создавали различные типы DRAM с использованием различных технических решений. Основной движущей силой такого развития были стремление увеличить быстродействие и объём оперативной памяти.
PM DRAM PM DRAM ( — страничная DRAM) — один из первых типов DRAM. Память такого типа выпускалась в начале 1990-х годов. С ростом производительности процессоров и ресурсоёмкости приложений требовалось увеличивать не только объём памяти, но и скорость её работы.
FPM DRAM FPM DRAM ( — быстрая страничная DRAM) — тип DRAM, основанный на PM DRAM и отличающийся повышенным быстродействием. Память такого типа работала так же, как память типа PM DRAM, а увеличение скорости работы достигалось путём повышения нагрузки на аппаратную часть памяти (доступ к данным на той же странице осуществлялся с меньшей задержкойUpgrading and Repairing PCs page 432, «Fast Page Mode DRAM»). Память такого типа была популярна в первой половине а в 1995 годуMemory 1996. Complete Coverage of DRAM, SRAM, EPROM and Flash Memory ICs // ICE, ISBN 1-877750-49-2: 2. THE DRAM MARKET DRAM Unit Shipments by Architecture, figure 2-10. занимала рынка компьютерной памяти. Применялась в основном для компьютеров с процессорами Intel 80486 или аналогичных процессоров других фирм. Могла работать на частотах с временем полного доступа и с временем рабочего цикла соответственно. В 1996—1997 годах была вытеснена памятью EDO DRAM и SDR SDRAM. В 1997 году доля FPM DRAM на рынке упала до 2 The DRAM market . 1997 год. Figure 2-10. DRAM Shipments by Architecture (Percent)..
EDO DRAM EDO DRAM ( — DRAM с расширенным выходом данных) — тип DRAM, созданный для замены FPM DRAM ввиду неэффективности FPM DRAM при работе с процессорами Intel Pentium. Память такого типа появилась на рынке в 1996 году. Использовалась на компьютерах с процессорами Intel Pentium и выше. По производительности на обгоняла FPM DRAM. Работала на частотах с временем полного доступа — и с временем рабочего цикла — соответственно. Содержала регистр-защёлку () выходных данных, что обеспечивало некоторую конвейеризацию работы для повышения производительности при чтении.
SDR SDRAM SDR SDRAM ( — синхронная DRAM одиночной частоты) — тип DRAM, созданный для замены EDO DRAM в связи с понижением стабильности работы EDO DRAM с новыми процессорами и повышением рабочих частот системных шин. Новыми особенностями памяти этого типа стали использование тактового генератора для синхронизации всех сигналов и использование конвейерной обработки информации. Память такого типа надёжно работала на частотах системной шины и выше.
Если для памяти FPM DRAM и EDO DRAM указывалось время чтения данных из первой ячейки в цепочке (время доступа), то для SDRAM указывалось время чтения данных из последующих ячеек. Цепочка — несколько ячеек, расположенных последовательно. На чтение данных из первой ячейки уходило независимо от типа памяти, а время чтения последующих ячеек зависело от типа памяти. Рабочие частоты SDRAM могли быть равны время полного доступа — а время рабочего цикла —
Совместно с памятью SDRAM применялась технология VCM (). VCM использует архитектуру виртуального канала, позволяющую более гибко и эффективно передавать данные с использованием каналов регистра на чипе. Данная архитектура интегрирована в SDRAM. Применение VCM повышало скорость передачи данных. Модули памяти SDRAM, поддерживающие и не поддерживающие VCM, были совместимы, что позволяло обновлять системы без значительных затрат и модификаций. Это решение нашло поддержку у некоторых производителей чипсетов.
ESDRAM ESDRAM () — тип DRAM, созданный для решения некоторых проблем с задержкой сигнала, присущих стандартной DRAM. Память такого типа отличалась наличием в чипе небольшого количества SRAM, то есть наличием кэша. По существу, представляла собой SDRAM с небольшим количеством SRAM. Кэш использовался для хранения и выборки наиболее часто используемых данных, за счёт чего достигалось уменьшение времени доступа к данным медленной DRAM. Память такого типа выпускалась, например, фирмой «Ramtron International Corporation». При малых задержках и пакетной работе могла работать на частотах до
BEDO DRAM