تقنيات الذاكرة وذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM)

تقنيات الذاكرة هي الأجهزة المادية التي تخزن البيانات على مستوى الذاكرة الرئيسية — وبشكل أساسي ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) للسعة وذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) للسرعة — والتي تحدد توقيتها وعرض نطاقها وتنظيمها الحد الأدنى لأداء التسلسل الهرمي للذاكرة.

Definition

تقنيات الذاكرة هي أجهزة أشباه الموصلات والأجهزة ذات الصلة المستخدمة لتنفيذ ذاكرة الكمبيوتر، وأهمها DRAM، التي تخزن كل بت كشحنة على مكثف ويجب تحديثها بشكل دوري، وSRAM، التي تخزن البتات في مزاليج لتخزين أسرع ولكن أقل كثافة.

Scope

يغطي هذا الموضوع تقنيات الأجهزة الكامنة وراء الذاكرة: خلايا SRAM المستخدمة في الذاكرات المخبئية (caches)، وخلايا DRAM وحاجتها للتحديث، وتنظيم DRAM في بنوك وصفوف وأعمدة، ومعلمات التوقيت والمعايير (مثل عائلات DDR)، وعرض نطاق الذاكرة والقنوات، والذواكر غير المتطايرة الناشئة. يستثني هذا الموضوع إدارة الذاكرة على مستوى الذاكرة المخبئية ونظام التشغيل (تنظيم وسياسات الذاكرة المخبئية، الذاكرة الافتراضية والترحيل) وأجهزة التخزين الثانوية الدائمة (أجهزة التخزين الثانوية).

Core questions

• كيف تختلف خلايا SRAM وDRAM في السرعة والكثافة والتكلفة والطاقة؟
• لماذا يجب تحديث DRAM، وكيف تُنظم في بنوك وصفوف وأعمدة؟
• ما هي معلمات التوقيت والمعايير التي تحكم الوصول إلى DRAM وعرض النطاق الترددي؟
• كيف تتناسب الذواكر غير المتطايرة الناشئة مع التسلسل الهرمي للذاكرة؟

Key concepts

• خلية SRAM
• خلية DRAM والتحديث
• بنوك وصفوف وأعمدة
• تنشيط الصف وإعادة الشحن
• معايير ذاكرة DDR
• عرض نطاق الذاكرة والقنوات
• زمن وصول الذاكرة
• الذاكرة غير المتطايرة

Mechanisms

تحتفظ خلية SRAM ببت في مزلاج صغير، مما يوفر وصولاً سريعًا ولكن بكثافة منخفضة. تخزن خلية DRAM بتًا كشحنة على مكثف صغير، والذي يتسرب ويجب تحديثه بشكل دوري. تُنظم رقائق DRAM في بنوك من الصفوف والأعمدة؛ يؤدي الوصول إلى تنشيط صف في مخزن مؤقت لمضخم الإحساس، ثم يقرأ أو يكتب الأعمدة منه. تزيد واجهات معدل البيانات المزدوج (DDR) والقنوات المتعددة من عرض النطاق الترددي، بينما يتم تحديد زمن الوصول بواسطة توقيتات تنشيط الصف والوصول إلى العمود.

Clinical relevance

نظرًا لأن المعالجات تتفوق بشكل كبير على الذاكرة، فإن خصائص DRAM — زمن الوصول، وعرض النطاق الترددي، وتكلفة تنشيط الصف — تشكل بشكل مباشر أداء النظام وتحفز التسلسل الهرمي للذاكرة بأكمله. تخلق خصائص DRAM أيضًا مخاوف تتعلق بالموثوقية والأمان، مثل تأثير اضطراب Rowhammer، وتعمل الذواكر غير المتطايرة الناشئة على إعادة تشكيل كيفية دمج الأنظمة للذاكرة والتخزين.

History

اخترع روبرت دينارد خلية DRAM ذات الترانزستور الواحد في IBM في الفترة 1966-1968، وأصبحت DRAM هي التقنية السائدة للذاكرة الرئيسية. أدت المعايير المتتالية المتزامنة ومعدل البيانات المزدوج (DDR) إلى زيادة عرض النطاق الترددي على مدى عقود، بينما ظلت SRAM هي تقنية الذاكرات المخبئية على الرقاقة. ظهرت الذواكر غير المتطايرة والمكدسة لاحقًا لمعالجة السعة وحدود الذاكرة الدائمة.

Key figures

• Robert Dennard
• John L. Hennessy
• David A. Patterson
• Bruce Jacob

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

لماذا تحتاج DRAM إلى التحديث بينما لا تحتاج SRAM؟

تخزن DRAM كل بت كشحنة على مكثف، والذي يتسرب ببطء، لذلك يجب قراءة المحتويات وإعادة كتابتها بشكل دوري (تحديثها) لتجنب الفقدان. تحتفظ SRAM بكل بت في مزلاج يحتفظ بحالته طالما يتم توفير الطاقة، لذلك لا تحتاج إلى تحديث.

لماذا تُستخدم SRAM للذاكرات المخبئية وDRAM للذاكرة الرئيسية؟

SRAM أسرع بكثير ولكنها أكبر لكل بت وأكثر تكلفة، مما يجعلها مثالية للذاكرات المخبئية الصغيرة والحاسمة للسرعة. DRAM أكثر كثافة وأرخص لكل بت ولكنها أبطأ، مما يجعلها مناسبة للذاكرة الرئيسية الكبيرة حيث تكون السعة أهم من زمن الوصول الخام.