Tecnologías de memoria y DRAM

Las tecnologías de memoria son los dispositivos físicos que almacenan datos a nivel de memoria principal —principalmente RAM dinámica (DRAM) para capacidad y RAM estática (SRAM) para velocidad—, cuyo tiempo, ancho de banda y organización establecen el rendimiento base de la jerarquía de memoria.

Definition

Las tecnologías de memoria son los dispositivos semiconductores y relacionados utilizados para implementar la memoria de la computadora, siendo los más importantes la DRAM, que almacena cada bit como carga en un condensador y debe ser refrescada periódicamente, y la SRAM, que almacena bits en biestables para un almacenamiento más rápido pero menos denso.

Scope

Este tema abarca las tecnologías de dispositivos detrás de la memoria: celdas SRAM utilizadas en cachés, celdas DRAM y su necesidad de actualización, la organización de la DRAM en bancos, filas y columnas, los parámetros de temporización y estándares (como las familias DDR), el ancho de banda y los canales de memoria, y las memorias no volátiles emergentes. Excluye la gestión de la memoria a nivel de caché y del sistema operativo (organización y políticas de caché, memoria virtual y paginación) y los dispositivos de almacenamiento secundario persistente.

Core questions

• ¿En qué se diferencian las celdas SRAM y DRAM en velocidad, densidad, costo y consumo de energía?
• ¿Por qué la DRAM debe ser refrescada y cómo se organiza en bancos, filas y columnas?
• ¿Qué parámetros de temporización y estándares rigen el acceso y el ancho de banda de la DRAM?
• ¿Cómo encajan las memorias no volátiles emergentes en la jerarquía de memoria?

Key concepts

• celda SRAM
• celda DRAM y refresco
• bancos, filas y columnas
• activación y precarga de fila
• estándares de memoria DDR
• ancho de banda y canales de memoria
• latencia de memoria
• memoria no volátil

Mechanisms

Una celda SRAM mantiene un bit en un pequeño biestable, lo que permite un acceso rápido pero una baja densidad. Una celda DRAM almacena un bit como carga en un diminuto condensador, que pierde carga y debe ser refrescado periódicamente. Los chips DRAM se organizan en bancos de filas y columnas; un acceso activa una fila en un búfer de amplificador de sentido, luego lee o escribe columnas desde él. Las interfaces de doble velocidad de datos (DDR) y los múltiples canales aumentan el ancho de banda, mientras que la latencia se establece por los tiempos de activación de fila y acceso a columna.

Clinical relevance

Debido a que los procesadores superan ampliamente a la memoria, las características de la DRAM —latencia, ancho de banda y el costo de activación de fila— moldean directamente el rendimiento del sistema y motivan toda la jerarquía de caché. Las propiedades de la DRAM también generan preocupaciones de fiabilidad y seguridad, como el efecto de perturbación Rowhammer, y las memorias no volátiles emergentes están redefiniendo cómo los sistemas combinan memoria y almacenamiento.

History

Robert Dennard inventó la celda DRAM de un transistor en IBM entre 1966 y 1968, y la DRAM se convirtió en la tecnología dominante de memoria principal. Los sucesivos estándares síncronos y de doble velocidad de datos (DDR) aumentaron el ancho de banda a lo largo de las décadas, mientras que la SRAM siguió siendo la tecnología de las cachés en chip. Las memorias no volátiles y apiladas surgieron más tarde para abordar la capacidad y la frontera de la memoria persistente.

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

¿Por qué la DRAM necesita ser refrescada y la SRAM no?

La DRAM almacena cada bit como carga en un condensador, que se descarga lentamente, por lo que el contenido debe leerse y reescribirse periódicamente (refrescarse) para evitar su pérdida. La SRAM mantiene cada bit en un biestable que retiene su estado mientras se le suministre energía, por lo que no necesita refresco.

¿Por qué se utiliza SRAM para las cachés y DRAM para la memoria principal?

La SRAM es mucho más rápida pero más grande por bit y más cara, lo que la hace ideal para cachés pequeñas y críticas en velocidad. La DRAM es más densa y barata por bit pero más lenta, lo que la hace adecuada para la memoria principal grande donde la capacidad importa más que la latencia bruta.