Tecnologias de Memória e DRAM

As tecnologias de memória são os dispositivos físicos que armazenam dados no nível da memória principal — principalmente RAM dinâmica (DRAM) para capacidade e RAM estática (SRAM) para velocidade — cujo tempo, largura de banda e organização estabelecem o piso de desempenho da hierarquia de memória.

Definition

As tecnologias de memória são os semicondutores e dispositivos relacionados usados para implementar a memória do computador, mais importante a DRAM, que armazena cada bit como carga em um capacitor e deve ser periodicamente atualizada (refreshed), e a SRAM, que armazena bits em latches para um armazenamento mais rápido, mas menos denso.

Scope

Este tópico abrange as tecnologias de dispositivo por trás da memória: células SRAM usadas em caches, células DRAM e sua necessidade de atualização (refresh), organização da DRAM em bancos, linhas e colunas, os parâmetros de temporização e padrões (como as famílias DDR), largura de banda e canais de memória, e memórias não voláteis emergentes. Exclui o gerenciamento de memória em nível de cache e SO (organização e políticas de cache, memória virtual e paginação) e dispositivos de armazenamento secundário persistente (dispositivos de armazenamento secundário).

Core questions

• Como as células SRAM e DRAM diferem em velocidade, densidade, custo e energia?
• Por que a DRAM deve ser atualizada e como ela é organizada em bancos, linhas e colunas?
• Quais parâmetros de temporização e padrões governam o acesso e a largura de banda da DRAM?
• Como as memórias não voláteis emergentes se encaixam na hierarquia de memória?

Key concepts

• célula SRAM
• célula DRAM e atualização (refresh)
• bancos, linhas e colunas
• ativação e pré-carga de linha
• padrões de memória DDR
• largura de banda e canais de memória
• latência da memória
• memória não volátil

Mechanisms

Uma célula SRAM mantém um bit em um pequeno latch, proporcionando acesso rápido, mas baixa densidade. Uma célula DRAM armazena um bit como carga em um minúsculo capacitor, que vaza e deve ser atualizado periodicamente. Os chips DRAM são organizados em bancos de linhas e colunas; um acesso ativa uma linha em um buffer de amplificador de sentido (sense-amplifier), então lê ou escreve colunas a partir dele. Interfaces de dupla taxa de dados (DDR) e múltiplos canais aumentam a largura de banda, enquanto a latência é definida pelos tempos de ativação de linha e acesso a coluna.

Clinical relevance

Como os processadores superam em muito a memória, as características da DRAM — latência, largura de banda e o custo de ativação de linha — moldam diretamente o desempenho do sistema e motivam toda a hierarquia de cache. As propriedades da DRAM também criam preocupações de confiabilidade e segurança, como o efeito de perturbação Rowhammer, e as memórias não voláteis emergentes estão remodelando como os sistemas combinam memória e armazenamento.

History

Robert Dennard inventou a célula DRAM de um transistor na IBM em 1966–1968, e a DRAM tornou-se a tecnologia dominante de memória principal. Padrões síncronos sucessivos e de dupla taxa de dados (DDR) aumentaram a largura de banda ao longo das décadas, enquanto a SRAM permaneceu a tecnologia de caches on-chip. Memórias não voláteis e empilhadas surgiram mais tarde para abordar a capacidade e a fronteira da memória persistente.

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

Por que a DRAM precisa ser atualizada, mas a SRAM não?

A DRAM armazena cada bit como carga em um capacitor, que vaza lentamente, então o conteúdo deve ser periodicamente lido e reescrito (atualizado) para evitar perdas. A SRAM mantém cada bit em um latch que retém seu estado enquanto houver energia, então não precisa de atualização.

Por que a SRAM é usada para caches e a DRAM para a memória principal?

A SRAM é muito mais rápida, mas maior por bit e mais cara, tornando-a ideal para caches pequenos e críticos em velocidade. A DRAM é mais densa e mais barata por bit, mas mais lenta, tornando-a adequada para a grande memória principal onde a capacidade importa mais do que a latência bruta.