Технологии памяти и DRAM

Технологии памяти — это физические устройства, которые хранят данные на уровне основной памяти — главным образом динамическая оперативная память (DRAM) для емкости и статическая оперативная память (SRAM) для скорости — чьи временные характеристики, пропускная способность и организация определяют нижний предел производительности иерархии памяти.

Definition

Технологии памяти — это полупроводниковые и связанные с ними устройства, используемые для реализации компьютерной памяти, наиболее важными из которых являются DRAM, которая хранит каждый бит как заряд на конденсаторе и должна периодически обновляться, и SRAM, которая хранит биты в защелках для более быстрого, но менее плотного хранения.

Scope

Эта тема охватывает технологии устройств, лежащие в основе памяти: ячейки SRAM, используемые в кэшах, ячейки DRAM и их необходимость в обновлении, организация DRAM в банки, строки и столбцы, параметры синхронизации и стандарты (такие как семейства DDR), пропускная способность памяти и каналы, а также новые энергонезависимые виды памяти. Она исключает управление памятью на уровне кэша и ОС (организация и политики кэша, виртуальная память и подкачка) и постоянные устройства вторичного хранения (secondary storage devices).

Core questions

• Чем ячейки SRAM и DRAM отличаются по скорости, плотности, стоимости и энергопотреблению?
• Почему DRAM необходимо обновлять и как она организована в банки, строки и столбцы?
• Какие параметры синхронизации и стандарты регулируют доступ и пропускную способность DRAM?
• Как новые энергонезависимые виды памяти вписываются в иерархию памяти?

Key concepts

• Ячейка SRAM
• Ячейка DRAM и обновление
• Банки, строки и столбцы
• Активация и предварительная зарядка строки
• Стандарты памяти DDR
• Пропускная способность памяти и каналы
• Задержка памяти
• Энергонезависимая память

Mechanisms

Ячейка SRAM хранит бит в небольшой защелке, обеспечивая быстрый доступ, но низкую плотность. Ячейка DRAM хранит бит как заряд на крошечном конденсаторе, который разряжается и должен периодически обновляться. Чипы DRAM организованы в банки строк и столбцов; доступ активирует строку в буфер усилителя считывания, затем считывает или записывает столбцы из него. Интерфейсы с двойной скоростью передачи данных (DDR) и несколько каналов увеличивают пропускную способность, в то время как задержка определяется временем активации строки и доступа к столбцу.

Clinical relevance

Поскольку процессоры значительно опережают память, характеристики DRAM — задержка, пропускная способность и стоимость активации строки — напрямую формируют производительность системы и мотивируют всю иерархию кэша. Свойства DRAM также создают проблемы надежности и безопасности, такие как эффект возмущения Rowhammer, а новые энергонезависимые виды памяти меняют способы объединения памяти и хранения в системах.

History

Роберт Деннард изобрел однотранзисторную ячейку DRAM в IBM в 1966–1968 годах, и DRAM стала доминирующей технологией основной памяти. Последовательные синхронные стандарты и стандарты с двойной скоростью передачи данных (DDR) увеличивали пропускную способность на протяжении десятилетий, в то время как SRAM оставалась технологией внутричиповых кэшей. Энергонезависимые и многослойные виды памяти позже появились для решения проблем емкости и развития постоянной памяти.

Key figures

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

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

Почему DRAM нуждается в обновлении, а SRAM — нет?

DRAM хранит каждый бит как заряд на конденсаторе, который медленно утекает, поэтому содержимое должно периодически считываться и перезаписываться (обновляться), чтобы избежать потери. SRAM хранит каждый бит в защелке, которая сохраняет свое состояние до тех пор, пока подается питание, поэтому она не нуждается в обновлении.

Почему SRAM используется для кэшей, а DRAM — для основной памяти?

SRAM намного быстрее, но имеет больший размер на бит и дороже, что делает ее идеальной для небольших, критичных по скорости кэшей. DRAM плотнее и дешевле на бит, но медленнее, что делает ее подходящей для большой основной памяти, где емкость важнее, чем чистая задержка.