Виды компьютерной памяти

Компьютерная память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для приема, хранения и выдачи данных, используемых при вычислении в течение определенного времени.

Минимальной единицей информации является бит или кратные ему единицы: килобит (1 кб = 1024 бита), мегабит (1Мб = 1024кбит), гигабит (1Гб = 1024Мбит). Но чаще пользуются единицей байт (1 байт = 8 бит), или же кратными ему единицами: килобайт (1 КБ = 1024 байта), мегабайт (1МБ = 1024кБ), гигабайт (1ГБ = 1024МБ). Для измерения больших объемов памяти используются терабайты и петабайты.

Компьютерную память можно классифицировать по типу доступа:

последовательный доступ (магнитные ленты)
произвольный доступ (оперативная память)
прямой доступ (жесткие магнитные диски);
ассоциативный;

по типу электропитания:

энергонезависимая (оперативная и кэш-память)
статическая (SRAM — Static Random Access Memory)
динамическая (DRAM — Dynamic Random Access Memory)
энергонезависимая (жесткие диски, компакт-диски, флэш-память)

по назначению:

буферная;
временная;
кэш-память;
корректирующая;
управляющая;
коллективная.

по типу носителя и способу записи информации:

акустическая;
голографическая;
емкостная;
криогенная;
лазерная;
магнитная;
магнитооптическая;
молекулярная;
полупроводниковая;
ферритовая;
фазоинверсная;
электростатическая.

Оперативная память компьютера

Оперативная память (англ. RAM — Random Access Memory) — память с произвольным доступом — это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных.

Оперативная и кэш-память является энергозависимыми — данные хранятся в них временно — до выключения электропитания компьютера, причем для динамической памяти (в отличие от статической) требуется постоянное обновление (регенерация) данных.

Наиболее распространенным типом схем памяти являются DRAM (динамическая память). В этих воспоминаниях значение каждого бита хранится в крошечном конденсаторе. Эти конденсаторы разряжаются — и очень быстро, примерно через 1 мс — поэтому их содержимое может быть потеряно. Для предотвращения этого специальные цепи периодически перезаряжают конденсаторы. Название памяти, «динамическая», происходит от этого непрерывного процесса перезарядки.

Оперативная память современного компьютера разделена на несколько типов. Хотя в основе всех типов памяти лежит обычная ячейка памяти, представляющий собой комбинацию из транзистора и конденсатора, благодаря различным внешним интерфейсам и устройствам взаимодействия с компьютером модули памяти они все же отличаются друг от друга.

Это наиболее дешевый способ производства ячеек памяти. Состояние конденсатора определяет, содержит ячейка «0» или «1», но само наличие конденсатора является причиной некоторых ограничений динамической памяти.

Заряженный конденсатор эквивалентен логической «1», разряженный — логическому «0». Однако впоследствии конденсатор разряжается, и поэтому необходимо время от времени обновлять его заряд. Необходимый для этого ток очень мал, так что нужно немного времени, чтобы конденсатор небольшой емкости был заряжен снова. Но во время этого процесса к ячейке памяти обращаться нельзя. Производители динамической памяти говорят, что подобное восстановление должно проводиться каждые 64мс. Но самая большая проблема с оперативной памятью в том, что при операции считывания из ячейки конденсатор теряет свой заряд, то есть считывание деструктивное, и ячейка после считывания информации должна быть восстановлена.

Таким образом, каждый раз при считывании информации должна проводиться и его запись. В результате увеличивается время циклического доступа, и повышается латентность.

Латентность — это простой в работе или это время, затрачиваемое на считывание из памяти одного слова данных (восьми байт) (измеряется в циклах). Чем ниже латентность оперативной памяти, тем меньше центральный процессор будет находиться в состоянии простоя. Полная латентность состоит из программной и аппаратной составляющих.

В модулях статической памяти такая проблема отсутствует. Одна ячейка статической памяти состоит из 4 транзисторов и двух резисторов, и в ячейке SRAM сохраняют данные не путем емкостной зарядки (как в DRAM), а путем переключения транзисторов в нужное состояние, подобно транзисторам в CPU. В отличие от динамической памяти — статическая память не является деструктивной. Ячейка статической памяти (кэш памяти) состоит из 4-х транзисторов и 2-х резисторов.

Массовое распространение получили следующие виды оперативной памяти DDR (уже не пользуется большим спросом), DDR2, DDR3, DDR4.

Внешний вид модулей памяти DDR, DDR2, DDR3

В каждом модуле оперативной памяти содержится также специальная микросхема SPD. В этой микросхеме хранятся данные о модуле памяти: дата изготовления модуля, основные характеристики модуля и тому подобное.

Кэш память

Персональные компьютеры также имеют скрытую память. Фактически, из-за разницы в скорости процессоров и схем основной памяти, большинство персональных компьютеров имеют два разных типа кэша, известных как «Уровень 1» (уровень 1 или L1) и «Уровень 2». Уровень 2 или L2 кэш).

L1 кэш-память

Кэш-память уровня 1 — это не что иное, как память в самом процессоре. Первым процессором, который содержал кэш-память, был Intel 80486, 8 Кб. Тогда все процессоры персональных компьютеров содержали латентную память размером до 32 Кб. Внутри кэш L1 делится на 16 или 32 байта.

Кэш L1 содержит адреса памяти, которые соответствуют данным и машинным командам. Он часто делится на два раздела для этих двух типов адресов. Машинные команды, выполняемые внутри процессора, особенно полезно кэшировать, когда процессор имеет конвейерную архитектуру, которая обрабатывает несколько команд одновременно.

Кэш-память второго уровня

Кэш уровня 2 больше по размеру, чем L1, но не так быстр, и находится на материнской плате компьютера. Как мы уже говорили, его схемы в основном состоят из статической памяти. Кэш-память уровня 2 обычно имеет размер до 1 Мб, но его максимальный размер также зависит от материнской платы.

Память DDR

Память DDR отличается от предыдущих видов памяти одним важным нововведением: теперь данные (но не адреса) можно получать и передавать два раза за такт — по убыванию и нарастающем фронтах сигнала. Для памяти DDR общепринятыми являются несколько обозначений: например DDR-266 или РС-2100.

Обозначения имеют разные смыслы: первое указывает частоту, с которой передаются данные (в нашем случае 266 МГц, при этом модуль работает на частоте 133MГц), второе — теоретическую пропускную способность модуля памяти (2100MBps). Второе обозначение используется чаще из маркетинговых соображений.

Схема передачи данных в микросхеме памяти DDR-400 (а), DDR2-800 (б), DDR3-1600 (в): Memory Cell Array — массив ячеек памяти; I / OBuffers — буфер ввода вывода данных; Data Bus — шина данных

Память DDR2

Память этого стандарта использовалась в платформе Socket 775. По сути DDR2 память не имеет кардинальных отличий от DDR. Однако в то время как DDR осуществляет две передачи данных по шине за такт, DDR2 выполняет четыре таких передачи. При этом, построена DDR2 из таких же ячеек памяти, как и DDR, а для удвоения пропускной способности используется техника мультиплексирования.

Само по себе ядро чипов памяти продолжает работать на той же самой частоте, на которой оно работало в DDR. Увеличивается только частота работы буферов ввода-вывода данных, а также расширяется шина, связывающая ядро памяти с буферами ввода/вывода данных ( I/O Buffers). На буфера ввода / вывода возлагается задача мультиплексирования. Данные, поступающие из ячеек памяти по широкой шине, уходят из них по шине обычной ширины, но с частотой, вдвое превышает частоту шины DDR. Таким способом достигается возможность очередного увеличения пропускной способности памяти без увеличения частоты работы самих ячеек памяти. То есть, фактически, ячейки памяти DDR2-400 работают с той же частотой, что ячейки памяти DDR200 или PC100 SDRAM. Однако столь простой метод увеличения пропускной способности памяти имеет и свои отрицательные стороны. В первую очередь — это рост латентности. Очевидно, что латентность не определяется ни частотой работы буферов ввода / вывода, ни шириной шины, по которой данные поступают из ячеек памяти.

Память DDR3

Передача данных по-прежнему осуществляется по обоим полупериодах синхросигнала на удвоенной «эффективной» частоте относительно собственной частоты шины памяти. Только рейтинги производительности выросли в 2 раза, по сравнению с DDR2. Типичными скоростными категориями памяти нового стандарта DDR3 являются разновидности от DDR3-800 до DDR3-1600 и выше. Очередное увеличение теоретической пропускной способности компонентов памяти в 2 раза вновь связано со снижением их внутренней частоты функционирования во столько же раз. Поэтому отныне, для достижения темпа передачи данных со скоростью 1 бит / такт по каждой линии внешней шины данных с «эффективной» частотой в 1600 МГц используемые 200-МГц микросхемы должны передавать по 8 бит данных за каждый свой такт. То есть,

Однако у данного типа памяти есть свои недостатки:

наряду с ростом пропускной способности выросла также и латентность памяти;
высокая цена модулей памяти.

Память DDR 4

На сегодня это основной тип памяти, который приобрел массовое применение. Первые тестовые образцы DDR4 были представлены в середине 2012 года фирмами Hynix, Micron и Samsung.

Micron выпустила первые опытные модули памяти, работающие на частоте 2400 МГц. Микросхемы от Hynix были созданы с использованием 38-нм техпроцесса. Модели работают на тактовой частоте 2400 МГц при напряжении питания 1,2 В. Подобная память может обрабатывать до 19,5 Гб данных в секунду.

Благодаря 30 нм техпроцессу память DDR4 от Samsung имела объем 8 и 16ГБ и тактовую частоту 2133 МГц. 16 ГБ планки имеют два ряда чипов памяти, в отличие от привычного одного ряда. К тому же, они располагаются на печатной плате ближе друг к другу, что позволяет вместить ее два дополнительных чипа памяти с каждой стороны. Samsung обещает, что с переходом на передовой 20 нм техпроцесс, появится возможность создания модулей памяти объемом 32 ГБ. Модули памяти DDR4 от Samsung, работают с напряжением 1,2 В, в отличие от DDR3 планок, которые работают на 1,35 В. Это небольшая разница, позволяет экономить энергию на 40%.

Память для хранения информации: жесткий диск, твердотельные накопители

Жесткий диск (накопитель на жестких магнитных дисках (HDD), «винчестер») — устройство для хранения информации, в котором используется принцип магнитной записи. Внутри этого носителя запись данных осуществляется на жесткие пластины, изготовленные из легкого металлического сплава или стекла и покрытые слоем специального магнитного материала (чаще всего — двуокисью хрома). В зависимости от конструкции, в устройстве могут использоваться одна или несколько таких пластин, которые быстро вращаются на одной оси.

Строение жесткого диска — Устройство жесткого диска: 1 — постоянный магнит; 2 — соленоидный привод головок; 3 — головка чтения / записи информации; 4 — шпиндель двигателя, вращающего дисковые пластины; 5 — корпус, обеспечивающий герметизацию; 6 — пакет магнитных дисковых пластин 7 — кабель подключения головок к управляющей плате

За счет вращения создается своеобразный подпор воздуха, благодаря которому считывающие головки не касаются поверхности пластин, хотя и находятся очень близко к ним (всего несколько микрометров). Это гарантирует надежность записи / считывания данных. При остановке пластин, головки перемещаются за пределы их поверхности, поэтому механический контакт между головками и пластинами практически исключен. Такая конструкция обеспечивает долговечность запоминающих устройств этого типа.

Основные характеристики жестких дисков:

Емкость — показатель, определяющий количество данных, которые в нем можно хранить. Сегодня существуют жесткие диски емкостью более 4000 ГБ. Нужно учитывать, что при маркировке емкости запоминающих устройств, производители используют величины, кратные не 1024 (как обычно принято), а 1000 есть винчестер, емкость которого согласно маркировки равна 500 ГБ, на самом деле сможет хранить не более 465 ГБ информации.

Интерфейс — совокупность линий связи, которыми запоминающее устройство подключается к материнской плате компьютера. Каждый тип интерфейса имеет свои особенности и скорость передачи данных. Наиболее распространенным на данный момент является интерфейс SATA. Более старый PATA также встречается, но редко.

Параметры жестких дисков

Классический жесткий диск имеет форм-фактор 3,5 дюйма. В ноутбуках, нетбуках и других портативных устройствах чаще всего используются устройства 2,5 или 1,8 дюйма, хотя встречаются и другие варианты.

Время произвольного доступа — это средний промежуток времени, за который устройство осуществляет позиционирования головки на нужный участок магнитной пластины. Этот параметр в современных устройств варьирует в пределах 2,5 — 16 мс (чем меньше, тем лучше).

Скорость вращения шпинделя — количество оборотов магнитных пластин жесткого диска за 1 минуту. От этого показателя напрямую зависит производительность устройства (чем выше, тем лучше), а также его энергопотребление, степень вибрации и шума (чем меньше, тем лучше). Здесь важен баланс: для стационарных компьютеров лучше выбрать более быстрый носитель, для портативного — более экономичный и тихий. Скорость вращения шпинделя современных жестких дисков может варьировать от 4200 до 15000 оборотов в минуту.

Объем буфера специальной внутренней быстрой памяти диска, предназначенная для временного хранения данных с целью сглаживания перебоев при считывании и записи информации на носитель и ее передачи по интерфейсу. В современных запоминающих устройствах буфер может достигать размеров до 64 МБ. Чем этот показатель больше, тем лучше.

В последнее время начался выпуск жестких дисков со встроенной флэш-памятью в качестве кэша, что значительно улучшает скоростные показатели дисков.

Фирмы производители: IBM , Hitachi , Seagate , Samsung , Western Digital .

Для увеличения общего объема информации, записывается на магнитный носитель, был разработан новый тип записи — перпендикулярен — когда магнитные моменты ориентируются перпендикулярно подложке, за счет чего их плотность увеличивается, вместо продольного.

Запись магнитной информации продольного (а) и перпендикулярного (б) типа

Накопители SSD

Твердотельный накопитель (SSD — Solid State Drive) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство без движущихся механических частей на основе микросхем памяти разработанных на базе полупроводниковой технологии.

Существует всего 2 типа SSD накопителей: SSD диски на основе флэш-памяти (самые популярные и распространенные), и SSD на основе оперативной памяти.

Основополагающим принципом организации работы флеш-памяти является хранение ею 1 бита данных в массиве транзисторов с плавающим затвором (элементарными ячейками), путем изменения и регистрации электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Главной особенностью полевого транзистора, которая позволила ему получить всеобщее признание, как носителя информации, стала способность удерживать электрический разряд на плавающем затворе до 120 месяцев. Сам плавающий затвор изготовлен из поликристаллического кремния и со всех сторон окружен слоем диэлектрика, что исключает возможность контакта его с элементами транзистора. Располагается он между диэлектрической подкладкой и управляющим затвором. Управляющий электрод полевого транзистора и называется затвором.

Запись и стирание информации происходит за счет изменения приложенного заряда между затвором и истоком большим потенциалом, пока напряженность электрического поля в диэлектрике между каналом транзистора и изолированной областью не станет достаточной для возникновения туннельного эффекта. Таким образом электроны переходят через слой диэлектрика на плавающий затвор, обеспечивая его зарядом, а, значит, и наполнение элементарной ячейки битом информации. Также, для усиления эффекта туннелирования электронов при записи, применяется слабое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.

Для удаления информации управляющий затвор обеспечивается отрицательным напряжением высокой мощности с тем, чтобы позволить электронам переходить с плавающего затвора на исток. Подобная организация элементарных ячеек, объединенных в страницы, блоки и массивы и составляет твердотельный накопитель.

Преимущества SSD накопителей:

отсутствие механических составляющих;
скорость считывания и записи намного выше скорости работы жестких дисков с интерфейсом (SATA2 — 3 ГБ/с, SATA3 — 6 ГБ/с) и ограничивается лишь возможностями применяемых контроллеров;
низкое потребление энергии;
низкий уровень шума (из-за отсутствия подвижных частей);
высокая устойчивость к механическим воздействиям (падение, удары)
стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
малые габариты и вес;
широкий потенциал для улучшения характеристик и технологий производства.

Недостатки SSD накопителей:

ограничения на количество циклов перезаписи: (MLC, Multi-Level Cell, многоуровневые ячейки памяти) флэш-памяти — около 10 000 раз, более дорогие типы памяти (SLC, Single-Level Cell, одноуровневые ячейки памяти) — около 100 000 раз;
высокая цена SSD накопителя. Стоимость SSD дисков прямо пропорциональна их объему, тогда как стоимость жестких дисков зависит от количества пластин и менее зависит от объема накопителя.

RAID массивы

RAID массив (Redundant Array of Inexpensive / Independent Disks — избыточный массив независимых жёстких дисков) — это матрица недорогих независимых устройств (жестких дисков с интерфейсом АТА или SATA) с избыточностью информации, на которую возлагается задача обеспечения отказоустойчивости и повышения производительности обработки данных, управляется контроллером и связана скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое.

Организация RAID — массивов. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени безотказности (надежности) и быстродействия.

RAID имеет две цели:

увеличение надежности хранения информации;
увеличение скорости записи / считывания.

Наиболее популярными видами RAID является RAID 0, 1 и 0 + 1.

Отказоустойчивость массива достигается за счет избыточности информации, хранящейся на жестких дисках, то есть часть емкости дискового пространства (памяти) отводится для служебных целей, становясь недоступной для пользователя. Избыточная информация может либо размещаться на специально выделенном диске, или распределяться между всеми дисками массива. Способов формирования избыточной информации достаточно много. Самый простой из них — полное дублирование (или отражение) — имеет 100-процентную избыточность. Для снижения избыточности (увеличение объема полезного дискового пространства) используются различные математические методы типа вычисления четности или применения кодов с коррекцией ошибок.

RAID 0 — представляет собой дисковый массив с 2 или более дисков, в котором информация разбита на блоки А n и последовательно записана на жесткие диски без защиты от отказов. В этом случае данные разбиваются на блоки (stripe), параллельно записываются на разные диски (например, при использовании двух винчестеров одновременно), совместно участвуют в каждой операции ввода / вывода информации.

Преимущества такого подхода — обеспечение высокой производительности для приложений, требующих большого объема ввода / вывода данных, простота реализации и низкая стоимость единицы объема. Основной недостаток — выход из строя одного любого диска влечет за собой потерю всех данных массива.

RAID 1 — это массив дисков с 100-процентной избыточностью, обладает очень высоким уровнем надежности хранения данных за счет их дублирования ( «отражение»). «Отражение» (Mirror) — традиционный способ повышения надежности дискового массива небольшого объема. В простейшем варианте используется два диска, на которые записывается одна и та же информация. В случае отказа одного из дисков остается дубликат, который продолжает работать в прежнем режиме.

Схема записи информации в массиве RAID 1 (отражение)

Преимущества — простота реализации и восстановления массива данных, а также достаточно высокое быстродействие для приложений с большой интенсивностью запросов. Недостатки — невысокая скорость передачи данных при двойной стоимости единицы объема, поскольку имеет место 100% -ная избыточность.

RAID 2 — массив с использованием помехоустойчивого кода Хемминга.

RAID 3 и 4 используют массив дисков с чередованием и выделенным диском четности.

RAID 5. В данном случае все данные разбиваются на блоки и для каждого набора рассчитывается контрольная сумма, которая хранится на одном из дисков — циклически записывается на все диски массива (попеременно на каждый), и используется для восстановления данных. Устойчивый к потере не более чем одного диска.

RAID 6. Все различия сводятся к тому, что используются две схемы четности. Система устойчива к отказам двух дисков. Основной сложностью является то, что для реализации этого приходится делать больше операций при выполнении записи. Из-за этого скорость записи чрезвычайно низкой.

RAID 10 — RAID 0, построенный из RAID 1 массивов.

RAID 50 — RAID 0, построенный из RAID 5.

RAID 60 — RAID 0, построенный из RAID 6.

Комбинированные массивы. При большем количестве дисков вместо RAID 1 можно использовать массивы RAID 0 + 1, RAID 1 + 0 или RAID 10, это комбинации RAID 0 и RAID 1, которые позволяют достичь лучших показателей быстродействия и надежности системы. Первая цифра означает уровень составляющих массивов, а вторая цифра — какую организацию имеет верхний уровень, объединяющий элементы (массивы).

Комбинация RAID 0 + 1, которая является массивом RAID 1, собранным на базе массивов RAID 0. Как и в массиве RAID 1, доступным будет только половина объема дисков. Но, как и в RAID 0, скорость будет выше, чем с одним диском. Для реализации такого решения необходимо минимум 4 диска.

Схематическое изображение массива RAID 0 + 1 (а) и RAID1 + 0 (б)

RAID 0 + 1 имеет высокую скорость работы и повышенную надежность, поддерживается даже дешевыми RAID контроллерами и является недорогим решением.

RAID 1 + 0 (RAID10). Этот уровень не требует каких-либо математических вычислений контрольных сумм на любой стадии его построения или работы. По этой причине не обладает существенная деградация производительности, оказывается в RAID 5 при отказе одного из дисков. В RAID10 можно объединить только четное количество дисков N = 2 ∙ M (минимум — 4, максимум — 16). Массив из 10 дисков (5 по 2) может остаться работоспособным при отказе до 5 жестких дисков.

Выводы

Компьютерная память — это сложная система аппаратного обеспечения, которая в зависимости от своих функций позволяет получать, хранить, манипулировать и выводить данные. Объем оперативной памяти и ее частотность отвечает за производительность, быстродействие и количество запущенных программ, а соответственно и комфортную работу пользователя. В случае интегрированного графического адаптера часть оперативной памяти может выделяться для графических нужд. При включенном ПК оперативная память играет функцию временного хранения данных, используемых процессором, поскольку после отключения электропитания вся информация теряется. Производительность ПК зависит от слаженной работы между оперативной памятью материнской платой и процессором.

Для сохранения информации на длительный срок используются жесткие диски (внутренние, внешние) или относительно новый тип памяти — твердотельные накопители. У каждого типа носителей есть свои преимущества и недостатки: важным критерием остается стоимость, надежность хранения информации и объем.

Для обеспечения потребностей пользователя в скорости записи / считывания и сохранении информации используются RAID массивы — объединение нескольких жестких дисков, контролируется специальным RAID-контроллером. В зависимости от типа подключения на одни — будет записываться новая информация, а остальные будут их копиями (за счет чего создается избыточность).

У любого массива RAID, который остается работоспособным при сбое одного диска, существует такое понятие, как время восстановления (rebuild time) — это время, за которое контроллер должен организовать функционирование нового диска в массиве.

Виды компьютерной памяти