آناتومی ساختار و کارکرد چیپ حافظه فرار: هر کامپیوتری دارای چیپ ram است. خواه در یک پردازنده تعبیه شده باشد یا بر روی یک مدار اختصاصی که به یک سیستم متصل شود چون کامپیوترها نمی توانند بدون آن کار کنند. RAM یک شاهکار شگفت آور از مهندسی دقیق است، و در عین حال هر سال در مقادیر قابل توجهی تولید می شود. میلیاردها ترانزیستور را می توانید در آن بشمارید. با توجه به اهمیت فوق العاده حافظه رم ، این کالبدشکافی را اینجا انجام می دهیم.
علت وجود رم RAM
پردازنده ها باید خیلی سریع به داده ها و دستورالعمل ها دسترسی پیدا کنند. بنابراین آنها می توانند نرم افزارها را در کنار هم نگه دارند. آنها باید این کار را به گونه‌ای انجام دهند که در صورت درخواست های تصادفی یا غیر منتظره، همیشه اماده باشند، با اینکه این عملکرد چندان ماندگار نیست. به همین دلیل به آنها می گویند حافظه های کوتاه مدت که برای هر کامپیوتری ضروری است.
دو نوع اصلی RAM وجود دارد: استاتیک و پویا؛ و یا SRAM و DRAM
ما روی DRAM تمرکز خواهیم کرد، زیرا SRAM فقط در درون پردازنده ها مثل cpu , gpu استفاده می شود. بنابراین از کجا می توانیم DRAM را در رایانه های شخصی خود پیدا کنیم، و یا بفهمیم چطور کار می کنند. بیشتر مردم از RAM اطلاع دارند زیرا تعداد زیادی از آن درست در کنار CPU جاسازی شده اند. این گروه از DRAM اغلب به نام حافظه سیستم یاد می شوند اما یک اسم بهتر برای آن حافظه CPU است. زیرا این حافظه اصلی برای کار داده ها و دستورالعمل های پردازنده است.
همه دستگاه های رایانه ای این میزان ظرفیت را نیاز ندارند. هارد دیسک ها مقدار کمی رم، به طور متوسط 256 مگابایت نیاز دارند تا قبل از نوشتن آن روی درایو، داده ها و آدرس ها را دسته بندی و منظم کنند. در تصویر زیر می توان برد مدار را از یک HDD (سمت چپ) و یک SSD (سمت راست) مشاهده کرد.
وقتی متوجه شدید که هر مؤلفه یا محیطی که پردازش را انجام می دهد، به رم نیاز دارد و این شما را کنجکاو می کند که درون هر سیستمی چه ویژگی نهفته است. کنترل کننده های SATA و PCI Express تراشه های DRAM کمی کار می کنند. رابط شبکه و کارت های صدا نیز مانند چاپگرها و اسکنرها آن را دارند.
چاقوی جراحی، گرد و خاک گیری، میکروسکوپ الکترونی
ما به نوع ابزاری که مهندسین الکترونیک برای حفر تولیدات نیمه هادی خود استفاده می کنند، دسترسی نداریم. بنابراین ما نمی توانیم یک تراشه DRAM واقعی را از هم جدا کنیم و آن را به شما نشان دهیم. با این حال تصویر زیر را از متخصصین techinsights در دست داریم.
اگر تصور می کنید که این دقیقاً شبیه مزارع با جاده های پراکنده است، شما خیلی دور از آنچه در واقع هست، نیستید! به جای ذرت یا گندم در این مزارع از دو مؤلفه الکترونیکی بیشتر استفاده نشده:
- سوئیچ ، به شکل MOSFET
- مقداری از انبار ، توسط خازن سنگر استفاده می شود
با هم، آنها چیزی را که سلول حافظه نامیده می شود تشکیل می دهند و هرکدام 1 بیت داده را ذخیره می کنند.
خطوط آبی و سبز نشان دهنده اتصالی است که یک ولتاژ را به MOSFET و خازن اعمال می کند. اینها برای خواندن و نوشتن داده ها به سلول استفاده می شوند و خط عمودی (خط بیت) همیشه اول آتش می شود.
خازن سنگر
خازن سنگر در اصل به عنوان سطل عمل می کند پر کردن با بار الکتریکی – حالت خالی / کامل آن 1 بیت داده را در اختیار شما قرار می دهد. 0 برای خالی، 1 برای کامل. با وجود بهترین تلاش مهندسین خازن ها نمی توانند این شارژ را برای همیشه نگه دارند و با گذشت زمان نشت می کنند. این بدان معنی است که هر سلول حافظه تنها باید به طور مرتب تجدید شود بین 15 تا 30 بار در ثانیه، اگرچه این روند بسیار سریع انجام می شود برای مجموعه ای از سلول ها فقط به چند نانو ثانیه نیاز است. متأسفانه، تعداد زیادی سلول در یک تراشه DRAM وجود دارد و در حالی که نمی توان آن را خواند یا نوشت وقتی که از آن نسخه پشتیبان تهیه می شود.
فاکتور مهم دیگری هست:
هنگام خواندن یا نوشتن از تراشه DRAM، اولین قدم در این مرحله فعال کردن یک صفحه کامل است. ردیف بیت (یک رشته 0 و 1ها) در یک بافر ردیف ذخیره می شود، که در واقع مجموعه ای از تقویت کننده ها و ضامن ها است تا حافظه بیشتر. سپس ستون مورد نیاز فعال می شود تا داده های مربوطه از این بافر خارج شود. اگر صفحه خیلی کوچک است، برای رعایت درخواست های داده، ردیف ها باید بیشتر فعال شوند. از طرف دیگر، یک صفحه بزرگ اساساً پایگاه های بیشتری را پوشش می دهد بنابراین آنها دیگر نیازی به فعال شدن ندارند. حتی اگر یک ردیف طولانی به قدرت بیشتری احتیاج دارد و از نظر پتانسیل پایداری کمتری، بهتر است بزرگترین صفحاتی را که می توانید داشته باشید.
قرار دادن مجموعه ای از صفحات در کنار هم، یک بانک DRAM را به ما ارائه می دهد. مانند صفحات، اندازه و ترتیب ردیف ها و ستون های سلول نقش بزرگی در میزان ذخیره داده ها دارد و چقدر سریع می تواند کار کند، مصرف برق و غیره. چنین ترتیبی ممکن است شامل 4،096 ردیف و 4960 ستون باشد که یک بانک در کل ظرفیت ذخیره سازی 16،777216 بیت یا 2 مگابایت تحویل می دهد. اما همه تراشه های DRAM بانک های خود را در ساختار “مربع” ندارند زیرا بهتر است صفحات طولانی تری داشته باشید تا نسخه های کوتاه تر. به عنوان مثال ، سازمانی با 16384 ردیف و 1024 ستون هنوز به 2 مگابایت فضای ذخیره منتهی می شود. اما هر صفحه دارای 4 برابر داده بیشتر از نمونه مربع است.
توجه داسته باشید
تمام صفحات در یک بانک به یک سیستم آدرس ردیف وصل شده اند (به همین ترتیب برای ستون ها) و این ها توسط سیگنال های فرمان و آدرس برای هر سطر / ستون کنترل می شوند. هرچه ردیف ها و ستون های بیشتری در یک بانک وجود داشته باشد، بیت های بیشتری برای استفاده در آدرس مورد نیاز است. برای یک بانک 4096 در 4096، هر سیستم آدرس دهی به 12 بیت نیاز دارد در حالی که یک بانک 16384 در 1024 برای آدرس ردیف به 14 بیت و 10 بیت برای ستون ها احتیاج دارد. توجه داشته باشید که هر دو سیستم از نظر اندازه 24 بیت هستند.
اگر یک تراشه DRAM فقط یک صفحه را در هر زمان ارائه می دهد، استفاده چندانی نخواهد داشت، بنابراین آنها چندین بانک از سلول های حافظه را درون آنها بسته اند. بسته به اندازه کلی، تراشه ممکن است 4، 8 و یا حتی 16 بانک داشته باشد – متداول ترین قالب داشتن 8 است. همه بانک ها با همان فرمان، آدرس و باس های داده مشترک، که ساختار کلی سیستم حافظه را ساده می کند. در حالی که یک بانک مشغول مرتب کردن یک دستورالعمل است، بانک های مختلف هنوز هم می توانند سایر عملیات را انجام دهند. کل تراشه، حاوی بانک ها و اتوبوس ها، درون یک پوسته محافظ بسته بندی شده و سپس بر روی صفحه مدار لحیم می شوند. این شامل ردیابی های الکتریکی است که قدرت عملکرد DRAM و سیگنال های دستورات، آدرس ها و داده ها را فراهم می کند.
در تصویر بالا، ما می توانیم یک رایانه رومیزی استاندارد DIMM را ببینیم، در حالی که به زیر آن یک SO-DIMM گفته می شود ( طرح کوتاه DIMM ) این ماژول کوچک برای استفاده در رایانه های شخصی با فاکتور کوچکتر مانند لپ تاپ یا دسکتاپ ساخته شده است. بسته بندی همه چیزها در یک فضای کوچکتر تعداد تراشه های قابل استفاده را محدود می کند.
سه دلیل اصلی برای استفاده از تراشه های حافظه چندگانه در DIMM وجود دارد:
- میزان فضای ذخیره موجود را افزایش می دهد
- در هر زمان فقط به یک بانک قابل دسترسی است، بنابراین داشتن دیگران که در پس زمینه کار می کنند عملکرد را بهبود می بخشد
- باس آدرس در پردازنده که دارای حافظه است گسترده تر از باس DRAM است.
مورد دوم بسیار مهم است، زیرا بیشتر تراشه های DRAM فقط دارای یک باس داده 8 بیتی هستند. اما CPU و GPU کاملاً متفاوت هستند: CPU Ryzen 7 3800X AMD دارای دو کنترلر 64 بیتی است که درون آن قرار دارد در حالی که Radeon RX 5700 XT هشت کنترلر 32 بیتی را درون آن قرار می دهد. بنابراین هر DIMM که در رایانه Ryzen نصب می شود، نیاز به هشت ماژول DRAM دارد. شاید فکر کنید که کارت گرافیک 5700 XT دارای 32 تراشه حافظه است، اما تنها 8 عدد دارد.
چیزی که احتیاج داریم – نیاز به سرعت!
تمام DRAM دارای یک ساعت I / O مرکزی (ورودی / خروجی) است، یک ولتاژ که به طور مداوم بین 2 سطح تغییر می کند و این برای سازماندهی همه چیزهایی که در تراشه حافظه و باس ارتباطی اتفاق می افتد، استفاده می شود. اگر به سال 1993 برگردیم، می توانستید حافظه را به صورت SDRAM بخرید. که تمام مراحل را با استفاده از دوره زمانی که ساعت در حال تغییر است از حالت پایین به بالا ترتیب داده است. SDRAM در آن زمان دارای ساعت های I / O بود که به طور معمول از 66 به 133 مگاهرتز می رسید و برای هر تیک کلاک، یک دستورالعمل می تواند به DRAM صادر شود. در عوض، تراشه می تواند 8 بیت داده را در همان زمان منتقل کند.
توسعه سریع SDRAM
به رهبری سامسونگ، شکل جدیدی از آن را در سال 1998 ظاهر کرد. این انتقال داده ها را از زمان فراز و نشیب ولتاژ کلاک انجام داد. بنابراین برای هر تیک آن کلاک، داده ها می توانند دو بار به DRAM و از طریق DRAM ارسال شوند. حافظه DDR به سرعت تبدیل به یک نرمال شد و 20 سال بود که پایه اصلی سیستم های رایانه ای محسوب می شد. پیشرفت های فناوری کمک کرده و DDR2 را در سال 2003 ، DDR3 در 2007 و DDR4 را در سال 2012 به ما ارائه دهند.
هر بروزرسانی به لطف کلاک سریعتر I / O عملکرد بهتری ارائه می دهد. سیستم های سیگنالینگ بهتر و نیازهای کمتری به انرژی دارند.
DRAM برای برنامه های گرافیکی در ابتدا SAMAM یا RAM گرافیکی همگام نامیده می شد. این نوع RAM نیز در همان نوع توسعه از بین رفته است و امروز با GDDR برچسب گذاری شده است تا استفاده از آن در نظر گرفته شود. اکنون در نسخه 6 هستیم و انتقال داده ها از یک سیستم نرخ داده چهارگانه استفاده می کند، یعنی 4 انتقال در هر چرخه کلاک.
عملکرد DRAM معمولاً براساس تعداد بیت داده هایی که می تواند در هر ثانیه انتقال دهد، رتبه بندی می شود. در اوایل این مقاله، دیدیم که DDR4 که به عنوان حافظه سیستم استفاده می شود دارای تراشه های 8 بیتی گسترده است – این بدان معنی است که هر ماژول می تواند تا 8 بیت در هر چرخه کلاک داده ها را انتقال دهد. بنابراین اگر نرخ انتقال داده 3200 MT / s باشد این منجر به اوج گرفتن می شود 3200 * 8 = 25,600 مگابیت در ثانیه یا کمی بیشتر از 3 گیگابیت در ثانیه. از آنجا که بیشتر DIMM ها 8 تراشه بر روی آنها دارند 25 گیگابیت در ثانیه پتانسیل دارد. از نظر GDDR6، برای هشت ماژول تقریباً 440 گیگابایت بر ثانیه خواهد بود!
منبع: آناتومی ساختار و کارکرد رم RAM techspot