Za tajomstvami operačnej pamäte / 1. časť

Recenzie a testy najrôznejšieho hardvéru tvoria neoddeliteľnú súčasť PC REVUE. Pomáhajú vám nielen pri výbere anákupe tých správnych komponentov, ale udržujú aj aktuálny prehľad osituácii na trhu informačných technológií. No ak vás okrem základných technických parametrov zaujíma aj to, ako vlastne dané komponenty počítača fungujú, zčoho sa skladajú ačo všetko ovplyvňuje ich výkon, hľadáte istotne aj články iného zamerania. Práve pre vás je určený náš seriál článkov Komponenty počítača pod drobnohľadom.

Vpredchádzajúcich častiach sme sa pozreli na zúbok napríklad základnej doske, napájaciemu zdroju, ale aj grafickej karte či procesoru. Tentoraz sa dostane na rad komponent, ktorý patrí zhľadiska bežného používateľa knajčastejším upgradovaným súčastiam. Ide orozmerovo neveľkú, ale esenciálnu časť počítača, ktorej nedostatočná kapacita býva často pre výkon doslova fatálna. Ide ooperačnú pamäť. Čo všetko sa vlastne na tomto malom „obdĺžniku“ skrýva? Ako operačná pamäť vlastne funguje aako komunikuje so zvyškom počítača? Čo znamenajú jej jednotlivé parametre ana čo všetko vplývajú? Otom sa dozviete práve vtomto článku.

Operačná pamäť slúži vrámci počítača ako dočasné miesto na uloženie programového kódu a spracúvaných dát. Prostredníctvom pamäťového radiča dodáva rýchlo dáta procesoru alebo ich od neho prijíma. To všetko vrýchlostiach oniekoľko rádov vyšších, než by toho boli schopné sekundárne atrvalé úložiská vpodobe pevných (HDD) alebo aj polovodičových (SSD) diskov. Zatiaľ čo prístupová doba HDD je okolo 5 milisekúnd (0,005 sekundy) apri SSD 0,1 milisekundy (0,0001 s), vprípade operačnej pamäte trvá prístup zvyčajne iba 11 nanosekúnd (0,000000011 sekundy). Vo výsledku sa tak namiesto vtisícinách sekundy pohybujeme vjej miliardtinách. Srdcom modulu operačnej pamäte sú pamäťové čipy pozostávajúce zmiliárd tranzistorov akondenzátorov. Pokiaľ ste si niekedy podrobnejšie vyberali operačnú pamäť pre svoj počítač, určite ste okrem kapacity narazili aj na parametre, ako je frekvencia, časovanie či latencia, ahoci väčšina používateľov tuší, že ovplyvňujú výkon, len málokto vie presne čím aako významne. Situáciu nezlepšuje ani to, že v niektorých parametroch sú lepšie tie vyššie hodnoty, zatiaľ čo pri iných parametroch, naopak, tie nižšie. Aak sa ktomu všetkému pridá ešte pomenovanie pamäťových modulov, ktoré azda každý používateľ nazýva inak, popletený začiatočník rýchlo beží preč. Kvšetkému sa však postupne dostaneme.

Prakticky pri každom hardvéri sa stretávame s použitím mnohých skratiek. Pri operačnej pamäti však narážame aj nanezvyčajné množstvo jej všeobecných pomenovaní – určite sú vám zpočutia dobre známe označenia ako RAM, SDRAM, DDRAM, DIMM aniektoré ďalšie. Ak vás niekedy zaujímalo, ktoré je vlastne správne, možno vás prekvapí, že vo všeobecnom poňatí zvyčajne všetky. Nejde pri tom ožiadny paradox. Napríklad aj tigra môžeme označiť výrazom zviera, cicavec či mačkovitá šelma. Každý ztýchto výrazov je správny, niektoré sú však presnejšie ainé všeobecnejšie. Základné označenie, sktorým sa pri operačných pamätiach počítačov stretávame, je RAM. Ide o skratku Random Access Memory (pamäť spriamym prístupom), čo znamená, že ide otyp pamäťového mechanizmu, ktorý môže dáta ukladať ačítať vakomkoľvek poradí arovnako rýchlo. Naproti tomu úložiská ako pevný disk alebo optické médium môžu sdátami manipulovať len vurčitom preddefinovanom poradí zdôvodu ich mechanickej limitácie. Podkategóriou RAM, respektíve jej špecifickým vyhotovením, je DRAM. Písmeno D reprezentuje vskratke DRAM slovo Dynamic (Dynamic Random Access Memory), ide teda odynamickú RAM. Vjej prípade je každý bit uložený pomocou jedného kondenzátora ajedného tranzistora, ktoré dovedna tvoria jednu pamäťovú bunku. To umožňuje jednotlivé bunky vytvárať vo vysokých hustotách adosahovať vysokú kapacitu a rýchlosť. Kondenzátory však náboj veľmi rýchlo strácajú, apreto ich hodnotu treba neustále dynamicky obnovovať (z toho dôvodu operačná pamäť počítačov uchováva dáta iba vprípade, že je elektricky napájaná). Opakom je SRAM, ktorá používa na jednu bunku až šesť tranzistorov abunky nemusia byť periodicky vrýchlom slede obnovované. Dáta sa síce pri odpojení od elektrického napájania stratia aj vjej prípade, ale za podstatne dlhší čas. SRAM sa používajú napríklad pre vyrovnávacie pamäte pevných diskov, routerov či tlačiarní. Ďalšie spresnenie označenia operačných pamätí počítačov je SDRAM. Vidieť, že pribudlo do označenia ďalšie písmeno. Tentoraz S, ktoré reprezentuje slovo Synchronous (synchrónna). Ide teda osynchrónnu dynamickú pamäť spriamym prístupom. SDRAM však stále patrí medzi DRAM ajRAM. Na rozdiel od nich však neodpovedá na požiadavky okamžite a tak rýchlo, ako len môže, ale čaká na taktový signál. SDRAM je tak synchronizovaná staktom systémovej zbernice aodosiela dáta presne vtedy, keď ich je zbernica schopná presunúť, pričom zároveň umožňuje niekoľko prístupov súčasne. Vo výsledku tak razantne stúpa prenosová rýchlosť.

Množstvo pamätí obsahuje aj dizajnové chladenie – pre kolíziu svýkonným chladičom CPU si treba dávať pozor na ich výšku, ktorá môže narásť až na dvojnásobok

Pamäte SDRAM sa začali používať vpočítačoch od roku 1993. Ich významná modifikácia je DDR SDRAM, ktorá dala vzniknúť súčasnému generačnému číslovaniu (DDR1, DDR2, DDR3). Predpona DDR znamená Double Data Rate, teda zdvojené dátové tempo. Operačná pamäť tohto typu precízne kontroluje časovanie signálu aodosiela dáta vdvoch cykloch – pri vzostupe apri poklese signálu taktu zbernice. Táto vlastnosť sa označuje aj ako double pumping, teda dvojité pumpovanie, pričom pri správnej frekvencii je DDR SDRAM schopná dosiahnuť takmer dvojnásobný dátový tok ako klasická SDRAM sjednoduchým časovaním. Prvá generácia DDR bola dostupná od roku 2000, druhá generácia vpodobe DDR2 od roku 2003 asúčasná tretia generácia (DDR3 SDRAM) od roku 2007. Vo všetkých prípadoch trvalo niekoľko rokov, kým nová generácia vyrovnala aneskôr vytlačila svojho predchodcu vpredajoch apoužití. Ďalšia generácia vpodobe DDR4 sa začne vpočítačoch objavovať vroku 2013 aočakáva sa, že „štafetu“ od DDR3 vmasovom používaní prevezme vroku 2015. Poďme sa teda na pamäť ajej jednotlivé generácie pozrieť podrobnejšie.

Konštrukcia modulu a form factor

Operačná pamäť svojím zovňajškom sprvu zrejme nijaký zvláštny záujem nevyvolá. Oproti komplexným komponentom, ako je napr. základná doska alebo grafická karta, pôsobí stroho. Ide omalý obdĺžnik pozostávajúci zdosky plošných spojov, kontaktov apamäťových čipov. Vprípade klasickej verzie pre stolové počítače má štandardizovanú dĺžku 13,4 cm. PCB je 1 mm hrubé, ale modul pamäte je hrubší zdôvodu vystupujúcich čipov. Jeho zvyčajná výška je 3 cm, ale môžeme sa stretnúť aj snízkoprofilovými verziami s polovičnou výškou. Zhľadiska funkčnosti sa od štandardne veľkého modelu nijako nelíšia amožno ich osadzovať pokojne aj vkombinácii sbežným typom. Nižšie sú len pre kompaktnejšie usporiadanie svojho obsahu a ich použitie príde vhod pri nízkoprofilových HTPC či počítačoch, ktoré majú osadený rozmerný chladič procesora, zasahujúci nad pamäťové sloty. Keďže pamäte sú už dlhé roky rozmerovo štandardizované (z hľadiska dĺžky a hrúbky), aby sa zabránilo nesprávnemu osadeniu modulov do systémov inej generácie DDR SDRAM, používa sa poistka vpodobe zuba voblasti kontaktov. Ide ojednoduchý výrez, ktorý je pri jednotlivých generáciách vždy na inom mieste. Bez použitia kladiva tak napríklad modul DDR3 do slotu DDR2 nezapojíte (rovnako nemožno pamäť zapojiť naopak). Dvojmilimetrový výrez je na DDR1 umiestnený 7,3 cm zľava, pri moduloch DDR2 zasa 7 cm apri DDR3 je to 5,5 cm. Pôvodná SDRAM (používaná v90. rokoch) má dva výrezy adá sa tak ľahko rozpoznať.

Podrobný opis súčastí pamäťového modulu DDR3 SDRAM

Na našom hlavnom ilustračnom obrázku si môžete pozrieť detail modulu DDR3 SDRAM soznačením jednotlivých častí. Vdolnej časti sa nachádzajú kontakty, ktoré sa zasadzujú do slotu základnej dosky. Na moduloch DDR3 ich napočítate 240 (120 pinov na každej strane), pričom rovnako dopadnete aj vprípade DDR2. Pri DDR1 sa zastavíte na čísle 184. Úplne vľavo je osamotený pin Vref, pomocou ktorého sa do pamäte privádza referenčné napätie, slúžiace ako referenčný bod na určovanie stavu buniek (nabité, vybité). Nasleduje dátová oblasť, ktorá siaha až po bezpečnostný zárez. Piny sú vnej radené po trojiciach, pričom začínajú vždy pinom Vss na uzemnenie apokračujú dvoma pinmi DQ na obojsmerný presun dát. Takto to pokračuje až po pin 37, za ktorým je hluchá časť až po pin 48 pred zárezom (strieda sa uzemňovací pin adva piny NC bez funkcie). Za zárezom sa začína komunikačno-napájacia oblasť dlhá 30 pinov. Vnej sa vrôznom poradí strieda spolu 11 napájacích pinov (Vdd), ktoré vzáklade privádzajú do modulu 1,5 V, ďalej šesť pinov na adresovanie jednotlivých riadkov astĺpcov pamäťového bloku (A), dva piny na adresovanie blokov (B), jeden pin sreferenčným napätím (VrefCA),dva piny na kontrolovanie, ovládanie aadresovanie vstupného signálu taktu (CK) adva piny na vstupné príkazy (WE a CAS). Oblasť sa končí „hluchým“ pinom 79, za ktorým nasleduje ďalšia dátová časť, kde sa opäť striedajú trojice sjedným uzemňovacím advoma obojsmernými dátovými pinmi. Na samom konci modulu vpravo nájdeme ešte konfiguračno-kontrolnú oblasť, ktorá je tvorená štyrmi pinmi (piny 117 až 120). Piny 117 a119 sú použité na konfiguráciu adresného rozsahupomocou čipu SPD EEPROM. Pin 118 (SCL) je použitý na synchronizáciu adetekciu prítomnosti dátových vstupov avýstupov do modulu anapokon posledný pin 120 (Vtt) slúži na kontrolu aovládanie napätia vstupujúceho cez piny Vdd do modulu.

Opísaný modul DDR3 SDRAM patrí do skupiny DIMM. Toto menej časté označenie operačnej pamäte sa vzťahuje na konštrukciu jej PCB, teda jej dosky plošných spojov. Okrem štandardizovaného rozmeru sa moduly DIMM vyznačujú najmä tým, že na oboch stranách PCB sú samostatné kontakty. Ak si operačnú pamäť otáčate vrukách, pri pozornom pohľade si môžete všimnúť, že trasa jednotlivých vodičov na oboch stranách modulu nie je rovnaká,ide teda odve oddelené vrstvy (z toho vychádza aj jej názov Dual In-line Memory Module, skrátene DIMM). Moduly stouto konštrukciou sa používajú od nástupu prvých procesorov Intel Pentium, teda už od roku 1993, keď nahradili jednovrstvové moduly SIMM. Všetky operačné pamäte SDRAM, DDR1, DDR2 a DDR3 SDRAM sú vyhotovené vždyv podobe modulov DIMM. Tento fakt by tak prakticky nebolo treba ani spomenúť, nebyť toho, že sa veľmi často môžete stretnúť soznačením SO-DIMM. Predpona SO je skratka Small Outline, čo sa dá preložiť ako malý obrys. Ide omodul DIMM vmalom vyhotovení, ktorý sa používa pre notebooky ainé prenosné zariadenia. Moduly majú dĺžku 6,3 cm. Výška ahrúbka je totožná sklasickými variantmi. Tvar bočných úchytiek pre slot na základnej doske je trochu iný zdôvodu iného zaklápacieho mechanizmu (pozri obrázok). Bezpečnostné zuby medzi pinmi sú na DDR1, 2 a3 vo vzdialenosti 1,5, ďalej 1,6 anapokon 2,4 cm. Pinov je dovedna 204 (16 chýbajúcich je na klasickej veľkej verzii hluchých). Technicky sú malé aveľké verzie modulov totožné. Pokiaľ vás zaujala niekedy farba modulu, respektíve farba dosky plošných spojov, ide podobne ako pri inom hardvéri onepodstatnú vlastnosť, ktorá nijakým spôsobom modul neidentifikuje. Najčastejšie sa stretnete so zelenou, zriedkavejšie smodrou farbou. Iné farby sú raritou, ale ako sme už spomenuli, nie je to podstatné.

Menšia verzia modulu DDR3 vovyhotovení SO-DIMM pre notebooky – všimnite si stredovú SPD EEPROM

Dominantou celej konštrukcie modulu sú pamäťové čipy. Ich počet sa na jednotlivých pamätiach líši, pričom záleží, samozrejme, na celkovej kapacite pamäťového modulu akapacite čipu. Obyčajne je ich na jednom module osem, nie je to však podmienka. Na ilustračnom obrázku sú čipy od spoločnosti Qimonda. Medzi ďalších populárnych výrobcov patrí napríklad Elpida, Hynix, Buffalo aSamsung. Puzdro pamäte má obdĺžnikový alebo takmer štvorcový tvar. Čipy na DDR2 aDDR3 sú zvyčajne odosť menšie ako vprípade DDR1 vďaka pokrokom vo výrobných postupoch, pričom majú ostré hladké hrany (riešenie BGA skontaktmi schovanými pod čipom). Naproti tomu väčšinu modulov DDR1 pomerne dobre rozpoznáte podľa toho, že čipy majú „nožičky“ (pripojenie kontaktov TSOP) a sú veľmi vysoké, pričom siahajú prakticky až na samý vrch modulu. Medzi oblasťou pinov ačipov si na moduloch môžete všimnúť malé výstupky. Podrobnejšie si ich môžete prezrieť na detailnej fotografii vtitule článku. Je to rad rezistorov využívaných na zníženie napätia v obvodoch. Osamotené rezistory iného typu nájdeme aj na pravom boku modulu. Tie slúžia na Vtt – Termination Voltage. Ide ozníženie napätia potrebné na terminačné, respektíve ukončovacie procesy vovládacej logike zbernice. Dobre viditeľný prvok je malý čip vstrede modulu medzi pamäťovými čipmi. Ide o SPD EEPROM, vktorom sú uložené informácie omodule, jeho architektúre ačasovaní. Skratka SPD znamená Serial Presence Detect, čo označuje štandardizovanú metódu, pomocou ktorej radič pamäte získava informácie opripojenom pamäťovom module. EEPROM je skratka Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory aide otyp pamäte, ktorý sa na uloženie spomenutých informácií používa. Tento druh pamäťového čipu sa využíva najmä na čítanie. Pri prepise musí byť kompletne zmazaný acelý proces trvá veľmi dlho, bežne sa používa napríklad na ukladanie firmvérov. Koperačným pamätiam často neodmysliteľne patrí aj nalepený papierový štítok, na ktorom je sériové číslo modulu, jeho typ akapacita. Pokiaľ nechcete prísť ozáruku, identifikačný štítok nikdy neodstraňujte.

Na pamätiach sa často môžeme stretnúť aj s chladením čipov, ktoré je buď sprostredkované pripevnením jednoduchých plieškov na oboch stranách, alebo väčším hliníkovým pasívom srebrovaním, ktoré vystupuje až nad PCB modulu. Treba povedať, že zmysel týchto chladičov je najmä dizajnový apri bežnej prevádzke sa čipy chladia bez problémov aj bez nich. Pri pretaktovaní spoužitím vyššieho vstupného napätia sa však tieto prvky môžu hodiť a vďaka nim niekedy možno posunúť maximálny limit výkonu onejaký ten megahertz navyše. Rozdiel je však veľmi malý. Na vysoké pasívne konštrukcie pripomínajúce hrebene si dávajte pozor vprípade, že plánujete výkonný chladič na procesor. Ľahko sa totiž môže stať, že s neštandardne vysokými pamäťami bude kolidovať.

Detail na modul DDR1 – všimnite si, že čipy používajú pripojenie TSOP, atak im trčia charakteristické nožičky

Základná schéma činnosti

Úlohou operačnej pamäte je odosielať aprijímať dáta zprocesora vdostatočne krátkom čase. Pri pohľade na základnú dosku si môžete všimnúť, že pätica na procesor asloty na pamäte sú zvyčajne pomerne blízko pri sebe. Modul operačnej pamäte je pripojený do slotu na základnej doske, od ktorého vedie pamäťová zbernica do radiča. Zbernica je rozdelená na dátovú aadresovaco-príkazovú časť. Vpraxi ide oniekoľko vodičov vedených vPCB základnej dosky. Pamäťové zbernice DDR 1, 2 a3 majú 64 bitov, čo znamená, že obsahujú 64 fyzických vodičov, cez ktoré je pamäťový modul pripojený. Zbernica vchádza do pamäťového radiča, ktorý je medzičlánkom medzi jadrom procesora aoperačnou pamäťou. Vminulosti býval radič pamäte umiestnený vsevernom mostíku čipovej súpravy základnej dosky, ale vsúčasnosti je už súčasťou procesorov. Vnútri CPU sa ešte medzi výpočtovým jadrom apamäťovým radičom nachádza vyrovnávacia pamäť vpodobe L1 aL2 cache, čomu sme sa venovali vjednej zpredošlých častí nášho seriálu (Pod kapotou procesora, PC REVUE č. 6/2011).

Procesor požiadavku na dáta odosiela prostredníctvom radiča pamätí, ktorý posiela signál cez zbernicu do pamäte. Každý pamäťový čip modulu operačnej pamäte pozostáva zo stoviekmiliónov pamäťových buniek, schopných uložiť jednobitovú informáciu (1 alebo 0). Bunky sú zarovnané do riadkov astĺpcov, pričom každá znich má na základe svojej pozície unikátnu adresu. Situáciu možno prirovnať napríklad kšachovnici, kde je každé políčko vyjadrené pozíciou na riadku astĺpci (napríklad pole A4, C2 atď.). Periférne obvody modulu prečítajú príslušné bunky, zosilnia výstupný signál reprezentujúci dáta aodošlú ho cez pamäťovú zbernicu. Ako sme už spomenuli, pri pamätiach SDRAM je práca synchronizovaná, takže pamäťový radič presne určuje, kedy vyšle signál na požiadavku dát akedy dáta bude prijímať. Výhodu synchronizácie si môžeme ľahko ukázať na názornom príklade. Predstavme si dvoch robotníkov. Jedného na streche domu adruhého na zemi pod ním. Robotník hore chce pokladať na strechu škridly, ale všetky sú na zemi. Keďže dom je vysoký, prizvú si tretieho robotníka, ktorý sa postaví na lešenie vpolovičnej výške azačnú škridly postupne vyhadzovať. Robotník dole škridlu vyhodí do vzduchu. Robotník na lešení ju zachytí, otočí sa avyhodí ju kolegovi na streche. Ten ju okamžite položí na miesto aočakáva ďalšiu škridlu. Robotník dole nemôže škridlu vyhodiť včase, keď ju vyhadzuje robotník na lešení. Nemal by ju totiž kto zachytiť. Občas teda čaká so škridlou vruke jeden aobčas druhý, inokedy niekto čaká sprázdnymi rukami, kým mu ten pod ním škridlu konečne vyhodí, apodobne. Pre celý proces sú typické záseky, keď jeden čaká na niekoho iného azaháľa. No ak sa správne navzájom zosynchronizujú, budú prácu vykonávať najrýchlejšie, ako je možné. Robotník dole vyhodí škridlu avčase, kým ju druhý vyhodí na strechu, zohne sa avezme do ruky ďalšiu škridlu avyhadzuje ju presne včase, keď sa robotník nad ním otáča naspäť knemu sprázdnymi rukami. Robotník vstrede tak vyhadzuje škridlu včase, keď robotník na zemi škridlu berie a robotník na streche pribíja škridlu včase, keď ju robotník na lešení chytá. Nikto tak na nikoho nečaká. Presne načasované kmity každej časti procesu sú tak cestou kvysokej rýchlosti.

Tajomstvom kperfektnej synchronizácii je precízne načasovanie. Hudobníci dobre vedia, že precízny rytmus sa dá navigovať pravidelným ťukaním metronómu. Takýmto metronómom je vpočítači hodinový signál spríslušným taktom. Ak je takt, na ktorom pamäte, radič azbernica pracujú, napríklad 100 MHz, znamená to, že „metronóm“ ťukne 100-miliónkrát za sekundu. Každý takt je pri tom priestorom na vykonanie príslušnej požiadavky, vdôsledku čoho každá úloha trvá špecifický počet taktov. Keďže pamäte SDRAM typu DDR používajú už spomínané dvojité pumpovanie, vkaždom cykle sa dajú vykonať až dve operácie. To je možné vďaka tomu, že sa nepoužíva jedno „ťuknutie“ signálu, ale jeho štart akoniec. Je to podobné, ako keby nejaká operácia čakala na každé zaznenie hlasného gongu. Dvojité pumpovanie by vyzeralo tak, že by sa rozozvučanie astíšenie gongu pri jednom údere považovalo za dva rozdielne signály. Ateraz nás bude zaujímať, ako prebieha práca na úrovni pamäťových buniek ačo sa vich vnútri pri zápise a čítaní vlastne deje.

Vnasledujúcej časti teda nazrieme dovnútra pamäťových čipov, pozrieme sa na výkon pamätí arôzne typy slotov pre moduly RAM.