Особливості модернізації динамічної оперативної пам'яті.

Всі удосконалення в роботі динамічної пам'яті були спрямовані на збільшення швидкості роботи. Природньо, що швидкість роботи пам'яті збільшується, за рахунок підвищення тактової частоти і поліпшення технологічного процесу виробництва.

Один з перших видів оперативної пам'яті, що використовувалася в комп'ютерах, була проста динамічна оперативна пам'ять (PM DRAM - Page Mode DRAM), принцип роботи якої описаний вище. Однак її швидкодії катастрофічно не вистачало, тому на зміну їй прийшла пам'ять FPM DRAM - швидка сторінкова пам'ять. Основна її відмінність від пам'яті FP DRAM полягала в підтримці збережених адрес. Тобто, якщо нове прочитуване з пам'яті слово знаходилося в тому ж рядку, що і попереднє слово, то звертання до матриці пам'яті не було потрібне, а вибірка даних здійснювалася з «Буфера даних» (дивись рис. 1) за номерами стовпців. Це дозволяло значно скоротити час читання. Однак запис даних в пам'ять здійснювався точно так само, як і в пам'яті PM DRAM. Та й далеко не завжди зчитувані дані розташовувалися в одному рядку. В результаті, приріст продуктивності сильно залежав від типу програм, з якими працювала ЕОМ.

Наступним типом пам'яті, який замінив FPM DRAM став EDO-DRAM (Extended Data Out DRAM) - динамічна пам'ять з удосконаленим виходом. У цьому типі пам'яті адреса наступного зчитуваного слова передавалася до того, як зчитані дані з пам'яті були передані процесору. Приступити до зчитування нового слова даних, до завершення читання попереднього, стало можливим, завдяки введенню регістрів – засувок (защелки), які зберігали останнє зчитане слово навіть після того, як починалося читання або запис наступного слова. Поєднуючи в собі також нововведення, новий тип пам'яті давав приріст продуктивності в піке, що досягав 15-20%.

Однак прогрес не стояв на місці, тактові частоти роботи процесорів, системної шини і природно пам'яті росли. З підвищенням тактової частоти все складніше було домагатися стабільної роботи пам'яті EDO-DRAM, так як через непередбачені затримки читання нового слова даних могло початися раніше, ніж попереднє слово даних було збережено за допомогою регістрів-засувок.

В результаті, на зміну EDO-DRAM прийшла пам'ять SDRAM (Synchronous DRAM) - синхронна динамічна пам'ять з довільним доступом. Як видно з назви, пам'ять працювала синхронно, синхронно з контролером пам'яті, що гарантувало завершення циклу читання/запису рядків в заданий час. Це дозволяло видавати нову команду на читання до завершення зчитування попереднього слова даних, будучи впевненим, що зчитування завершиться вірно, а читання нового слова почнеться з мінімальною затримкою. Однак тут виникали проблеми з чергуванням читання і запису. Коли поспіль зчитувалося кілька слів даних - проблем не було ніяких, а от якщо до закінчення запису приходила команда на читання слова, яке записувалося, то це могло привести до зчитування невірних даних. Тому контролер синхронної пам'яті додатково ускладнився, забезпечуючи захист від таких ситуацій

Також в SDRAM пам'яті було збільшено кількість матриць пам'яті з однієї до двох, іноді до чотирьох. Це дозволило під час звернення до одній матриці пам'яті регенерувати рядки іншим матриці, що, в свою чергу, дозволило підняти тактову частоту роботи пам'яті, через зменшення затримок на регенерацію. Також це дозволило зчитувати дані відразу з декількох матриць пам'яті. Тобто, поки йде зчитування з однієї матриці пам'яті, в іншу вже передається адреса нового слова для читання/запису.

З часом, розвиток технології виробництва і можливість роботи відразу з декількома матрицями пам'яті дозволили значно підняти внутрішню швидкість роботи мікросхем оперативної динамічної пам'яті. Зовнішня шина пам'яті стала вузьким місцем і сповільнювала роботу. В результаті, був розроблений новий тип пам'яті DDR SDRAM. З появою DDR SDRAM попередню пам'ять SDRAM стали називати SDR SDRAM (Single Data Rate DRAM).

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) - синхронна динамічна пам'ять з довільним доступом та подвоєною частотою передачі даних. У цьому типі оперативної пам'яті обмін даними по зовнішній шині йде не тільки по фронту тактового імпульсу, але і по спаду. В результаті, без збільшення тактової частоти зовнішньої шини подвоюється обсяг переданої інформації.

Але підвищення швидкості роботи зовнішньої шини даних стало недостатньо, необхідно, щоб і сама пам'ять підтримувала таку швидкість. Оскільки збільшити частоту роботи оперативної пам'яті досить складно, трудомістко і дорого, то виробники пішли на хитрість. Замість збільшення тактової частоти пам'яті, вони збільшили розрядність внутрішньої шини даних (від комірок матриць пам'яті до буферів введення-виведення) і зробили її в два рази більшою, ніж розрядність зовнішньої шини пам'яті (від контролера пам'яті, вбудованого в північний міст, або процесора до мікросхеми пам'яті). Тобто за 1 такт зчитувалося стільки даних, скільки могло передаватися по зовнішній шині тільки за два такту. При цьому ширина зовнішньої шини даних становила 64 біта, а внутрішньої - 128 біт.

В результаті, по фронту тактового імпульсу з чіпа пам'яті передавалася перша частина даних, а по спаду - друга. Аналогічна ситуація була і при записуванні даних в пам'ять. Спочатку приймалася перша частина даних, а потім - друга, після чого вони оброблялися одночасно. Однак через накладні витрат і необхідності застосовувати мультиплексор, для об'єднання двох частин даних, переданих в оперативну пам'ять, і демультиплексор, для поділу зчитувальних даних з пам'яті на дві частини, сильно зросла латентність пам'яті. Латентність - це час між запитом даних з пам'яті і часом, коли оперативна пам'ять почне видавати необхідні дані. В результаті, реальна продуктивність DDR пам'яті, в порівнянні з SDR, зросла всього лише на 30-40 відсотків. Найбільш популярні моделі пам'яті DDR працювали на тактовій частоті 200 МГц, але мали маркування DDR400. 400 означало кількість транзакцій (обмінів) в секунду. Дійсно, при тактовій частоті 200 МГц та передачі даних по фронту і спаду тактового імпульсу, в секунду буде відбуватися 400 МТР. При цьому внутрішня частота чіпа пам'яті також буде 200 МГЦ.

Підняти тактову частоту чіпа пам'яті вище 200 МГц на тому етапі було вкрай важко. Природно існувала пам'ять, що працює на тактовій частоті 233, 250 і навіть 267 МГц, але це були несертифіковані стандарти, і коштували вони дорого.

В результаті, розробники пам'яті продовжили розвивати архітектуру пам'яті DDR SDRAM. В основі подальших досліджень були покладені положення про збільшення розрядності внутрішньої шини динамічної пам’яті, проведення операцій по передньому та задньому фронтах та технологічні успіхи в підвищенні тактової частоти роботи схем. Логічним результатом цього розвитку стала пам'ять DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM, DDR4 SDRAM. (Особливості роботи вивчити самостійно).