Оперативная память компьютера

Основные принципы функционирования оперативной памяти одинаковы для модулей разных типов. Ведущий разработчик стандартов полупроводниковой индустрии JEDEC предоставляет возможность каждому желающему ознакомиться с открытыми документами, посвященными этой тематике. Мы же постараемся кратко объяснить базовые понятия.

Итак, оперативная память - это матрица, состоящая из массивов, именуемых банками памяти. Они формируют так называемые информационные страницы. Банк памяти напоминает таблицу, каждая ячейка которой имеет координаты по вертикали (Column) и горизонтали (Row). Ячейки памяти представляют собой конденсаторы, способные накапливать электрический заряд. С помощью специальных усилителей аналоговые сигналы переводятся в цифровые, которые в свою очередь образуют данные. Сигнальные цепи модулей обеспечивают подзарядку конденсаторов и запись/считывание информации.

Алгоритм работы динамической памяти можно описать такой последовательностью:

1. Выбирается чип, с которым будет осуществляться работа (команда Chip Select, CS). Электрическим сигналом проводится активация выбранной строки (Row Activate Selection). Данные попадают на усилители и могут быть считаны определенное время. Эта операция в англоязычной литературе называется Activate.

2. Данные считываются из соответствующей колонки/записываются в нее (операции Read/Write). Выбор колонок проводится командой CAS (Column Activate Selection).

3. Пока строка, на которую подан сигнал, остается активной, возможно считывание/запись соответствующих ей ячеек памяти.

4. При чтении данных - зарядов конденсаторов - их емкость теряется, поэтому требуется подзарядка или закрытие строки с записью информации в массив памяти (Precharge).

5. Конденсаторы-ячейки со временем теряют свою емкость и требуют постоянной подзарядки. Эта операция - Refresh - выполняется регулярно через отдельные промежутки (64 мс) для каждой строки массива памяти.

На выполнение операций, происходящих внутри оперативной памяти, уходит некоторое время. Именно его и принято называть таким знакомым словом «тайминги» (от англ. time). Следовательно, тайминги - временные промежутки, необходимые для выполнения тех или иных операций, осуществляющихся в работе ОЗУ.

Схема таймингов, указываемых на стикерах модулей памяти, включает в себя лишь основные задержки CL-tRCD-tRP-tRAS (CAS Latency, RAS to CAS Delay, RAS Precharge и Cycle Time (или Active to Precharge)). Все остальные, в меньшей мере оказывающие влияние на скорость работы ОЗУ, принято называть субтаймингами, дополнительными или второстепенными таймингами.

Приводим расшифровку основных задержек, возникающих при функционировании модулей памяти:

CAS Latency (CL) - пожалуй, самый важный параметр. Определяет минимальное время между подачей команды на чтение (CAS) и началом передачи данных (задержка чтения).

RAS to CAS Delay (tRCD) определяет интервал времени между подачей команд RAS и CAS. Обозначает число тактов, необходимых для поступления данных в усилитель.

RAS Precharge (tRP) - время, уходящее на перезарядку ячеек памяти после закрытия банка.

Row Active Time (tRAS) - временной промежуток, на протяжении которого банк остается открытым и не требует перезарядки.

Command Rate 1/2T (CR) - время, необходимое для декодирования контроллером команд и адресов. При значении 1T команда распознается за один такт, при 2T - за два.

Bank Cycle Time (tRC, tRAS/tRC) - время полного такта доступа к банку памяти, начиная с открытия и заканчивая закрытием. Изменяется вместе с tRAS.

DRAM Idle Timer - время простоя открытой информационной страницы для чтения данных с нее.

Row to Column (Read/Write) (tRCD, tRCDWr, tRCDRd) напрямую связан с параметром RAS to CAS Delay (tRCD). Вычисляется по формуле tRCD(Wr/Rd) = RAS to CAS Delay + Rd/Wr Command Delay. Второе слагаемое - величина нерегулируемая, определяет задержку на выполнение записи/чтения данных.

Пожалуй, это базовый набор таймингов, зачастую доступный для изменения в BIOS материнских плат. Расшифровку остальных задержек, как и детальное описание принципов работы и определение влияния тех или иных параметров на функционирование ОЗУ можно найти в спецификациях уже упомянутой нами JEDEC, а также в открытых datasheet производителей наборов системной логики.

Основные тайминги памяти

Подобную формулу задержек часто можно обнаружить на стикерах модулей ОЗУ. В ней представлены лишь основные тайминги, в наибольшей мере влияющие на производительность подсистемы памяти.

Понять, что обозначают эти четыре задержки, и для начала хотя бы запомнить названия, - один из шагов к успешному разгону. Данные тайминги по возможности следует понижать до минимума.

Объяснение одного из таймингов tRP (Read to Precharge, RAS Precharge) с помощью типичной схемы в datasheet от JEDEC. Расшифровка подписей: CK и CK - тактовые сигналы передачи данных, инвертированные один относительно другого (Differential Clock); COMMAND - команды, поступающие на ячейки памяти; READ - операция чтения; NOP - команды отсутствуют; PRE - подзарядка конденсаторов - ячеек памяти; ACT - операция активации строки; ADDRESS - адресация данных к банкам памяти; DQS - шина данных (Data Strobe); DQ - шина ввода-вывода данных (Data Bus: Input/Output); CL - CAS Latency в данном случае равен двум тактам; DO n - считывание данных со строки n. Один такт - временной промежуток, необходимый для возврата сигналов передачи данных CK и CK в начальное положение, зафиксированное в определенный момент.

Упрощенная блок-схема, объясняющая основы работы памяти стандарта DDR2. Она создана с целью демонстрации возможных состояний транзисторов и команд, которые их контролируют. Как видите, чтобы разобраться в столь «простой» схеме, потребуется не один час изучения основ работы ОЗУ (мы уже не говорим о понимании всех процессов, происходящих внутри чипов памяти).

Быстродействие ОЗУ в первую очередь определяют два показателя: частота работы и тайминги. Какой из них окажет большее влияние на производительность ПК, следует выяснять индивидуально, однако для разгона подсистемы памяти нужно использовать оба пути. На что же способны ваши модули? С достаточно высокой долей вероятности поведение плашек можно спрогнозировать, определив названия используемых в них чипов. Наиболее удачные оверклокерские микросхемы стандарта DDR - Samsung TCCD, UCCC, Winbond BH-5, CH-5; DDR2 - Micron D9xxx; DDR3 - Micron D9GTR. Впрочем, итоговые результаты будут зависеть и от типа РСВ, системы, в которой установлены модули, умения владельца разгонять память и просто от удачи при выборе экземпляров.

Пожалуй, первый шаг, который делают новички, - повышение рабочей частоты ОЗУ. Она всегда привязана к FSB процессора и выставляется с помощью так называемых делителей в BIOS платы. Последние могут выражаться в дробном виде (1:1, 1:1,5), в процентном выражении (50%, 75%, 120%), в режимах работы (DDR-333, DDR2-667). При разгоне процессора путем увеличения FSB автоматически возрастает частота работы памяти. К примеру, если мы использовали повышающий делитель 1:1,5, то при изменении частоты шины с 333 до 400 МГц (типично для форсирования Core 2 Duo) частота памяти поднимется с 500 МГц (333Ч1,5) до 600 МГц (400Ч1,5). Поэтому, форсируя ПК, следите, не является ли камнем преткновения предел стабильной работы оперативной памяти.

Следующий шаг - подбор основных, а затем дополнительных таймингов. Их можно выставлять в BIOS материнской платы или же изменять специализированными утилитами на лету в ОС. Пожалуй, самая универсальная программа - MemSet, однако владельцам систем на базе процессоров AMD Athlon 64 (K8) очень пригодится A64Tweaker. Прирост производительности можно получить лишь путем понижения задержек: в первую очередь CAS Latency (CL), а затем RAS to CAS Delay (tRCD), RAS Precharge (tRP) и Active to Precharge (tRAS). Именно их в сокращенном виде CL4-5-4-12 указывают изготовители модулей памяти на стикерах продуктов. Уже после настройки основных таймингов можно переходить к понижению дополнительных.

На результаты разгона оперативной памяти значительное влияние оказывает увеличение напряжения питания плашек. Безопасный для длительной эксплуатации предел зачастую превышает заявленные производителями значения на 10-20%, однако в каждом случае подбирается индивидуально с учетом специфики чипов. Для наиболее распространенной DDR2 рабочее напряжение зачастую равно 1,8 В. Его без особого риска можно поднять до 2-2,1 В при условии, что это влечет за собой улучшение результатов разгона. Впрочем, для оверклокерских модулей, использующих чипы Micron D9, производители заявляют штатное напряжение питания на уровне 2,3-2,4 В. Превышать эти значения рекомендуется только для кратковременных бенчинг-сессий, когда важен каждый дополнительный мегагерц частоты. Отметим, что при длительной эксплуатации памяти при напряжениях питания, отличающихся от безопасных для используемых чипов значений, возможна так называемая деградация модулей ОЗУ. Под этим термином понимают снижение разгонного потенциала модулей со временем (вплоть до неспособности работать в штатных режимах) и полного выхода плашек из строя. На деградационные процессы особо не влияет качество охлаждения модулей - даже холодные чипы могут быть им подвержены. Конечно, есть и примеры длительного успешного использования ОЗУ при высоких напряжениях, но помните: все операции при форсировании системы вы проводите на свой страх и риск. Не переусердствуйте.

Прирост производительности современных ПК можно получить, используя преимущества двухканального режима (Dual Channel). Это достигается за счет увеличения ширины канала обмена данными и роста теоретической пропускной способности подсистемы памяти. Такой вариант не требует специальных знаний, навыков и тонкой настройки режимов работы ОЗУ. Для активации Dual Channel достаточно иметь два или четыре модуля одинакового объема (при этом необязательно использовать полностью идентичные плашки). Двухканальный режим включается автоматически после установки ОЗУ в соответствующие слоты материнской платы.

Все описанные манипуляции приводят к увеличению быстродействия подсистемы памяти, однако заметить прирост невооруженным глазом зачастую сложно. При хорошей настройке и ощутимом повышении частоты работы модулей можно рассчитывать на прибавку производительности порядка 10-15%. Среднестатистические показатели более низкие. Стоит ли овчинка выделки и нужно ли тратить время на игры с настройками? Если хотите детально изучить повадки ПК - почему бы и нет?

ЕРР и XMP - разгон ОЗУ для ленивых

Далеко не все пользователи изучают особенности настройки ПК на максимальное быстродействие. Именно для новичков оверклокинга ведущие компании предполагают простые способы повышения производительности компьютера. В отношении ОЗУ все началось с технологии Enhanced Performance Profiles (EPP), представленной NVIDIA и Corsair. Материнские платы на базе nForce 680i SLI первыми предоставили максимальную функциональность в плане настройки подсистемы памяти. Суть ЕРР довольно проста: производители ОЗУ подбирают гарантированные нестандартные скоростные режимы функционирования собственных продуктов, а разработчики системных плат предоставляют возможность их активировать через BIOS. EPP - расширенный перечень настроек модулей, дополняющий базовый набор. Существует две версии ЕРР - сокращенная и полная (два и одиннадцать резервных пунктов соответственно).

Дальнейшее развитие данной темы - концепция Xtreme Memory Profiles (ХМР), представленная компанией Intel. По своей сути данное новшество не отличается от ЕРР: расширенный набор настроек для ОЗУ, гарантированные производителями скоростные режимы записаны в SPD планок и при необходимости активируются в BIOS платы. Поскольку Xtreme Memory Profiles и Enhanced Performance Profiles предоставлены разными разработчиками, модули сертифицируются под их собственные наборы системной логики (на чипсетах NVIDIA или Intel). XMP, как более поздний стандарт, относится только к DDR3.

Безусловно, несложные в активации резервов ОЗУ технологии EPP и XMP пригодятся новичкам. Однако позволят ли производители модулей просто так выжать максимум из своих продуктов? Хотите еще больше? Тогда нам по пути - будем глубже вникать в суть повышения быстродействия подсистемы памяти.

В небольшом материале сложно раскрыть все аспекты работы модулей, принципы функционирования динамической памяти вообще, показать, насколько повлияет изменение одной из настроек ОЗУ на общую производительность системы. Однако надеемся, что начало положено: тем, кто заинтересовался теоретическими вопросами, настоятельно рекомендуем изучить материалы JEDEC. Они доступны каждому желающему. На практике же опыт традиционно приходит со временем. Одна из главных целей материала - объяснение новичкам основ разгона подсистемы памяти.

Тонкая настройка работы модулей - дело довольно хлопотное, и если вам не нужна максимальная производительность, если каждый балл в тестовом приложении не решает судьбу рекорда, можно ограничиться привязкой к частоте и основным таймингам. Существенное влияние на быстродействие оказывает параметр CAS Latency (CL). Выделим также RAS to CAS Delay (tRCD), RAS Precharge (tRP) и Cycle Time (или Active to Precharge) (tRAS) - это базовый набор, основные тайминги, всегда указываемые производителями. Обратите внимание и на опцию Command Rate (наиболее актуально для владельцев современных плат на чипсетах NVIDIA). Впрочем, не стоит забывать о балансе характеристик. Системы, использующие неодинаковые контроллеры памяти, по-разному могут реагировать на изменения параметров. Разгоняя ОЗУ, следует придерживаться общей схемы: максимальный разгон процессора при пониженной частоте модулей > предельный разгон памяти по частоте с наихудшими задержками (изменением делителей) > снижение таймингов при сохранении достигнутых частотных показателей.

Дальше - тестирование производительности (не ограничивайтесь лишь синтетическими приложениями!), затем новая процедура разгона модулей. Установите значения основных таймингов меньше на порядок (скажем, 4-4-4-12 вместо 5-5-5-15), с помощью делителей подберите максимальную частоту в таких условиях и протестируйте ПК заново. Таким образом возможно определить, что больше всего «по душе» вашему компьютеру - высокая частота работы или низкие задержки модулей. После чего переходите к тонкой настройке подсистемы памяти, поиску минимальных значений для субтаймингов, доступных для корректировки.