Vývoj modulů DRAM a operační paměti
16.10.2006, Lukáš Petříček, článek
Každý osobní počítač ji nezbytně potřebuje. Ano, řeč je o operační paměti nebo také krátce RAM - Random Access Memory. V dnešním článku se podíváme na historii a vývoj pamětí a paměťových modulů osobních počítačů.
Kapitoly článku:
- Vývoj modulů DRAM a operační paměti
- Základní specifikace pamětí a přehled technologií
- Typy a provedení paměťových modulů
- Další používané technologie a závěr
Paměti můžeme rozdělit z řady hledisek. Od přístupu k buňkám paměti, podle možnosti změny dat (možnosti zápisu), podle technologie realizace paměťové buňky nebo technologie výroby, podle organizace paměti a řady dalších kritérií. Aby bylo možné pamět použít jako pamět operační, budeme nutně potřebovat, aby data bylo z paměti možné nejen číst, ale také zapisovat. Taková pamět se označuje RWM (Read / Write Memory) a lze ji tedy používat jak pro čtení, tak pro zápis dat.
Jak již z názvu RAM (Random Access Memory) plyne, jedná se o paměť s náhodným přístupem. Většinu z Vás teď jistě napadne nejčastější další rozdělení RAM paměti, a to na pamět typu SRAM a DRAM. SRAM (neboli Static Random Access Memory) se sice vyznačuje vysokou rychlostí, nicméně vzhledem k energetické náročnosti a ceně (paměť SRAM zabírá na waferu podstatně více místa) se používá zejména jako cache procesorů. Dalším typem je dynamická pamět, neboli DRAM (Dynamic Random Access Memory). Cena a přijatelný výkon pamět typu DRAM ji předurčil jako hlavního kandidáta na pozici operační paměti nejen osobních počítačů, kde se dodnes právě jako operační paměť používá.
Paměť počítačů prošla dlouhým vývojem, zejména s ohledem na dostupné technologie, které jsou pro výrobu a konstrukci paměti nezbytné. Z historie RAM pamětí můžeme jmenovat například Williams-Kilburnovy trubice a feritové nebo bubnové paměti. Každá ze zmiňovaných pamětí měla svého času jisté výhody (většina tehdejších pamětí byla nevolatilní - informace byla uchována i po výpadku elektrického proudu), ale postupně došlo k jejich ústupu ve prospěch novějších technologií. K rychlému rozvoji paměti RAM došlo až s vynálezem DRAM paměti, tehdy tvořené pomocí technologie PMOS, která později dovolila výrazné snížení ceny a zároveň zvýšení kapacity a rychlosti paměti samotné.
Pohled do historie pamětí – feritová pamět z IBM 405
Vynálezcem dynamické paměti RAM je Robert Dennard, ačkoliv paměť samotná by samozřejmě nemohla vzniknout bez objevů jako tranzistor nebo kondenzátor. Informace je v paměti DRAM uložena pomocí elektrického náboje v kondenzátoru a jedná se tedy o přechodnou paměť (volatilní pamět), která musí být v pravidelných intervalech obnovována (tak zvaný „refresh“), jinak by došlo ke ztrátě informace. Pamět na základě kondenzátoru a tranzistoru, jak ji známe dnes, byla objevena v roce 1967 a její objev započal novou etapu vývoje kalkulátorů a osobních počítačů. V počítačích se paměť DRAM používá zhruba od roku 1970, kdy byl na trh uveden DRAM čip Intel 1103. Jednalo se o 1 kbit čip (integrovaný obvod), vyrobený technologií PMOS.
Byla to právě MOS technologie a technologie „křemíku“, které DRAM pamětem umožnily takový boom. Úvodní cena čipu 1103 byla okolo $200 a již tehdy pozorovatelný trend zvyšující se integrace naznačoval o jak perspektivní technologii vzhledem k ceně a zvyšování integrace se jedná.
Jedno z prvních nasazení této paměti od Intelu bylo například v HP 9800 od společnosti Hewlett-Packard. V následujících letech došlo k obrovskému růstu poptávky po tomto druhu paměti a v roce 1972 se již jednalo o nejprodávanější polovodičový paměťový čip na světě (během roku 1972 bylo Intelem vyrobeno přes 100 000 těchto čipů a stále se nedařilo uspokojovat poptávku). Vývoj počítačů a postupně expandující trh s IT společně s klesající cenou přilákal řadu dalších firem a způsobil rychlý rozvoj této technologie. Paměť DRAM prošla za svou historii dlouhým vývojem, nicméně postupy a směry v návrhu a výrobě konvenčních DRAM pamětí (integrovaných obvodů) jsou stále stejné – prioritní je stále maximální kapacita vzhledem k ploše čipu. Díky větší integraci a vývoji se ale za desítky let dostala od malých a pomalých 1 kbit „švábů“ až k dnešním rychlým modulům s vysokou kapacitou - řádově gigabytů na modul paměti.
Intel 1103 – 1Kbit DRAM
U moderních pamětí dochází k neustálému růstu kapacity, ale zvyšování rychlosti pamětí je problémovou záležitostí. Nové technologie jsou sice efektivnější a rychlejší než kdy předtím, ale rychlost pamětí roste stále podstatně pomaleji než výkon samotných procesorů. Výrobci a návrháři dnešních architektur procesorů musí tyto problémy řešit nejčastěji na úrovni jádra, například přidáním větší cache (a lepší predikcí), umístěním více modulů paměti do páru a přístup do paměti zprostředkovat po dvou kanálech (tak zvaný „Dual-channel“, který efektivně zdvojnásobí šířku pásma přístupu do paměti), nebo například integrací řadiče paměti do jádra procesoru. Rychlé paměti a paměťové čipy jsou nezbytné pro výkonné systémy, stále rychlejší procesory, grafické karty a řadu dalších zařízení.
V polovodičovém průmyslu vystupuje významně organizace JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), vydávající mimo jiné i standardy na poli rozhraní zařízení, jako jsou například standardy počítačové paměti RAM, včetně standardu DDR SDRAM a mnoha dalších. Má zhruba 270 členů včetně některých významnějších počítačových společností jako AMD, IBM, Intel, Samsung a řadu dalších firem...
Základem každého DRAM paměťového modulu je paměťový čip. Jak plyne z historie a vývoje počítačů, zejména díky ceně se prosadila architektura, která sdružuje několik čipů na jednom paměťovém modulu. Můžeme si položit otázku, proč právě paměťové moduly? Odpověď je poměrně jednoduchá - důvodem je cena a škálovatelnost této koncepce.
Moduly i jednotlivé typy pamětí se liší kapacitou, rychlostí, časováním, spotřebou elektrické energie a typickým použitím. Každá počítačová architektura má svoje specifikace, které samozřejmě i z hlediska pamětí je nutné dodržet. Pokud máme definovanou šířku sběrnice pro práci s pamětí, paměťové čipy i moduly mají definovanou řadu vstupů / výstupů, napájecí piny a určitou propustnost na datový pin, kdy k naplnění specifikací a pro korektní chod samozřejmě budeme potřebovat určité množství paměťových čipů, optimálně na jednom modulu paměti. Díky různé kapacitě (a zárověň velikosti) čipů tak lze nabídnout řadu možností a kapacit přesně na míru zákazníka.
Kapacita paměťových čipů, ovlivněna zejména jejich velikostí a dostupnou výrobní technologií (která je určující pro možnou dosažitelnou kapacitu čipu vzhledem k velikosti a ceně čipu), je limitující pro komerčně dostupnou velikost modulu. To je také důvod, kromě specifikací pamětí, modulů samotných a řadiče paměti, proč kapacita pro osobní počítače roste se zpožděním vůči například serverové oblasti, kde cena modulů není obvykle příliš limitující. Vliv zde má samozřejmě také řadič paměti, který takovou paměť musí umět obsloužit (případně i operační systém).
SPD – čip, který nám šetří práci
Paměťové čipy jsou dnes umístěny na modulu obvykle s dalším čipem, s tak zvaným SPD (Serial Presence Detect), kde jsou uloženy standardní informace o paměti jako její konfigurace, pracovní napětí či časování pro určitou pracovní frekvenci pamětí, apod. Díky SPD se tak většina uživatelů nemusí o nastavení časování paměti vůbec starat, protože nastavení dle výrobce zajistí právě informace uložené na SPD čipu. Ačkoliv časování můžeme obvykle nastavit manuálně v BIOSu, nastavení podle SPD má poskytnout optimální chod na většině systémů. Výrobce se pomocí SPD snaží zaručit korektní fukčnost pamětí bez nutnosti do časování jakkoliv zasahovat, i když někdy je zásah nezbytný (pro korektní chod na dané frekvenci a s odpovídajícím časováním). Existuje zde řada výjimek a občas je otázkou, na čí straně je vlastně chyba, ačkoliv obecné tendence jsou takové, že nejčastěji dáváme vinu pamětem (a asi ne vždy oprávněně).
Jak již z názvu RAM (Random Access Memory) plyne, jedná se o paměť s náhodným přístupem. Většinu z Vás teď jistě napadne nejčastější další rozdělení RAM paměti, a to na pamět typu SRAM a DRAM. SRAM (neboli Static Random Access Memory) se sice vyznačuje vysokou rychlostí, nicméně vzhledem k energetické náročnosti a ceně (paměť SRAM zabírá na waferu podstatně více místa) se používá zejména jako cache procesorů. Dalším typem je dynamická pamět, neboli DRAM (Dynamic Random Access Memory). Cena a přijatelný výkon pamět typu DRAM ji předurčil jako hlavního kandidáta na pozici operační paměti nejen osobních počítačů, kde se dodnes právě jako operační paměť používá.
Paměť počítačů prošla dlouhým vývojem, zejména s ohledem na dostupné technologie, které jsou pro výrobu a konstrukci paměti nezbytné. Z historie RAM pamětí můžeme jmenovat například Williams-Kilburnovy trubice a feritové nebo bubnové paměti. Každá ze zmiňovaných pamětí měla svého času jisté výhody (většina tehdejších pamětí byla nevolatilní - informace byla uchována i po výpadku elektrického proudu), ale postupně došlo k jejich ústupu ve prospěch novějších technologií. K rychlému rozvoji paměti RAM došlo až s vynálezem DRAM paměti, tehdy tvořené pomocí technologie PMOS, která později dovolila výrazné snížení ceny a zároveň zvýšení kapacity a rychlosti paměti samotné.
Pohled do historie pamětí – feritová pamět z IBM 405
Pohled do historie DRAM
Vynálezcem dynamické paměti RAM je Robert Dennard, ačkoliv paměť samotná by samozřejmě nemohla vzniknout bez objevů jako tranzistor nebo kondenzátor. Informace je v paměti DRAM uložena pomocí elektrického náboje v kondenzátoru a jedná se tedy o přechodnou paměť (volatilní pamět), která musí být v pravidelných intervalech obnovována (tak zvaný „refresh“), jinak by došlo ke ztrátě informace. Pamět na základě kondenzátoru a tranzistoru, jak ji známe dnes, byla objevena v roce 1967 a její objev započal novou etapu vývoje kalkulátorů a osobních počítačů. V počítačích se paměť DRAM používá zhruba od roku 1970, kdy byl na trh uveden DRAM čip Intel 1103. Jednalo se o 1 kbit čip (integrovaný obvod), vyrobený technologií PMOS.
Byla to právě MOS technologie a technologie „křemíku“, které DRAM pamětem umožnily takový boom. Úvodní cena čipu 1103 byla okolo $200 a již tehdy pozorovatelný trend zvyšující se integrace naznačoval o jak perspektivní technologii vzhledem k ceně a zvyšování integrace se jedná.
Jedno z prvních nasazení této paměti od Intelu bylo například v HP 9800 od společnosti Hewlett-Packard. V následujících letech došlo k obrovskému růstu poptávky po tomto druhu paměti a v roce 1972 se již jednalo o nejprodávanější polovodičový paměťový čip na světě (během roku 1972 bylo Intelem vyrobeno přes 100 000 těchto čipů a stále se nedařilo uspokojovat poptávku). Vývoj počítačů a postupně expandující trh s IT společně s klesající cenou přilákal řadu dalších firem a způsobil rychlý rozvoj této technologie. Paměť DRAM prošla za svou historii dlouhým vývojem, nicméně postupy a směry v návrhu a výrobě konvenčních DRAM pamětí (integrovaných obvodů) jsou stále stejné – prioritní je stále maximální kapacita vzhledem k ploše čipu. Díky větší integraci a vývoji se ale za desítky let dostala od malých a pomalých 1 kbit „švábů“ až k dnešním rychlým modulům s vysokou kapacitou - řádově gigabytů na modul paměti.
Intel 1103 – 1Kbit DRAM
U moderních pamětí dochází k neustálému růstu kapacity, ale zvyšování rychlosti pamětí je problémovou záležitostí. Nové technologie jsou sice efektivnější a rychlejší než kdy předtím, ale rychlost pamětí roste stále podstatně pomaleji než výkon samotných procesorů. Výrobci a návrháři dnešních architektur procesorů musí tyto problémy řešit nejčastěji na úrovni jádra, například přidáním větší cache (a lepší predikcí), umístěním více modulů paměti do páru a přístup do paměti zprostředkovat po dvou kanálech (tak zvaný „Dual-channel“, který efektivně zdvojnásobí šířku pásma přístupu do paměti), nebo například integrací řadiče paměti do jádra procesoru. Rychlé paměti a paměťové čipy jsou nezbytné pro výkonné systémy, stále rychlejší procesory, grafické karty a řadu dalších zařízení.
V polovodičovém průmyslu vystupuje významně organizace JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), vydávající mimo jiné i standardy na poli rozhraní zařízení, jako jsou například standardy počítačové paměti RAM, včetně standardu DDR SDRAM a mnoha dalších. Má zhruba 270 členů včetně některých významnějších počítačových společností jako AMD, IBM, Intel, Samsung a řadu dalších firem...
Paměťové moduly aneb z čeho se paměť skládá
Základem každého DRAM paměťového modulu je paměťový čip. Jak plyne z historie a vývoje počítačů, zejména díky ceně se prosadila architektura, která sdružuje několik čipů na jednom paměťovém modulu. Můžeme si položit otázku, proč právě paměťové moduly? Odpověď je poměrně jednoduchá - důvodem je cena a škálovatelnost této koncepce.
Moduly i jednotlivé typy pamětí se liší kapacitou, rychlostí, časováním, spotřebou elektrické energie a typickým použitím. Každá počítačová architektura má svoje specifikace, které samozřejmě i z hlediska pamětí je nutné dodržet. Pokud máme definovanou šířku sběrnice pro práci s pamětí, paměťové čipy i moduly mají definovanou řadu vstupů / výstupů, napájecí piny a určitou propustnost na datový pin, kdy k naplnění specifikací a pro korektní chod samozřejmě budeme potřebovat určité množství paměťových čipů, optimálně na jednom modulu paměti. Díky různé kapacitě (a zárověň velikosti) čipů tak lze nabídnout řadu možností a kapacit přesně na míru zákazníka.
Kapacita paměťových čipů, ovlivněna zejména jejich velikostí a dostupnou výrobní technologií (která je určující pro možnou dosažitelnou kapacitu čipu vzhledem k velikosti a ceně čipu), je limitující pro komerčně dostupnou velikost modulu. To je také důvod, kromě specifikací pamětí, modulů samotných a řadiče paměti, proč kapacita pro osobní počítače roste se zpožděním vůči například serverové oblasti, kde cena modulů není obvykle příliš limitující. Vliv zde má samozřejmě také řadič paměti, který takovou paměť musí umět obsloužit (případně i operační systém).
SPD – čip, který nám šetří práci
Paměťové čipy jsou dnes umístěny na modulu obvykle s dalším čipem, s tak zvaným SPD (Serial Presence Detect), kde jsou uloženy standardní informace o paměti jako její konfigurace, pracovní napětí či časování pro určitou pracovní frekvenci pamětí, apod. Díky SPD se tak většina uživatelů nemusí o nastavení časování paměti vůbec starat, protože nastavení dle výrobce zajistí právě informace uložené na SPD čipu. Ačkoliv časování můžeme obvykle nastavit manuálně v BIOSu, nastavení podle SPD má poskytnout optimální chod na většině systémů. Výrobce se pomocí SPD snaží zaručit korektní fukčnost pamětí bez nutnosti do časování jakkoliv zasahovat, i když někdy je zásah nezbytný (pro korektní chod na dané frekvenci a s odpovídajícím časováním). Existuje zde řada výjimek a občas je otázkou, na čí straně je vlastně chyba, ačkoliv obecné tendence jsou takové, že nejčastěji dáváme vinu pamětem (a asi ne vždy oprávněně).
