Оперативная память, или ОЗУ — одна из ключевых составляющих любого компьютера. Знаком момент, когда звуки в DOOM 3 или Heroes of Might & Magic V начинают заикаться, картинка на мгновение замирает, а со стороны системного блока раздается треск? Виновник недоразумения чаще всего не слабый процессор или устаревшая видеокарта, а именно оперативная память.

Чем больше «оперативки», и чем быстрее она работает, тем шустрее компьютер обрабатывает большие объемы информации... Казалось бы, все просто. Но нет.

Расшифровка терминов

SIMM (Single In line Memory Module) — модули памяти DRAM с одним рядом контактов. DIMM (Dual In line Memory Module) — модули памяти SDRAM с двумя рядами контактов, применяться впервые стали с процессорами Pentium II. SDRAM (Single Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) — синхронная динамическая память с произвольным доступом. Используется в качестве ОЗУ; при отключении питания данные теряются безвозвратно. К этому типу памяти относятся модули SDR, DDR и DDR2. Синхронность означает, что процессор точно «знает», в каком такте ОЗУ выдаст требуемую информацию. Ранее использовались менее совершенные асинхронные типы памяти. SDR (Single Data Rate) — предшественница DDR и DDR2, в конце девяностых пользовалась огромной популярностью. Напряжение питания 3,3 В, количество контактов составляло 168. DDR (Double Data Rate) — построена на основе SDRAM и работает в два раза быстрее. Напряжение питания 2,5 В, количество контактов — 184. DDR2 (Double Data Rate 2) — стандарт принципиально не отличается от предшественников. Напряжение питания 1,8 В, количество контактов — 230. Статическая память (SRAM) — работает намного быстрее, не требует перезарядки и использует в шесть раз больше транзисторов, чем динамическая. Одна из областей применения — кэш-память для процессоров. Динамическая память (DRAM) — используется в ОЗУ, видео- и звуковых картах и т.п. Требуется постоянная перезарядка конденсаторов (ячеек памяти) для сохранения заряда. От статической памяти выгодно отличается малыми размерами и низкой себестоимостью. Тактовая частота — измеряется в герцах (число тактов в секунду) и косвенно характеризует скорость. За один такт выполняются элементарные действия. Частота 25 Гц означает скорость обработки 25 действий в секунду.

DIMM, SDRAM и... DDR

Компьютеры во время вычислений активно используют оперативную память для хранения программного кода и данных. На заре становления техники, в первой половине XX века, когда нобелевский лауреат Вильям Шоттки только разрабатывал транзисторы, для создания ОЗУ использовали катодные лампы, применялась также память на небольших ферритовых электромагнитных сердечниках. Базовые принципы, заложенные еще тогда, сохранились и по сей день.

Особенности оперативной памяти — высокая скорость работы по сравнению с жестким диском и зависимость от электрического тока. Последнее проявляется так: если отключить электричество, вся несохраненная информация будет безвозвратно утеряна.

Банк памяти состоит из матриц, в свою очередь состоящих из строк и столбцов с ячейками.

Сегодня компьютеры работают с DDR SDRAM и DDR2 SDRAM. Память производят на базе микросхем динамического типа с произвольной выборкой (Dynamic Random Access Memory, DRAM), данные хранятся в ячейках памяти, которые состоят из транзистора и конденсатора. Наличие заряда в ячейке означает единицу, отсутствие — ноль. Со временем конденсаторы разряжаются. В процессе работы на модули памяти посылают электрический ток, который обновляет заряд, тем самым регенерируя память. Вот почему данный тип памяти называют динамическим.

Логично, что раз есть динамическая, значит, существует и противоположность — статическая память (Static RAM, SRAM). Она дорога, зато обладает высоким быстродействием. Обычно ее используют в качестве кэш-памяти в процессорах. Она не требует постоянной регенерации. Элементарная ячейка использует так называемый статический триггер, состоящий из нескольких транзисторов. Динамическая память проигрывает в скорости, но зато характеризуется высокой плотностью записи.

Модули памяти DDR и DDR2 снабжаются двумя рядами контактов и устанавливаются в DIMM-разъемы. Обычно их количество варьируется от 2 до 4. Собственно DDR и DDR2 SDRAM — это второе и третье поколение памяти SDRAM (первое называлось просто SDR). Новые поколения характеризуются меньшим потреблением энергии и большей пропускной способностью, нежели их предшественники.

Больше — значит лучше?

Основной принцип работы с ОЗУ таков — вначале информация считывается с жесткого диска или оптического привода, затем данные поступают в ОЗУ, которая состоит из модулей оперативной памяти (планка памяти). Полученную от ОЗУ информацию процессор обсчитывает и направляет на видеокарту, звуковой контроллер или иное устройство.

Данные между оперативной памятью и процессором курсируют по нехитрой цепочке: процессор — системная шина (front system bus, FSB) — контроллер памяти — шина памяти — ОЗУ. Современные процессоры компании AMD содержат встроенный контроллер памяти и для работы с памятью не задействуют системную шину. Платформы от Intel, наоборот, используют системную шину, которая связывает процессор и северный мост, где в числе прочих находится контроллер памяти. Шины характеризуются разрядностью, выражающейся в битах, и частотой работы.

Реалистичная графика в современных играх требует не только быстрого процессора и видеокарты, но и большого объема оперативной памяти. Еще бы, ведь и на персонажей, и на дома с деревьями всегда «надеты» детализированные текстуры. Для этой красоты в итоге требуется не менее гигабайта ОЗУ (а лучше два). Если же памяти недостаточно, система обращается к файлу подкачки на жестком диске. Выразиться это может в резком падении кадров и заикании звука — ведь скорость винчестера даже по порядку не сравнится со скоростью «оперативки».

Современные материнские платы поддерживают до 16 Гбайт памяти.

Сам файл подкачки создан не только затем, чтобы расширить объем памяти, но и чтобы оптимизировать ее использование. При загрузке компьютера операционная система создает виртуальное продолжение ОЗУ на жестком диске — swap file, куда записывает часто используемые, но не нужные в данный момент данные. К примеру, если поработать в MS Word, а затем включить игру, информация, связанная с текстовым редактором, останется в файле подкачки. Таким образом, ОЗУ полностью окажется в распоряжении игры. Но, как бы там ни было, когда требуется 512 Мбайт ОЗУ, а в наличии всего 256, обращений к диску в процессе работы не избежать.

Часть оперативной памяти (128-256 Мбайт) всегда занята служебными программами (драйверами, сервисами), которые ни при каких условиях не выгружаются в файл подкачки. И тут как раз надо быть осторожнее, все чаще программы забивают память далеко не самыми нужными вещами — различными агентами, «ускорителями интернета» и т.п. Рекомендуем периодически производить зачистку системы от всего этого мусора.

На заметку: новые материнские платы позволяют установить до 8, а то и до 16 Гбайт ОЗУ, но такой объем памяти на сегодняшний день востребован лишь серверами. Для игр вполне достаточно 1-2 Гбайт — дальнейшее ее расширение уже не даст прироста производительности.

Технология скорости

Модули оперативной памяти характеризуются временем задержек и пропускной способностью. Быстродействие памяти можно повысить, регулируя подаваемое напряжение питания, путем увеличения тактовой частоты или за счет уменьшения задержек. Особенность модулей памяти такова, что при повышении частоты приходится увеличивать задержки. Чтобы получить прибавку в производительности, память можно «разогнать»: это наиболее дешевый вариант. Альтернатива — выбирать более дорогие модели с высокими частотами и низкими задержками от таких компаний, как Corsair, OCZ или Patriot.

Но вернемся к теории: каждый модуль SDRAM передает за такт 8 байт, DDR и DDR2 вдвое больше — 16 байт. Пропускная способность памяти выражается произведением частоты системной шины на количество данных, которые модуль передает за такт. Для удобства производители указывают параметр PC XXXX, где X означает пиковую пропускную способность модуля. Производители памяти обычно указывают не физическую частоту памяти, а эффективную. То есть модуль DDR400 физически работает на частоте 200 МГц.

Чтобы узнать объем данных, который ежесекундно способна «переваривать» оперативная память DDR400, необходимо умножить реальную частоту — 200 МГц — на количество данных, передаваемых за такт (16 байт). Получится рейтинг PC3200, то есть 3200 Мбайт/с.

Временные задержки между операциями с данными возникают при обращении контроллера памяти к ОЗУ. Измеряются они в тактах. Всего видов задержек более 30, некоторые материнские платы позволяют изменять треть из них, однако паниковать не стоит — наиболее важны только 4, которые производители указывают в следующем порядке: CL, RCD, RP, RAS. Например: 4-4-4-12.

Операции чтения и записи в оперативной памяти осуществляются электрическими импульсами (тактами). Чем меньше задержки между импульсами, тем быстрее работает память.

В микросхеме SPD (Serial Presence Detect), стоящей рядом с чипами памяти, записана техническая информация о модуле, в том числе и оптимальные значения задержек для разных частот. BIOS системной платы считывает их и выставляет по умолчанию, но в большинстве случаев есть возможность вручную установить другие значения. Будет ли модуль после этого работать, выясняется лишь экспериментально.

Матрица и банки

Пространство памяти выглядит как набор двумерных матриц с множеством строк и столбцов. Они заполнены ячейками, хранящими значения 1 или 0. Одна матрица называется страницей, несколько — банком.

Например, маркировка Module: 128Mx64 говорит о том, что модуль памяти включает 64 области памяти емкостью 128 Мбит (16 Мбайт), суммарный объем — 1024 Мбайт. Области памяти разделяют не физически, а логически. То есть на описанный нами модуль приходится 16 чипов памяти конфигурации 64Mх8, по восемь на каждой стороне.

Для повышения скорости обычно чип памяти виртуально разбивают на логические банки (2 или 4). В этом случае используют прием доступа с чередованием банков (Bank Interleave), в итоге операции чтения и записи данных ускоряются.

Вдвоем — веселее!

Контроллер памяти в обычном режиме умеет общаться одновременно лишь с одним модулем ОЗУ. Если планок несколько, то он, как шахматный гроссмейстер, который дает сеанс одновременной игры, станет работать с ними поочередно — сначала опросит один модуль памяти, затем перейдет к следующему.

Двухканальный режим реализован во всех современных материнских платах. Он позволяет получить прибавку в производительности. Модули памяти при этом должны работать на одинаковой скорости (частота и задержки), в противном же случае более быстрый подстроится к медленному. Кстати, в продаже встречаются уже готовые комплекты памяти для двухканального режима. В этом случае производитель гарантирует совместимость модулей.

Как не заблудиться в магазине?

Покупая комплект памяти для двухканального режима, обратите внимание на то, чтобы модули были двусторонними. Также смотрите на задержки — чем меньше, тем лучше.

Оперативную память, в разнообразии представленную на рынке, разделим на три ценовые группы.

Самая дорогая память отличается не только высокой частотой и низкими задержками, но и наличием радиатора.

Самая щадящая по отношению к семейному бюджету серия несет хорошо всем знакомое обозначение NoName. Никто и не собирается гарантировать, что модули заработают с вашей системной платой, а о разгоне лучше и не думать вовсе.

Так называемую mainstream-память выпускает множество известных и не очень производителей, например, Samsung, Hynix, Micron. Модули совместимы с большинством материнских плат и показывают неплохие результаты при разгоне.

Третья группа — самая дорогая память. Такие модули памяти прекрасно подходят для разгона и рассчитаны на работу на высоких частотах при низких задержках. Некоторые модули поставляются с радиаторами, отводящими тепло, — логично, что более мощные микросхемы и греются сильнее.

Но если вы решили собрать мощный игровой компьютер, не спешите покупать самую дорогую память. Прибавка в производительности, скорее всего, затрат не оправдает. Задуматься о ней стоит разве что в том случае, если вы всерьез собираетесь разгонять систему.

Футурологический прогноз

На горизонте у нас маячит множество интересных технологий, которые могут прийти на смену современным типам памяти. Так, в начале лета компании Intel и ST Microelectronics объявили о создании 128-мегабитных чипов памяти с изменением фазового состояния (PCM, Phase Change Memory). Вместо конденсатора в ячейке находится вещество халькогенид, которое под действием тока переходит из непроводящего аморфного состояния в проводящее кристаллическое. При отключении тока данные сохраняются, так что в будущем такие чипы потенциально могут заменить и ОЗУ, и флэш-память! Который год привлекает к себе внимание технология FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory, ферроэлектрическая память с произвольным доступом). Первую микросхему создали в лаборатории компании Symetrix еще в 1992 году. Чипы памяти используют ячейки с ферромагнитными конденсаторами, которые обеспечивают значительно более высокую скорость работы, нежели DDR2 и DDR3. Как и PCM, FeRAM способна хранить данные при отключении тока. Применяется FeRAM ограниченно — в мелких устройствах типа RFID-тэгов. На данный момент разработано несколько типов FeRAM, наибольший интерес вызывает изобретение ученых университета Дрекслера. Они предложили использовать для изоляции элементов чипа памяти молекулы воды, предотвращающие электрические наводки между близкими ячейками. Теоретическая емкость водной FeRAM, мягко говоря, шокирует — 12,8 млн. Гбайт на квадратный сантиметр! О практическом внедрении FeRAM в компьютерах говорилось много, но результат пока что нулевой. Еще один перспективный проект — память на базе нанотрубок, также энергонезависимая и очень быстрая. В конце прошлого века ученые открыли пятую аллотропную форму углерода (известны алмаз, графит, карбин и сажа) — фуллерены, из которых можно получать трубки толщиной в один атом. Нанотрубки в определенных условиях передают электрический ток (переносят электроны) или меняют форму. Компания Nantero обещала представить работоспособные модули памяти с транзисторами на нанотрубках уже в 2007 году.

Ожидается, что память DDR2 в этом году практически окончательно потеснит DDR и станет самым продаваемым типом ОЗУ, в конце этого — начале следующего года стоит готовиться к пришествию третьего поколения DDR. Новейшие модули будут работать на частоте до 1600 МГц и потреблять меньше энергии. Чтобы не повторить конфуза, который был во время старта DDR2 SDRAM, когда новые модули памяти проигрывали обычной DDR400, производители обещают учесть ошибки и основательно подготовиться. Первые опытные образцы DDR3 уже представили Elpida и A-DATA...