Память компьютера - один из ключевых компонентов, без которого невозможна работа не только отдельных программ, но и всей системы в целом. Современные компьютеры используют несколько уровней иерархической памяти для оптимального сочетания таких параметров, как объем хранения, скорость обращения, стоимость и энергопотребление.
Постоянная и перезаписываемая память
По возможности многократной перезаписи информации все виды памяти делятся на два класса:
- Постоянная память (ROM - Read Only Memory) - информация записывается один раз и не может быть изменена в процессе работы.
- Перепрограммируемая (RNS - Rewritable Nonvolatile Storage) - данные можно произвольное число раз стирать и перезаписывать. Сюда относится большинство современных видов памяти.
Главное отличие постоянной памяти - это невозможность ее модификации пользователем после записи данных. Она используется для хранения системных данных, нужных для загрузки и запуска компьютера. Например, BIOS или микрокод процессора.
Перезаписываемая память гораздо универсальнее. Она позволяет легко сохранять, изменять и удалять любые пользовательские файлы. Примеры: ОЗУ, HDD, SSD, USB.
Виртуальная память
Для расширения возможностей ограниченного объема оперативной памяти используется виртуальная память. Суть ее работы - автоматическое перемещение неактивных данных с оперативки на жесткий диск. А освободившееся место заполняется активными процессами.
Это позволяет запустить больше программ одновременно за счет использования свободного пространства на HDD или SSD. Однако обращение к данным, перенесенным в виртуальную память, замедляется в разы.
Кэш-память
Для сокращения разрыва в скорости между оперативной и внешней памятью используется промежуточный буфер - кэш-память (от англ. cache). Это небольшой по объему высокоскоростной буфер данных, часто обращающихся в последнее время.
Кэш бывает нескольких уровней, от L1 до L3. Чем он ближе к ядру процессора, тем выше скорость, но ниже емкость. И наоборот. Например, L3 может иметь объем до 25 Мб, а L1 - не больше 1 Мб.
Статическая и динамическая память
ОЗУ делится на два типа - статическое (SRAM) и динамическое (DRAM).
В статической памяти используются бистабильные триггеры - ячейки, которые сохраняют свое состояние (0 или 1), пока подано питание. Обращение к SRAM происходит быстрее, чем к DRAM, но стоимость выше.
В динамической памяти для хранения бита используется электрический заряд в ячейке. Из-за утечек заряд периодически нужно восстанавливать считыванием и записью ячейки. Поэтому DRAM медленнее, чем SRAM, зато дешевле при больших объемах.
Емкость и тактовая частота ОЗУ
Две ключевые характеристики оперативной памяти - объем (емкость) в мегабайтах или гигабайтах и частота в мегагерцах.
Первое определяет, сколько всего данных может поместиться в ОЗУ компьютера память. Чем выше объем, тем больше программ может быть запущено.
Второе - тактовая частота (или пропускная способность) ОЗУ, измеряется в мегагерцах (МГц) или миллиардах операций в секунду. Чем выше, тем быстрее идет обмен данными между ОЗУ и процессором.
Выбор оптимального ОЗУ
При выборе модулей оперативной памяти стоит обращать внимание на баланс между объемом, частотой и стоимостью. Их оптимальное соотношение зависит от задач, решаемых на ПК.
- Для офисных задач и веб-серфинга достаточно 8-16 Гб DDR4 на частоте 2666 MHz.
- В игровых ПК или рабочих станциях актуальны модули емкостью 32-64 Гб на частоте 3600 MHz.
- При ограниченном бюджете разумнее брать меньший объем памяти, но более высокого класса по частоте.
Расширение оперативной памяти
Существует два основных способа увеличить объем ОЗУ в компьютере или ноутбуке:
- Установка дополнительного модуля памяти в свободный слот.
- Замена штатного модуля на большего объема.
Первый способ проще и дешевле, но бывает, что все слоты уже задействованы. Тогда остается только второй вариант.
Загрузка данных в ОЗУ
При включении компьютера данные из постоянного ЗУПИ загружаются в ОЗУ следующим образом:
- Самозагрузка BIOS и выполнение процедур Power On Self Test для проверки железа
- Загрузка микрокода процессора, инициализация чипсета и контроллеров
- Поиск загрузочного устройства (жесткий диск, USB)
- Загрузка операционной системы в ОЗУ и запуск ядра
После этого компьютер готов выполнять инструкции пользователя по запуску программ.
Сбои и ошибки ОЗУ
Ненадежная работа оперативной памяти - одна из распространенных проблем. Причины:
- Накопление ошибок из-за радиации или электромагнитных помех
- Перегрев чипов при недостаточном охлаждении
- Неисправность материнской платы или разъемов
Диагностировать проблему можно с помощью утилит проверки ОЗУ (Memtest86) или перебором вариантов.
Резервное копирование данных ОЗУ
Из-за энергозависимости оперативной памяти, все данные в ней теряются при выключении питания компьютера. Чтобы этого избежать, используется резервное копирование ОЗУ.
Данные из оперативки с высокой частотой синхронизируются с жестким диском или флеш-накопителем. Если происходит аварийное отключение питания, то после перезагрузки восстанавливаются последние сохраненные версии файлов.
Такая защита реализуется как на аппаратном уровне с помощью источников бесперебойного питания, так и программно в операционных системах.
ОЗУ в мобильных устройствах
В смартфонах и планшетах используется энергоэффективная маломощная ОЗУ стандарта LPDDR4 (Low Power Double Data Rate). От DDR4 она отличается пониженным энергопотреблением и большей интеграцией в SoC (система на кристалле).
Объем ОЗУ в мобильных устройствах обычно составляет от 2 до 8 Гб. Этого достаточно для комфортной работы большинства приложений.
Память в игровых консолях
В игровых приставках, таких как PlayStation, Xbox, Nintendo Switch также используется выделенное оперативное ОЗУ объемом от 8 до 16 Гб с пропускной способностью до 448 Гб/с.
За счет оптимизации под конкретную аппаратную архитектуру этого достаточно для комфортного запуска современных требовательных игр в высоком разрешении и с плавной кадровой частотой.
Тенденции развития компьютерной памяти
Главные тренды в разработке новых типов ОЗУ и внешних накопителей данных:
- Увеличение плотности размещения ячеек памяти на кристалле
- Рост емкости микросхем при сохранении габаритов
- Повышение тактовых частот и пропускной способности
- Снижение энергопотребления и тепловыделения
Эти инновации позволят создавать компьютеры, смартфоны и дата-центры с еще большим быстродействием и функциональностью чем сегодня.
Новые технологии ОЗУ
Кроме традиционных типов DRAM и SRAM оперативной памяти, разрабатываются и новые более перспективные технологии:
- MRAM (Magnetoresistive RAM) - ячейки на магнитных переходах вместо конденсаторов
- FeRAM (Ferroelectric RAM) - использует сегнетоэлектрические материалы
- PRAM (Phase-change RAM) - ячейки на основе переходов халькогенидных стекол
- NRAM (Nano-RAM) - углеродные нанотрубки и мемристоры
Данные технологии обещают высочайшую плотность ячеек размещения, скорость, энергоэффективность и надежность. Однако пока находятся на стадии разработки и тестирования.
3D структуры ОЗУ
Актуальным направлением повышения емкости являются многоплоскостные 3D структуры оперативной памяти со сквозными кремниевыми виасами.
Это позволяет разместить до 8 плоских слоев чипов ОЗУ друг над другом с прямыми межсоединениями. Как результат - увеличение емкости модулей в разы при сохранении площади.
Квантовая память
Еще одним перспективным направлением являются разработки по созданию квантовой памяти на основе кубитов (квантовых бит).
Потенциал такой памяти - практически неограниченная емкость и скорость доступа за счет принципиально иных квантово-механических принципов хранения информации.
Биологическая память
Есть и экзотические экспериментальные разработки биологической памяти на основе бактерий и ДНК. Но пока они далеки от практического применения в ИТ.
Тем не менее, на стыке биотехнологий и информатики есть потенциал для создания совершенно новых вычислительных систем с невиданными характеристиками скорости и объема обработки данных.
