Что такое энергозависимая память

Энергозависимой памятью является компьютерная память, требующая для хранения информации наличия электроэнергии (в отличие от энергонезависимой). Пока источник питания подключен к этому виду памяти, данные сохраняются. Как только тот отключается, информация быстро теряется.

Существует несколько областей применения энергозависимых запоминающих устройств. Они даже могут использоваться в качестве основного хранилища данных. Ключевым их преимуществом перед жесткими дисками является быстрая скорость обмена информацией. Кроме того, свойство энергозависимости помогает защитить сведения ограниченного доступа, поскольку они становятся недоступными при отключении источника питания. Большинство видов оперативной памяти (Random-Access Memory, RAM) — энергозависимые.

Существуют следующие основные виды энергозависимой памяти:

• статическая;
• динамическая.

Статическая память

Главное преимущество статической оперативной памяти (Static RAM, SRAM) заключается в том, что она намного быстрее динамической. Ее недостаток — высокая цена. Статической памяти не требуется постоянная регенерация. Но в то же время она нуждается в непрерывном токе для поддержания разности напряжений. Для хранения одного бита информации чип статической памяти использует ячейку из 6 транзисторов.

Четыре транзистора M1-M4 формируют 2 инвертора с перекрестными обратными связями и непосредственно применяются для хранения одного бита данных. Ячейка памяти имеет 2 устойчивых состояния, которые нужны для хранения 0 или 1. Дополнительные два транзистора управляют доступом к ячейке памяти во время операций считывания и записи данных.

Энергопотребление статической памяти

Энергопотребление зависит от того, как часто осуществляется доступ к статической энергозависимой памяти, но в целом имеет небольшое значение. Иногда она может потреблять столько же электроэнергии, сколько динамическая память (при использовании на высоких частотах). С другой стороны, при нахождении в состоянии ожидания она потребляет совсем небольшое количество электроэнергии: несколько микроватт.

Применение статической памяти

Встроенная в чип статическая память применяется:

• как оперативная память или кэш-память в 32-битных микроконтроллерах;
• как основная кэш-память в мощных процессорах, например, семейства Х86;
• в интегральных схемах специального назначения (ASIC);
• в программируемых пользователем вентильных матрицах (FPGA);
• в программируемых логических интегральных микросхемах (ПЛИС, CPLD).

Кроме того, статическая энергозависимая память используется:

• в научных и промышленных подсистемах, в автомобильной электронике;
• в персональных компьютерах, маршрутизаторах и периферийном оборудовании в качестве внутренней кэш-памяти процессора и буфера жесткого диска или маршрутизатора;
• в жидкокристаллических дисплеях (LCD-дисплеях) и принтерах для хранения отображаемого или печатаемого изображения.

Преимущества и недостатки статической памяти

Плюсы:

• невысокое энергопотребление;
• простота (не требуется наличия схемы регенерации);
• надежность.

Минусы:

• высокая стоимость;
• небольшая емкость;
• большие размеры;
• изменяющееся энергопотребление.

Динамическая память

Несмотря на то что оба вида энергозависимой памяти требуют наличия электрического тока для сохранения данных, они имеют некоторые различия. Динамическое оперативное запоминающее устройство (динамическое ОЗУ, DRAM) имеет большую популярность вследствие своей эффективности и стоимости. Для хранения одного бита информации в DRAM на интегральной микросхеме используется один конденсатор и один транзистор. Это позволяет эффективно применять пространство интегральной схемы и делает названный вид памяти недорогим.

Регенерация памяти

Процесс периодического считывания информации из ячеек компьютерной памяти и немедленной ее перезаписи в эти же ячейки без изменения называется регенерацией памяти. Это фоновый процесс для сохранения данных в динамической энергозависимой памяти. Он является определяющей характеристикой для такой разновидности.

Информация в динамической памяти хранится в виде наличия или отсутствия заряда на миниатюрном конденсаторе. С течением времени заряд уменьшается. Поэтому если данные своевременно не регенерировать, их можно полностью потерять. Для защиты от потери данных осуществляются их периодическое считывание и перезапись с помощью внешней схемы. В результате заряд конденсатора восстанавливается до исходного состояния.

Виды динамической памяти

Асинхронная динамическая память — первый тип DRAM, появившийся в конце 1960-х годов. Активно применялся до 1997 года, пока не был заменен синхронной DRAM. Память названа асинхронной вследствие того, что доступ к ней не синхронизируется с тактовым сигналом компьютерной системы.

Синхронная динамическая память нашла широкое применение в современных механизмах. Данный вид энергозависимой памяти компьютера отвечает на сигналы чтения и записи синхронно с сигналом системного тактового генератора. Синхронная память работает на более высоких скоростях по сравнению с асинхронной. С 1993 года этот тип является преобладающим в персональных компьютерах пользователей по всему миру.

Изначально синхронная динамическая память называлась SDRAM. В дальнейшем скорость передачи данных увеличилась в 2 раза и на рынке память появилась под названием DDR1. В дальнейшем были выпущены DDR2, DDR3 и DDR4. Последнее поколение (DDR4) было создано во второй половине 2014 года. В марте 2017 года началась разработка энергозависимых устройств памяти DDR5.