يحتوي كل كمبيوتر على ذاكرة وصول عشوائي (RAM)، سواء كانت مدمجة في المعالج أو جالسة على لوحة دائرة مخصصة موصولة بالنظام، لا يمكن لأجهزة الحوسبة ببساطة العمل بدونها. ذاكرة الوصول العشوائي هي إنجاز مذهل للهندسة الدقيقة، ومع ذلك يتم تصنيعها بكميات ملحمية كل عام. يمكنك إحصاء مليارات الترانزستورات فيه، لكن ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) تستخدم القليل من الطاقة فقط. بالنظر إلى مدى أهمية ذاكرة الوصول العشوائي الفائقة، يلزم إجراء تشريح مناسب.
لذلك دعونا نستعد للجراحة. حان الوقت للتنقيب في الخلايا ذاتها التي تشكل ذاكرة اليوم ونرى كيف يعمل كل شيء.
لهذا الشبب أنت الفن Wherefore art thou, RAM-eo
يجب أن تكون المعالجات قادرة على الوصول إلى البيانات والتعليمات بسرعة كبيرة، حتى يتمكنوا من الحفاظ على استمرار عمل البرنامج. يحتاجون أيضًا إلى القيام بذلك بطريقة إذا تم طلبه بشكل عشوائي أو غير متوقع، فلن يتأثر الأداء كثيرًا. هذا هو السبب في أهمية ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)- وهي اختصار لذاكرة الوصول العشوائي- في الكمبيوتر.
هناك نوعان رئيسيان من ذاكرة الوصول العشوائي: ثابت وديناميكي، أو SRAM و DRAM للاختصار.
سنركز على DRAM، حيث يتم استخدام SRAM داخل المعالجات فقط، مثل وحدة المعالجة المركزية أو وحدة معالجة الرسومات. إذن، أين يمكن أن نجد DRAM في أجهزة الكمبيوتر لدينا، وكيف يعمل؟
يعرف معظم الناس ذاكرة الوصول العشوائي نظرًا لوجود كومة كبيرة منها بجوار وحدة المعالجة المركزية مباشرةً. غالبًا ما تُعرف هذه المجموعة من DRAM باسم ذاكرة النظام، ولكن الاسم الأفضل سيكون ذاكرة وحدة المعالجة المركزية CPU memory، حيث إنها التخزين الرئيسي لبيانات العمل والتعليمات للمعالج.
لذلك دعونا نستعد للجراحة. حان الوقت للتنقيب في الخلايا ذاتها التي تشكل ذاكرة اليوم ونرى كيف يعمل كل شيء.
لهذا الشبب أنت الفن Wherefore art thou, RAM-eo
يجب أن تكون المعالجات قادرة على الوصول إلى البيانات والتعليمات بسرعة كبيرة، حتى يتمكنوا من الحفاظ على استمرار عمل البرنامج. يحتاجون أيضًا إلى القيام بذلك بطريقة إذا تم طلبه بشكل عشوائي أو غير متوقع، فلن يتأثر الأداء كثيرًا. هذا هو السبب في أهمية ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)- وهي اختصار لذاكرة الوصول العشوائي- في الكمبيوتر.
هناك نوعان رئيسيان من ذاكرة الوصول العشوائي: ثابت وديناميكي، أو SRAM و DRAM للاختصار.
سنركز على DRAM، حيث يتم استخدام SRAM داخل المعالجات فقط، مثل وحدة المعالجة المركزية أو وحدة معالجة الرسومات. إذن، أين يمكن أن نجد DRAM في أجهزة الكمبيوتر لدينا، وكيف يعمل؟
يعرف معظم الناس ذاكرة الوصول العشوائي نظرًا لوجود كومة كبيرة منها بجوار وحدة المعالجة المركزية مباشرةً. غالبًا ما تُعرف هذه المجموعة من DRAM باسم ذاكرة النظام، ولكن الاسم الأفضل سيكون ذاكرة وحدة المعالجة المركزية CPU memory، حيث إنها التخزين الرئيسي لبيانات العمل والتعليمات للمعالج.
كما ترى في الصورة أعلاه، توجد ذاكرة DRAM على لوحات دوائر صغيرة متصلة باللوحة الأم Motherboard. يُطلق على كل لوحة بشكل عام DIMM أو UDIMM، والتي تعني وحدة ذاكرة مضمنة مزدوجة (يتم إلغاء تخزين U). سنشرح ما يعنيه ذلك لاحقًا، ولكن في الوقت الحالي هذه هي ذاكرة الوصول العشوائي الأكثر وضوحًا في أي جهاز كمبيوتر.
لا يلزم أن تكون فائقة السرعة، ولكن أجهزة الكمبيوتر الحديثة تحتاج إلى مساحة كبيرة من الذاكرة للتعامل مع التطبيقات الكبيرة والتعامل مع مئات العمليات التي تعمل في الخلفية.
المنطقة التالية لعرض مجموعة من رقائق الذاكرة هي عادةً بطاقة الرسوميات. يحتاج إلى ذاكرة DRAM فائقة السرعة، لأن العرض ثلاثي الأبعاد ينتج عنه كمية هائلة من الوصول إلى البيانات والكتابة. تم تصميم هذا النوع من DRAM للعمل بطريقة مختلفة قليلاً عن النوع المستخدم في ذاكرة النظام.
هنا يمكننا أن نرى وحدة معالجة الرسومات محاطة بـ 12 لوحًا صغيرًا- هذه هي شرائح DRAM. على وجه التحديد، إنها نوع من الذاكرة تسمى GDDR5X، والتي سنبحث فيها لاحقًا.
لا يلزم أن تكون فائقة السرعة، ولكن أجهزة الكمبيوتر الحديثة تحتاج إلى مساحة كبيرة من الذاكرة للتعامل مع التطبيقات الكبيرة والتعامل مع مئات العمليات التي تعمل في الخلفية.
المنطقة التالية لعرض مجموعة من رقائق الذاكرة هي عادةً بطاقة الرسوميات. يحتاج إلى ذاكرة DRAM فائقة السرعة، لأن العرض ثلاثي الأبعاد ينتج عنه كمية هائلة من الوصول إلى البيانات والكتابة. تم تصميم هذا النوع من DRAM للعمل بطريقة مختلفة قليلاً عن النوع المستخدم في ذاكرة النظام.
هنا يمكننا أن نرى وحدة معالجة الرسومات محاطة بـ 12 لوحًا صغيرًا- هذه هي شرائح DRAM. على وجه التحديد، إنها نوع من الذاكرة تسمى GDDR5X، والتي سنبحث فيها لاحقًا.
لا تحتاج بطاقات الرسومات إلى ذاكرة كبيرة مثل وحدة المعالجة المركزية، لكنها لا تزال في حجمها آلاف الميجابايت.
لا يتطلب كل جهاز في الكمبيوتر هذا القدر: تحتاج محركات الأقراص الثابتة إلى كمية صغيرة من ذاكرة الوصول العشوائي ، 256 ميجا بايت في المتوسط ، لتجميع البيانات معًا قبل كتابتها على محرك الأقراص.
لا يتطلب كل جهاز في الكمبيوتر هذا القدر: تحتاج محركات الأقراص الثابتة إلى كمية صغيرة من ذاكرة الوصول العشوائي ، 256 ميجا بايت في المتوسط ، لتجميع البيانات معًا قبل كتابتها على محرك الأقراص.
في هذه الصور، يمكننا رؤية لوحة الدائرة من محرك أقراص ثابتة (يسار) و SSD (يمين)، حيث تم تمييز شريحة DRAM في كلا المثالين. لاحظ أنها مجرد شريحة واحدة؟ 256 ميجا بايت ليست كبيرة في هذه الأيام، لذا فإن قطعة واحدة من السيليكون هي كل ما هو مطلوب.
بمجرد أن تدرك أن أي مكون أو جهاز طرفي يحتاج إلى ذاكرة وصول عشوائي (RAM)، ستكتشف قريبًا أنه منقط حول الأجزاء الداخلية لأي جهاز كمبيوتر. تحتوي وحدات التحكم SATA و PCI Express على القليل من شرائح DRAM، تحتوي واجهة الشبكة وبطاقات الصوت أيضًا على ذلك، وكذلك الطابعات والماسحات الضوئية.
يبدو الأمر مملًا بعض الشيء عندما تراها في كل مكان، ولكن بمجرد الخوض في الأعمال الداخلية لذاكرة الوصول العشوائي ، فهي بالتأكيد ليست مهرجانًا للتثاؤب!
بمجرد أن تدرك أن أي مكون أو جهاز طرفي يحتاج إلى ذاكرة وصول عشوائي (RAM)، ستكتشف قريبًا أنه منقط حول الأجزاء الداخلية لأي جهاز كمبيوتر. تحتوي وحدات التحكم SATA و PCI Express على القليل من شرائح DRAM، تحتوي واجهة الشبكة وبطاقات الصوت أيضًا على ذلك، وكذلك الطابعات والماسحات الضوئية.
يبدو الأمر مملًا بعض الشيء عندما تراها في كل مكان، ولكن بمجرد الخوض في الأعمال الداخلية لذاكرة الوصول العشوائي ، فهي بالتأكيد ليست مهرجانًا للتثاؤب!
مشرط. مسحة. ميكروسكوب الكتروني Scalpel. Swab. Electron microscope
ليس لدينا وصول إلى نوع الأدوات التي يستخدمها مهندسو الإلكترونيات للتعمق في إبداعاتهم من أشباه الموصلات، لذلك لا يمكننا تفكيك شريحة DRAM الفعلية وإظهار الدواخل. ومع ذلك، فإن الأشخاص في TechInsights لديهم مثل هذه المعدات وأنتجوا هذه الصورة لسطح الرقاقة:
إذا كنت تفكر في أن هذا يشبه حقول المحاصيل المتصلة بالطرق ذات المسارات، فأنت لست بعيدًا عما هو موجود بالفعل! بدلاً من الذرة أو القمح، تتكون الحقول في DRAM في الغالب من مكونين إلكترونيين:
- مفتاح، على شكل MOSFET (ترانزستور تأثير مجال أشباه الموصلات المعدنية).
- بعض التخزين، يتم التعامل معه بواسطة مكثف الخندق trench capacitor.
معًا، يشكلون ما يسمى بخلية الذاكرة وتخزن كل واحدة بت واحد من البيانات. يظهر أدناه مخطط دائري تقريبي للخلية (نعتذر لجميع المهندسين الإلكترونيين!):
- مفتاح، على شكل MOSFET (ترانزستور تأثير مجال أشباه الموصلات المعدنية).
- بعض التخزين، يتم التعامل معه بواسطة مكثف الخندق trench capacitor.
معًا، يشكلون ما يسمى بخلية الذاكرة وتخزن كل واحدة بت واحد من البيانات. يظهر أدناه مخطط دائري تقريبي للخلية (نعتذر لجميع المهندسين الإلكترونيين!):
يمثل الخطان الأزرق والأخضر الوصلات التي تطبق جهدًا على MOSFET والمكثف. تُستخدم هذه لقراءة البيانات وكتابتها إلى الخلية، ويتم دائمًا تشغيل الخط الرأسي (خط البت the bit line) أولاً.
يعمل مكثف الخندق بشكل أساسي كدلو، ويمتلئ بالشحنة الكهربائية- تمنحك حالته الفارغة/ الكاملة تلك 1 بت من البيانات: 0 فارغ، 1 ممتلئ. على الرغم من الجهود الجبارة التي يبذلها المهندسون، لا تستطيع المكثفات الاحتفاظ بهذه الشحنة إلى الأبد وتتسرب بعيدًا بمرور الوقت.
هذا يعني أن كل خلية ذاكرة يجب أن يتم تحديثها بانتظام، ما بين 15 و 30 مرة في الثانية، على الرغم من أن العملية نفسها سريعة جدًا: لا يلزم سوى بضع نانو ثانية لمجموعة من الخلايا. لسوء الحظ، هناك الكثير من الخلايا في شريحة DRAM ولا يمكن قراءة الذاكرة أو الكتابة إليها أثناء شحنها احتياطيًا.
ترتبط خلايا متعددة بكل سطر، كما هو موضح أدناه.
يعمل مكثف الخندق بشكل أساسي كدلو، ويمتلئ بالشحنة الكهربائية- تمنحك حالته الفارغة/ الكاملة تلك 1 بت من البيانات: 0 فارغ، 1 ممتلئ. على الرغم من الجهود الجبارة التي يبذلها المهندسون، لا تستطيع المكثفات الاحتفاظ بهذه الشحنة إلى الأبد وتتسرب بعيدًا بمرور الوقت.
هذا يعني أن كل خلية ذاكرة يجب أن يتم تحديثها بانتظام، ما بين 15 و 30 مرة في الثانية، على الرغم من أن العملية نفسها سريعة جدًا: لا يلزم سوى بضع نانو ثانية لمجموعة من الخلايا. لسوء الحظ، هناك الكثير من الخلايا في شريحة DRAM ولا يمكن قراءة الذاكرة أو الكتابة إليها أثناء شحنها احتياطيًا.
ترتبط خلايا متعددة بكل سطر، كما هو موضح أدناه.
بالمعنى الدقيق للكلمة، هذا الرسم التخطيطي ليس مثاليًا لأنه يتم استخدام سطرين بت لكل عمود من الخلايا- سيكون الأمر معقدًا وفوضويًا بعض الشيء إذا قمنا بتضمين كل شيء، لذا فكر في الصور كنظرة عامة.
يُطلق على الصف الكامل من خلايا الذاكرة اسم صفحة ويختلف طولها بين أنواع وتكوينات DRAM. ستحتوي الصفحة الأطول على عدد أكبر من وحدات البت، ولكن يلزم مزيد من الطاقة الكهربائية لتشغيلها، تستخدم الصفحات الأقصر طاقة أقل، لكن مساحة التخزين أقل.
ومع ذلك، هناك عامل مهم آخر يجب مراعاته. عند القراءة أو الكتابة من/ إلى شريحة DRAM، فإن الخطوة الأولى في العملية هي تنشيط صفحة كاملة. يتم تخزين صف البتات (سلسلة من 0 و 1) في مخزن صف، وهو في الواقع مجموعة من المكبرات amplifiers والمزالج latches، بدلاً من ذاكرة أكبر. ثم يتم تنشيط العمود المطلوب، لسحب البيانات ذات الصلة من هذا المخزن المؤقت.
إذا كانت الصفحة صغيرة جدًا، فيجب تنشيط الصفوف بشكل متكرر لتلبية طلبات البيانات، من ناحية أخرى، ستغطي الصفحة الكبيرة أساسًا المزيد من القواعد، لذلك لن تحتاج إلى تنشيطها كثيرًا. على الرغم من أن الصف الطويل يحتاج إلى مزيد من القوة، وربما يكون أقل استقرارًا ، فمن الأفضل أن يكون لديك أكبر الصفحات التي يمكنك الحصول عليها.
يمنحنا تجميع مجموعة من الصفحات معًا بنكًا واحدًا من DRAM. كما هو الحال مع الصفحات، يلعب حجم صفوف وأعمدة الخلايا وترتيبها دورًا كبيرًا في مقدار البيانات التي يمكن تخزينها، ومدى سرعة تشغيلها، واستهلاك الطاقة، وما إلى ذلك.
قد يتكون أحد هذه الترتيبات من 4096 صفًا و 4096 عمودًا، مما يمنح أحد البنوك سعة تخزين إجمالية تبلغ 16777216 بت أو 2 ميجابايت. ولكن ليس كل شرائح DRAM لديها بنوكها في منظمة "مربعة square" حيث من الأفضل أن تحتوي على صفحات أطول، بدلاً من الأقصر. على سبيل المثال، قد ينتج عن مؤسسة مكونة من 16384 صفًا و 1024 عمودًا مساحة تخزين تبلغ 2 ميجابايت، ولكن تحتوي كل صفحة على بيانات تزيد بمقدار 4 أضعاف عن مثال المربع.
جميع الصفحات الموجودة في البنك متصلة بنظام عنوان الصف (وبالمثل للأعمدة) ويتم التحكم فيها عن طريق إشارات الأوامر والعناوين لكل صف/ عمود. كلما زاد عدد الصفوف والأعمدة الموجودة في البنك، زاد عدد وحدات البت اللازمة لاستخدامها في العنوان.
بالنسبة لبنك 4096×4096، يتطلب كل نظام عنونة 12 بتًا، بينما يحتاج البنك 16384×1024 إلى 14 بتًا لعنوان الصف و 10 بتات للأعمدة. لاحظ أن كلا النظامين يبلغ إجمالي حجمهما 24 بت.
قد يتكون أحد هذه الترتيبات من 4096 صفًا و 4096 عمودًا، مما يمنح أحد البنوك سعة تخزين إجمالية تبلغ 16777216 بت أو 2 ميجابايت. ولكن ليس كل شرائح DRAM لديها بنوكها في منظمة "مربعة square" حيث من الأفضل أن تحتوي على صفحات أطول، بدلاً من الأقصر. على سبيل المثال، قد ينتج عن مؤسسة مكونة من 16384 صفًا و 1024 عمودًا مساحة تخزين تبلغ 2 ميجابايت، ولكن تحتوي كل صفحة على بيانات تزيد بمقدار 4 أضعاف عن مثال المربع.
جميع الصفحات الموجودة في البنك متصلة بنظام عنوان الصف (وبالمثل للأعمدة) ويتم التحكم فيها عن طريق إشارات الأوامر والعناوين لكل صف/ عمود. كلما زاد عدد الصفوف والأعمدة الموجودة في البنك، زاد عدد وحدات البت اللازمة لاستخدامها في العنوان.
بالنسبة لبنك 4096×4096، يتطلب كل نظام عنونة 12 بتًا، بينما يحتاج البنك 16384×1024 إلى 14 بتًا لعنوان الصف و 10 بتات للأعمدة. لاحظ أن كلا النظامين يبلغ إجمالي حجمهما 24 بت.
إذا عرضت شريحة DRAM صفحة واحدة فقط في كل مرة، فلن تكون ذات فائدة كبيرة ، لذا فهي تحتوي على عدة بنوك من خلايا الذاكرة معبأة بها. اعتمادًا على الحجم الكلي، قد تحتوي الشريحة على 4 أو 8 أو حتى 16 بنكًا- التنسيق الأكثر شيوعًا هو أن يكون لديك 8.
تشترك جميع البنوك في نفس ناقل الأوامر والعنوان والبيانات، مما يبسط الهيكل العام لنظام الذاكرة. بينما ينشغل أحد البنوك في فرز أمر واحد، لا يزال بإمكان البنوك المختلفة تنفيذ عمليات أخرى.
يتم تغليف الشريحة بأكملها، التي تحتوي على البنوك والحافلات، في غلاف واقٍ ثم لحامها على لوحة دوائر كهربائية. يحتوي هذا على آثار كهربائية توفر الطاقة لتشغيل DRAM وإشارات الأوامر والعناوين والبيانات.
تشترك جميع البنوك في نفس ناقل الأوامر والعنوان والبيانات، مما يبسط الهيكل العام لنظام الذاكرة. بينما ينشغل أحد البنوك في فرز أمر واحد، لا يزال بإمكان البنوك المختلفة تنفيذ عمليات أخرى.
يتم تغليف الشريحة بأكملها، التي تحتوي على البنوك والحافلات، في غلاف واقٍ ثم لحامها على لوحة دوائر كهربائية. يحتوي هذا على آثار كهربائية توفر الطاقة لتشغيل DRAM وإشارات الأوامر والعناوين والبيانات.
في الصورة أعلاه، يمكننا أن نرى شريحة DRAM (تسمى أحيانًا وحدة نمطية) من صنع Samsung- ومن بين أفضل الشركات المصنعة الأخرى Toshiba و Micron و SK Hynix و Nanya. تعد Samsung أكبر منتج، حيث تمتلك ما يقرب من 40% من حصة السوق العالمية.
يستخدم كل منتج من منتجات DRAM نظام الترميز الخاص بهم لتحديد مواصفات الذاكرة، ولكن المثال أعلاه عبارة عن شريحة 1 جيجابت، تضم 8 بنوك من 128 ميجابت، مرتبة في 16384 صفًا و 8192 عمودًا.
يستخدم كل منتج من منتجات DRAM نظام الترميز الخاص بهم لتحديد مواصفات الذاكرة، ولكن المثال أعلاه عبارة عن شريحة 1 جيجابت، تضم 8 بنوك من 128 ميجابت، مرتبة في 16384 صفًا و 8192 عمودًا.
الاسم والرتبة أيها الجندي! Name and rank, soldier
تأخذ شركات الذاكرة العديد من شرائح DRAM وتضعها معًا على لوحة دائرة كهربائية واحدة تسمى DIMM. على الرغم من أن D تعني مزدوج، إلا أن هذا لا يعني وجود مجموعتين من الرقائق- بل إنها تشير إلى نقاط التلامس الكهربائية على طول الجزء السفلي من اللوحة، مع استخدام كلا الجانبين للتعامل مع الوحدات.
تختلف وحدات DIMM نفسها في الحجم وعدد الرقائق الموجودة عليها:
في الصورة أعلاه ، يمكننا أن نرى جهاز كمبيوتر سطح المكتب القياسي DIMM، في حين أن واحد تحته يسمى SO-DIMM (مخطط صغير DIMM). تم تصميم الوحدة الصغيرة لاستخدامها في أجهزة الكمبيوتر ذات الحجم الأصغر مثل الكمبيوتر المحمول أو سطح المكتب متعدد الإمكانات. وضع كل شيء في مساحة أصغر يحد من عدد الرقائق التي يمكن استخدامها ، والسرعة التي يعمل بها كل شيء، وما إلى ذلك.
هناك ثلاثة أسباب رئيسية لاستخدام شرائح ذاكرة متعددة على DIMM:
- يزيد من كمية التخزين المتاحة.
- يمكن الوصول إلى بنك واحد فقط في وقت واحد، لذا فإن وجود آخرين يعملون في الخلفية يحسن الأداء.
- يكون ناقل العنوان في المعالج الذي يتعامل مع الذاكرة أوسع من ناقل DRAM.
هذا الأخير مهم حقًا، لأن معظم شرائح DRAM تحتوي فقط على ناقل بيانات 8 بت. ومع ذلك ، فإن وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات مختلفة بعض الشيء: تحتوي وحدة المعالجة المركزية Ryzen 7 3800X من AMD على جهازي تحكم 64 بت مدمجين فيها، بينما تحتوي Radeon RX 5700 XT على ثمانية وحدات تحكم 32 بت.
لذلك يجب أن تحتوي كل وحدة ذاكرة DIMM يتم تثبيتها في كمبيوتر Ryzen على ثماني وحدات DRAM (8 شرائح × 8 بت = 64 بت). قد تعتقد أن بطاقة الرسومات 5700 XT ستحتوي على 32 شريحة ذاكرة، لكنها تحتوي فقط على 8. ما الذي يمنحك؟
رقائق الذاكرة المصممة للاستخدام في سيناريوهات الرسومات تحزم المزيد من البنوك في الشريحة، عادة 16 أو 32، لأن العرض ثلاثي الأبعاد يحتاج إلى الوصول إلى الكثير من البيانات في نفس الوقت.
هناك ثلاثة أسباب رئيسية لاستخدام شرائح ذاكرة متعددة على DIMM:
- يزيد من كمية التخزين المتاحة.
- يمكن الوصول إلى بنك واحد فقط في وقت واحد، لذا فإن وجود آخرين يعملون في الخلفية يحسن الأداء.
- يكون ناقل العنوان في المعالج الذي يتعامل مع الذاكرة أوسع من ناقل DRAM.
هذا الأخير مهم حقًا، لأن معظم شرائح DRAM تحتوي فقط على ناقل بيانات 8 بت. ومع ذلك ، فإن وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات مختلفة بعض الشيء: تحتوي وحدة المعالجة المركزية Ryzen 7 3800X من AMD على جهازي تحكم 64 بت مدمجين فيها، بينما تحتوي Radeon RX 5700 XT على ثمانية وحدات تحكم 32 بت.
لذلك يجب أن تحتوي كل وحدة ذاكرة DIMM يتم تثبيتها في كمبيوتر Ryzen على ثماني وحدات DRAM (8 شرائح × 8 بت = 64 بت). قد تعتقد أن بطاقة الرسومات 5700 XT ستحتوي على 32 شريحة ذاكرة، لكنها تحتوي فقط على 8. ما الذي يمنحك؟
رقائق الذاكرة المصممة للاستخدام في سيناريوهات الرسومات تحزم المزيد من البنوك في الشريحة، عادة 16 أو 32، لأن العرض ثلاثي الأبعاد يحتاج إلى الوصول إلى الكثير من البيانات في نفس الوقت.
تسمى مجموعة وحدات الذاكرة التي "تملأ fill" ناقل bus بيانات وحدة التحكم في الذاكرة بالرتبة rank، وعلى الرغم من أنه من الممكن أن يكون هناك أكثر من رتبة واحدة متصلة بوحدة تحكم، إلا أنها لا تستطيع سوى سحب البيانات من رتبة واحدة في أي وقت (لأنها كلها تستخدم نفس ناقل البيانات). هذه ليست مشكلة، لأنه بينما تنشغل إحدى الرتب في الاستجابة لتعليمات معينة، يمكن إطلاق مجموعة جديدة من الأوامر إلى رتبة أخرى.
يمكن أن تحتوي وحدات DIMM بالفعل على أكثر من رتبة واحدة، وهذا مفيد بشكل خاص إذا كنت بحاجة إلى قدر هائل من الذاكرة، ولكن لديك فقط عدد قليل نسبيًا من فتحات ذاكرة الوصول العشوائي على اللوحة الأم.
يمكن لما يسمى بالإعدادات ذات التصنيف المزدوج أو الرباعي أن تقدم أداءً عامًا أكثر من تلك المصنفة بشكل فردي، لكن تراكم الرتب يؤدي إلى زيادة الحمل لى النظام الكهربائي بسرعة. ستتعامل غالبية أجهزة كمبيوتر سطح المكتب مع رتبة أو رتبتين لكل وحدة تحكم. إذا كان النظام يحتاج إلى أكثر من ذلك، فمن الأفضل استخدام وحدات DIMM المخزنة: تحتوي هذه على شريحة إضافية على DIMM تعمل على تخفيف الحمل على النظام عن طريق تخزين الإرشادات والبيانات لبضع دورات قبل إرسالها إلى ما بعده.
يمكن أن تحتوي وحدات DIMM بالفعل على أكثر من رتبة واحدة، وهذا مفيد بشكل خاص إذا كنت بحاجة إلى قدر هائل من الذاكرة، ولكن لديك فقط عدد قليل نسبيًا من فتحات ذاكرة الوصول العشوائي على اللوحة الأم.
يمكن لما يسمى بالإعدادات ذات التصنيف المزدوج أو الرباعي أن تقدم أداءً عامًا أكثر من تلك المصنفة بشكل فردي، لكن تراكم الرتب يؤدي إلى زيادة الحمل لى النظام الكهربائي بسرعة. ستتعامل غالبية أجهزة كمبيوتر سطح المكتب مع رتبة أو رتبتين لكل وحدة تحكم. إذا كان النظام يحتاج إلى أكثر من ذلك، فمن الأفضل استخدام وحدات DIMM المخزنة: تحتوي هذه على شريحة إضافية على DIMM تعمل على تخفيف الحمل على النظام عن طريق تخزين الإرشادات والبيانات لبضع دورات قبل إرسالها إلى ما بعده.
ليست كل الرتب بحجم 64 بت أيضًا- غالبًا ما تكون وحدات DIMM المستخدمة في الخوادم ومحطات العمل 72 بت، مما يعني أنها تحتوي على وحدة DRAM إضافية عليها. لا توفر الشريحة الإضافية مزيدًا من التخزين أو الأداء، بدلاً من ذلك، يتم استخدامه لفحص الأخطاء وتصحيحها (ECC).
تذكر أن جميع المعالجات تحتاج إلى ذاكرة للعمل؟ حسنًا، في حالة ذاكرة الوصول العشوائي ECC، يتم إعطاء الجهاز الصغير الذي يقوم بالعمل وحدة خاصة به.
لا يزال عرض ناقل البيانات في هذه الذاكرة 64 بتًا فقط، ولكن تم تحسين موثوقية البيانات بشكل كبير. إن استخدام المخازن المؤقتة و ECC لا يضر إلا قليلاً من الأداء العام ، ولكنه يضيف قليلاً إلى التكلفة.
تذكر أن جميع المعالجات تحتاج إلى ذاكرة للعمل؟ حسنًا، في حالة ذاكرة الوصول العشوائي ECC، يتم إعطاء الجهاز الصغير الذي يقوم بالعمل وحدة خاصة به.
لا يزال عرض ناقل البيانات في هذه الذاكرة 64 بتًا فقط، ولكن تم تحسين موثوقية البيانات بشكل كبير. إن استخدام المخازن المؤقتة و ECC لا يضر إلا قليلاً من الأداء العام ، ولكنه يضيف قليلاً إلى التكلفة.
أشعر بالحاجة- الحاجة إلى السرعة! I feel the need- the need for speed
تحتوي جميع DRAM على ساعة إدخال/ إخراج مركزية (إدخال/ إخراج)، وهو جهد يتغير باستمرار بين مستويين، ويستخدم هذا لتنظيم كل ما يحدث في شريحة الذاكرة والحافلات.
إذا عدنا بالزمن إلى عام 1993، فستتمكن من شراء ذاكرة على شكل SDRAM (ذاكرة DRAM متزامنة)، والتي قامت بترتيب جميع العمليات باستخدام الفترة الزمنية التي تتغير فيها الساعة من حالة منخفضة إلى حالة عالية. نظرًا لأن هذا يحدث بسرعة كبيرة، فإنه يوفر طريقة دقيقة للغاية للإشارة إلى وقت وقوع الأحداث. كان SDRAM في ذلك الوقت يحتوي على ساعات I/O التي تعمل عادةً من 66 إلى 133 ميجاهرتز، ولكل نقطة على مدار الساعة، يمكن إصدار تعليمات واحدة إلى DRAM. في المقابل، يمكن للرقاقة نقل 8 بتات من البيانات في نفس الفترة الزمنية.
شهد التطور السريع لـ SDRAM، بقيادة شركة Samsung، ظهور شكل جديد منه في عام 1998. لقد تم توقيت عمليات نقل البيانات عند صعود وهبوط جهد الساعة، لذلك بالنسبة لكل علامة في تلك الساعة، يمكن إرسال البيانات من وإلى مرتين DRAM.
اسم هذه التكنولوجيا الجديدة المثيرة؟ ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية مزدوجة معدل البيانات. يمكنك أن ترى لماذا أطلق عليها الجميع اسم DDR-SDRAM أو DDR باختصار.
أصبحت ذاكرة DDR هي القاعدة بسرعة (تسببت في إعادة تسمية SDRAM الأصلي بمعدل بيانات واحد SDRAM و SDR-DRAM) وكانت الدعامة الأساسية لجميع أنظمة الكمبيوتر لمدة 20 عامًا.
ساعدت التطورات في التكنولوجيا على تحسين التكنولوجيا، حيث منحتنا DDR2 في 2003، و DDR3 في 2007، و DDR4 بحلول 2012. قدم كل تحديث أداء أفضل بفضل ساعات الإدخال/ الإخراج الأسرع، وأنظمة الإشارات الأفضل، ومتطلبات الطاقة المنخفضة.
بدأ DDR2 تغييرًا لا يزال قيد الاستخدام حتى اليوم: أصبحت ساعة الإدخال/ الإخراج نظامًا منفصلاً يعمل على ضبط توقيت نفسه من مجموعة أخرى من الساعات بطريقة أصبحت الآن أسرع بمرتين. إنه مبدأ مشابه لكيفية استخدام وحدات المعالجة المركزية لساعة 100 ميجاهرتز لتسلسل كل شيء، لكن الساعات الداخلية للمعالج تعمل أسرع بـ 30 أو 40 مرة.
عزز DDR3 و 4 اللعبة من خلال تشغيل ساعة الإدخال/ الإخراج 4 مرات، ولكن في جميع الحالات، لا يزال ناقل البيانات يستخدم صعود وسقوط ساعة الإدخال/ الإخراج (أي معدل البيانات المزدوج) لإرسال/ تلقي المعلومات.
لا تعمل رقائق الذاكرة نفسها بسرعات عالية بشكل غبي- في الواقع، إنها تعمل ببطء نسبيًا. معدل نقل البيانات (يقاس بملايين التحويلات في الثانية، MT/s) في DRAM الحديث مرتفع للغاية، بسبب استخدام بنوك متعددة في كل شريحة، إذا كان هناك بنك واحد فقط لكل وحدة ، فسيكون كل شيء بطيئًا للغاية.
ساعدت التطورات في التكنولوجيا على تحسين التكنولوجيا، حيث منحتنا DDR2 في 2003، و DDR3 في 2007، و DDR4 بحلول 2012. قدم كل تحديث أداء أفضل بفضل ساعات الإدخال/ الإخراج الأسرع، وأنظمة الإشارات الأفضل، ومتطلبات الطاقة المنخفضة.
بدأ DDR2 تغييرًا لا يزال قيد الاستخدام حتى اليوم: أصبحت ساعة الإدخال/ الإخراج نظامًا منفصلاً يعمل على ضبط توقيت نفسه من مجموعة أخرى من الساعات بطريقة أصبحت الآن أسرع بمرتين. إنه مبدأ مشابه لكيفية استخدام وحدات المعالجة المركزية لساعة 100 ميجاهرتز لتسلسل كل شيء، لكن الساعات الداخلية للمعالج تعمل أسرع بـ 30 أو 40 مرة.
عزز DDR3 و 4 اللعبة من خلال تشغيل ساعة الإدخال/ الإخراج 4 مرات، ولكن في جميع الحالات، لا يزال ناقل البيانات يستخدم صعود وسقوط ساعة الإدخال/ الإخراج (أي معدل البيانات المزدوج) لإرسال/ تلقي المعلومات.
لا تعمل رقائق الذاكرة نفسها بسرعات عالية بشكل غبي- في الواقع، إنها تعمل ببطء نسبيًا. معدل نقل البيانات (يقاس بملايين التحويلات في الثانية، MT/s) في DRAM الحديث مرتفع للغاية، بسبب استخدام بنوك متعددة في كل شريحة، إذا كان هناك بنك واحد فقط لكل وحدة ، فسيكون كل شيء بطيئًا للغاية.
لا تحتفظ كل مراجعة للذاكرة العشوائية بالتوافق مع الإصدارات السابقة، لذا فإن وحدات الذاكرة المضمنة المزدوجة المستخدمة لكل نوع لها كميات مختلفة من التلامس والفتحات والشقوق الكهربائية، لمنع أي شخص من محاولة تشويش ذاكرة DDR4 في فتحة DDR-SDRAM.
كانت DRAM لتطبيقات الرسومات تسمى في الأصل SGRAM أو ذاكرة الوصول العشوائي للرسومات المتزامنة. لقد مر هذا النوع من ذاكرة الوصول العشوائي أيضًا بنفس النوع من التطوير، واليوم يسمى GDDR لجعل الاستخدام المقصود أكثر وضوحًا. نحن الآن في الإصدار 6 وتستخدم عمليات نقل البيانات نظام معدل بيانات رباعي، أي 4 عمليات نقل لكل دورة على مدار الساعة.
إلى جانب المعدلات الأسرع ، يوفر DRAM للرسومات ميزات إضافية للمساعدة في تدفق الأسعار مثل القدرة على فتح صفحتين في نفس الوقت في البنك، أو حافلات الأوامر والعناوين التي تعمل على DDR، أو رقائق الذاكرة التي تعمل بسرعات أعلى بكثير على مدار الساعة.
ما هو الجانب السلبي لكل هذه التكنولوجيا المتقدمة؟ التكلفة والحرارة.
وحدة واحدة من GDDR6 هي ضعف سعر شريحة DDR4 المكافئة تقريبًا وتصبح دافئة جدًا عند التشغيل بأقصى سرعة- ولهذا السبب تحتاج بطاقات الرسومات التي تحتوي على كمية كبيرة من ذاكرة الوصول العشوائي فائقة السرعة إلى تبريد نشط لمنع ارتفاع درجة حرارة الرقائق.
ما هو الجانب السلبي لكل هذه التكنولوجيا المتقدمة؟ التكلفة والحرارة.
وحدة واحدة من GDDR6 هي ضعف سعر شريحة DDR4 المكافئة تقريبًا وتصبح دافئة جدًا عند التشغيل بأقصى سرعة- ولهذا السبب تحتاج بطاقات الرسومات التي تحتوي على كمية كبيرة من ذاكرة الوصول العشوائي فائقة السرعة إلى تبريد نشط لمنع ارتفاع درجة حرارة الرقائق.
Hickory Dickory Dock
عادةً ما يتم تصنيف أداء DRAM من خلال عدد بتات البيانات التي يمكن نقلها في الثانية. في وقت سابق من هذه المقالة، رأينا أن DDR4 المستخدمة كذاكرة نظام بها شرائح بعرض 8 بت- وهذا يعني أن كل وحدة يمكنها نقل ما يصل إلى 8 بت لكل دورة ساعة.
لذلك إذا كان معدل نقل البيانات هو 3200 ميجا بايت/ ثانية، فسيؤدي ذلك إلى ذروة تبلغ 3200×8= 25600 ميجا بت في الثانية أو ما يزيد قليلاً عن 3 جيجا بايت/ ثانية. نظرًا لأن معظم وحدات DIMM تحتوي على 8 شرائح عليها، فإن ذلك يعطي 25 جيجابايت/ ثانية محتملة. بالنسبة لأمثال GDDR6، فإن 8 وحدات من ذلك ستكون حوالي 440 جيجابايت/ ثانية!
معظم الناس يطلقون على هذه القيمة عرض النطاق الترددي للذاكرة bandwidth of the memory وهي عامل مهم وراء أداء ذاكرة الوصول العشوائي. ومع ذلك، هذا رقم نظري لأن كل شيء داخل شريحة DRAM لا يحدث في نفس الوقت.
لفهم هذا، ألق نظرة على الصورة أدناه. إنها نظرة عامة مبسطة (وغير واقعية) لما يحدث عند طلب البيانات من الذاكرة.
تتضمن المرحلة الأولى تفعيل الصفحة في الذاكرة الحيوية التي تحتوي على البيانات المطلوبة. يتم ذلك من خلال إخبار الذاكرة أولاً بالترتيب المطلوب، ثم الوحدة ذات الصلة ، متبوعة بالبنك المحدد.
يتم إصدار موقع الصفحة في كل ذلك (عنوان الصف the row address) للرقاقة وتستجيب بإطلاق تلك الصفحة بأكملها. يستغرق الأمر وقتًا للقيام بكل هذا، والأهم من ذلك، يجب إعطاء وقت كافٍ ليتم تنشيط الصف بالكامل- وهذا لضمان إغلاق صف البتات بالكامل ، قبل التمكن من الوصول إليه.
ثم يتم تحديد العمود ذي الصلة، وسحب جزء واحد من المعلومات. ترسل جميع DRAM البيانات على شكل دفعات، وتعبئة المعلومات في كتلة واحدة، وحجم الاندفاع في ذاكرة اليوم دائمًا ما يقرب من 8 بتات. لذلك حتى إذا تم استرداد البت الفردي من عمود واحد في دورة ساعة واحدة، فلا يمكن إرسال هذه البيانات حتى يتم سحب البتات السبعة الأخرى من البنوك الأخرى.
وإذا كان الجزء التالي من البيانات المطلوبة موجودًا على صفحة أخرى، فيجب إيقاف تشغيل الجزء المفتوح حاليًا (تسمى العملية الشحن المسبق pre-charging) قبل تنشيط الثانية التالية. كل ذلك، بالطبع، يستغرق المزيد من الوقت.
كل هذه الفترات المختلفة، بين وقت إرسال التعليمات واتخاذ الإجراء المطلوب، تسمى توقيتات الذاكرة أو زمن الانتقال. كلما انخفضت القيمة، كان الأداء العام أفضل، وذلك ببساطة لأنك تقضي وقتًا أقل في انتظار حدوث شيء ما.
سيكون لبعض فترات الانتقال هذه أسماء مألوفة لعشاق أجهزة الكمبيوتر:
يتم إصدار موقع الصفحة في كل ذلك (عنوان الصف the row address) للرقاقة وتستجيب بإطلاق تلك الصفحة بأكملها. يستغرق الأمر وقتًا للقيام بكل هذا، والأهم من ذلك، يجب إعطاء وقت كافٍ ليتم تنشيط الصف بالكامل- وهذا لضمان إغلاق صف البتات بالكامل ، قبل التمكن من الوصول إليه.
ثم يتم تحديد العمود ذي الصلة، وسحب جزء واحد من المعلومات. ترسل جميع DRAM البيانات على شكل دفعات، وتعبئة المعلومات في كتلة واحدة، وحجم الاندفاع في ذاكرة اليوم دائمًا ما يقرب من 8 بتات. لذلك حتى إذا تم استرداد البت الفردي من عمود واحد في دورة ساعة واحدة، فلا يمكن إرسال هذه البيانات حتى يتم سحب البتات السبعة الأخرى من البنوك الأخرى.
وإذا كان الجزء التالي من البيانات المطلوبة موجودًا على صفحة أخرى، فيجب إيقاف تشغيل الجزء المفتوح حاليًا (تسمى العملية الشحن المسبق pre-charging) قبل تنشيط الثانية التالية. كل ذلك، بالطبع، يستغرق المزيد من الوقت.
كل هذه الفترات المختلفة، بين وقت إرسال التعليمات واتخاذ الإجراء المطلوب، تسمى توقيتات الذاكرة أو زمن الانتقال. كلما انخفضت القيمة، كان الأداء العام أفضل، وذلك ببساطة لأنك تقضي وقتًا أقل في انتظار حدوث شيء ما.
سيكون لبعض فترات الانتقال هذه أسماء مألوفة لعشاق أجهزة الكمبيوتر:
هناك الكثير من المواعيد الأخرى وكلها بحاجة إلى ضبطها بعناية لضمان عمل DRAM بطريقة مستقرة، دون إتلاف البيانات، بأفضل أداء ممكن. كما ترى من الجدول، يجب أن يكون الرسم التخطيطي الذي يوضح الدورات أثناء العمل أوسع كثيرًا!
على الرغم من وجود الكثير من الانتظار، يمكن وضع التعليمات في قائمة الانتظار وإصدارها، حتى إذا كانت الذاكرة مشغولة بفعل شيء ما. هذا هو السبب في أننا نرى الكثير من وحدات ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) حيث نحتاج إلى الأداء (ذاكرة النظام لوحدة المعالجة المركزية وعلى بطاقات الرسومات)، ثم تلك التي تكون فيها أقل أهمية بكثير (في محركات الأقراص الثابتة hard drives).
يمكن ضبط توقيتات الذاكرة- فهي ليست متصلة بالذاكرة الحيوية نفسها، لأن جميع التعليمات تأتي من وحدة التحكم في الذاكرة في المعالج باستخدام ذاكرة الوصول العشوائي. يختبر المصنعون كل شريحة يصنعونها وتلك التي تلبي تصنيفات سرعة معينة لمجموعة معينة من التوقيتات يتم تجميعها معًا وتثبيتها على وحدات DIMM. ثم يتم تخزين التوقيتات على شريحة صغيرة يتم تركيبها على لوحة الدائرة.
على الرغم من وجود الكثير من الانتظار، يمكن وضع التعليمات في قائمة الانتظار وإصدارها، حتى إذا كانت الذاكرة مشغولة بفعل شيء ما. هذا هو السبب في أننا نرى الكثير من وحدات ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) حيث نحتاج إلى الأداء (ذاكرة النظام لوحدة المعالجة المركزية وعلى بطاقات الرسومات)، ثم تلك التي تكون فيها أقل أهمية بكثير (في محركات الأقراص الثابتة hard drives).
يمكن ضبط توقيتات الذاكرة- فهي ليست متصلة بالذاكرة الحيوية نفسها، لأن جميع التعليمات تأتي من وحدة التحكم في الذاكرة في المعالج باستخدام ذاكرة الوصول العشوائي. يختبر المصنعون كل شريحة يصنعونها وتلك التي تلبي تصنيفات سرعة معينة لمجموعة معينة من التوقيتات يتم تجميعها معًا وتثبيتها على وحدات DIMM. ثم يتم تخزين التوقيتات على شريحة صغيرة يتم تركيبها على لوحة الدائرة.
حتى الذاكرة تحتاج إلى ذاكرة. ذاكرة القراءة فقط (ROM) التي تحتوي على معلومات SPD، مظللة باللون الأحمر.
تسمى عملية الوصول إلى هذه المعلومات واستخدامها اكتشاف الوجود التسلسلي (Serial Presence Detect SPD). إنه معيار صناعي للسماح لـ BIOS باللوحة الأم بمعرفة التوقيتات التي يجب ضبط كل شيء عليها.
تسمح لك الكثير من اللوحات الأم بتغيير هذه التوقيتات بنفسك، إما لتحسين الأداء أو زيادة استقرار النظام الأساسي، لكن العديد من وحدات DRAM تدعم أيضًا معيار (Extreme Memory Profile XMP) من Intel. هذه ليست أكثر من معلومات إضافية مخزنة في ذاكرة SPD تخبر BIOS، "يمكنني العمل بهذه التوقيتات غير القياسية". لذا بدلاً من العبث بالإعدادات بنفسك، نقرة بسيطة ويتم إنجاز المهمة نيابةً عنك.
تسمى عملية الوصول إلى هذه المعلومات واستخدامها اكتشاف الوجود التسلسلي (Serial Presence Detect SPD). إنه معيار صناعي للسماح لـ BIOS باللوحة الأم بمعرفة التوقيتات التي يجب ضبط كل شيء عليها.
تسمح لك الكثير من اللوحات الأم بتغيير هذه التوقيتات بنفسك، إما لتحسين الأداء أو زيادة استقرار النظام الأساسي، لكن العديد من وحدات DRAM تدعم أيضًا معيار (Extreme Memory Profile XMP) من Intel. هذه ليست أكثر من معلومات إضافية مخزنة في ذاكرة SPD تخبر BIOS، "يمكنني العمل بهذه التوقيتات غير القياسية". لذا بدلاً من العبث بالإعدادات بنفسك، نقرة بسيطة ويتم إنجاز المهمة نيابةً عنك.
لم يكن هذا الدرس فوضويًا للغاية- هناك القليل جدًا لتفكيكه باستخدام وحدات DIMM والأدوات المتخصصة اللازمة للوحدات النمطية. لكن هذا النقص في الشجاعة والمشاكسة يخفي بعض التفاصيل المذهلة.
خذ بطاقة ذاكرة DDR4-SDRAM بسعة 8 جيجا بايت من أي كمبيوتر شخصي جديد وستحتفظ بشيء يعبأ ما يقرب من 70 مليار مكثف ونفس العدد مرة أخرى للترانزستورات. كل واحد يخزن كمية ضئيلة من الشحنات الكهربائية، ويمكن الوصول إليه في عدد قليل من النانو ثانية.
سيتم تشغيله من خلال عدد لا يحصى من التعليمات، حتى في الاستخدام اليومي العادي، ويمكن لمعظم الناس القيام بذلك لسنوات متتالية، قبل أن يعاني من أي مشاكل. وكل هذا بأقل من 30 دولارًا؟ هذا ليس أقل من تهب العقل!
تستمر ذاكرة DRAM في التحسن- DDR5 قاب قوسين أو أدنى وهو يعد بمستوى عرض النطاق الترددي لكل وحدة والذي سيكافح اثنان من DIMMs من DDR4 للوصول إليه. سيكون الأمر مكلفًا للغاية عند ظهوره، ولكن بالنسبة للخوادم ومحطات العمل الاحترافية، فإن قفزة الأداء ستكون موضع ترحيب كبير.
