Принцип работы и устройство оперативной памяти. Как правильно подобрать ОЗУ?

В этой статье мы постараемся детально и простым языком рассказать, что такое оперативная память, какие характеристики она имеет и на что стоит обратить внимание при выборе этой важной комплектующей.

- Понятие оперативной памяти
- Типы памяти
- Размер модуля оперативной памяти (DIMM, SO-DIMM)
- Частота оперативной памяти
- Тайминги
- Итог. Характеристики, на которые стоит обратить внимание при выборе

ПОНЯТИЕ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ

Начнем с понятия оперативной памяти. Оперативная память (ОЗУ, RAM – оперативное запоминающее устройство, Random Access Memory) – это энергозависимая память с произвольным доступом, которая используется для хранения важных, оперативно обрабатываемых компьютером (часто процессором) данных.

Теперь по порядку :-)

Энергозависимость оперативной памяти выражается в необходимости постоянного питания для хранения в ней данных. При отсутствии питания оперативной памяти, вся информация последнего сеанса будет стерта.

Чтобы понять суть произвольности доступа оперативной памяти, нужно представить весь объем данных в виде последовательных ячеек. Оперативной памяти для чтения и обработки определённой информации не требуется затрагивать огромный массив данных, она может обратиться к необходимой ячейке информации, не затрагивая остальные. Такой тип доступа называется произвольным.

Теперь перейдем к ключевой части понятия оперативной памяти – «используется для хранения важных, оперативно обрабатываемых компьютером данных». Современные операционные системы и программы имеют огромные структуры данных и переменные, которые выстраивают логику работы компьютера. Практически при каждом действии пользователя в этих структурах происходят изменения. Какую роль в этом играет оперативная память? Она хранит в себе те данные, которыми компьютер оперирует при использовании той или иной программы/операционной системы. В зависимости от порядка взаимодействия с программой, эти данные могут вносится в оперативную память, удаляться, изменяться, а также в определенных случаях программа может запросить необходимое количество свободного пространства для хранения данных в оперативной памяти.

Может возникнуть вопрос: «Почему такие важные данные хранятся именно в оперативной памяти, если существует обычный накопитель в каждом персональном компьютере?». Все дело в том, что использование оперативной памяти позволяет обмениваться важными данными гораздо быстрее. Данные могут быстро и беспрепятственно обрабатываться в том числе за счет вышеупомянутого произвольного доступа и отсутствия лишней информации в оперативной памяти.

Представить принцип работы оперативной памяти можно на следующем примере:
Так как процессор в каждом компьютере одно из главных и крайне быстродействующих устройств, его задача быстро обрабатывать большой поток полученных данных. Если мы представим путь обработки данных в виде – (жесткий диск > процессор), в этом случае процессору пришлось бы некоторое время ожидать поступления в него данных из накопителя, иначе говоря простаивать. Именно поэтому данные «перетекают» по пути (жесткий диск > оперативная память > процессор). Таким образом обеспечивается более быстрый обмен данными между устройствами компьютера, а данные которые необходимы для работы программы храниться в оперативной памяти во время ее работы, пока процессор не затребует их для обработки (изменения, удаления, и т.д.).

ТИП ПАМЯТИ

На сегодняшний день существует 5 типов оперативной памяти с современной технологией DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory), а именно: DDR, DDR 2, DDR 3, DDR 4, DDR 5. На сегодняшний день самым актуальным типом памяти является DDR4. В свою очередь, DDR5 хоть и является новейшим и самым производительным типом оперативной памяти, однако, пока не получил широкого распространения из-за совсем недавнего появления на рынке, высокой цены и отсутствия совместимости со многими материнскими платами. В чем же отличия и какой смысл в изменении типов памяти? Очевидным является тот факт, что с каждым новым типом улучшаются характеристики оперативной памяти. Рассмотрим некоторые из этих характеристик.

С каждым новым типом памяти уменьшается ее рабочее напряжение, что продлевает долговечность модулю памяти. Еще на самом первом типе DDR рабочее напряжение памяти составляло 2.8V (вольт), теперь в самом современном модуле рабочее напряжение имеет всего 1.1V.

Также, что немаловажно, увеличивается частота и объем памяти одного модуля. На сегодняшний день тяжело представить компьютер с оперативной памятью DDR частотой 400 МГц (тактовая частота) и объемом оперативной памяти 1 Гб на 2 модуля. Рекомендуемый вариант конфигурации оперативной памяти компьютера, с учетом требований сегодняшних программ и операционных систем – от одного модуля на 8 Гб и частотой памяти от 2666 МГц.

Помимо технических характеристик, вы могли заметить визуальное отличие – расположение прорези на модуле оперативной памяти. Такая «прорезь» называется ключом, который индивидуален для каждого типа памяти. Материнская плата также имеет ответный ключ, который не дает поместить несоответствующий ей модуль. Даже если предположить, что каким-либо образом вы поместили несоответствующий по типу модуль оперативной памяти в материнскую плату, то, к сожалению, работать он не станет из-за разного количества контактов и их расположения.

Также, на площадках интернет магазинов среди огромного количества вариантов оперативной памяти, вы могли встретить такое наименование типа памяти как RDIMM или DDR DIMM Registered. Такой тип оперативной памяти используется для серверных компьютеров и характеризуются масштабируемостью и отказоустойчивостью. Основное отличие данного типа – это наличие регистров в модуле памяти, которые уменьшают электрическую нагрузку на контроллер памяти, что позволяет устанавливать больший объем оперативной памяти.

Стоит заметить, что модули памяти RDIMM не совместимы с обычными модулями, а в некоторых случаях могут привести к неисправности модуля памяти или материнской платы.

РАЗМЕР МОДУЛЯ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ (DIMM, SO-DIMM)

Оперативная память имеет еще одно важное отличие, на которое необходимо обратить внимание при выборе – вид оперативной памяти в зависимости от того, для какого устройства вы ее подбираете (стационарный компьютер или ноутбук).

Оперативная память для ноутбука имеет название SO-DIMM и имеет идентичные характеристики с памятью для стационарного компьютера, которая именуется DIMM.

Даже не смотря на название модуля, визуально очень легко отличить память DIMM от SO-DIMM. Габариты памяти DIMM составляют 133 мм x 32 мм, а SO-DIMM – 69,6 мм х 30 мм. Также, намек на размер модуля памяти содержится в аббревиатурах:
DIMM – Dual In-line Memory Module (двойной встроенный модуль памяти);
SO-DIMM – Small Outline Dual In-line Memory Module (двойной встроенный модуль памяти малого размера).

Стоит заметить, что при выборе оперативной памяти для моноблока, необходимо обратить внимание на описанную характеристику, так как очень часто в таких устройствах встречается размер памяти формата SO-DIMM.

ЧАСТОТА ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ

Частота оперативной памяти – это количество выполняемых ею операций в одну секунду.
Для того, чтобы раскрыть определение частоты оперативной памяти и понять, как она устроена, необходимо вернуться к понятию DDR (Да, именно это мы упоминаем, когда говорим о типе памяти).

DDR (Double Data Rate) – это тип компьютерной памяти, который пришел на смену SDR (Single Data Rate). Эти 2 определения типа памяти характеризуют следующие принципы их работы:
1. Память SDR за один такт обрабатывает только одну команду, передается лишь единица данных.
2. Память типа DDR за один такт обрабатывает в 2 раза больше данных, по сравнению с типом памяти SDR. Также, этот факт можно подчеркнуть из определения Double Data Rate (двойная скорость передачи данных).

Частота оперативной памяти измеряется в мегагерцах – это единица измерения, взятая из Международной системы единиц, в вычислениях используется для обозначения скорости, с которой данные перемещаются внутри компонентов компьютера и между ними.

Раскроем на примере ниже принцип работы передачи данных оперативной памятью. Оперативная память с частотой 1600 МГц за одну секунду выполняет 1 600 000 000 тактов, за один такт современная оперативная память типа DDR указанной частоты передаёт 3 200 000 000 единиц команд. В отличие от DDR памяти, старая технология памяти SDR имела бы способность за 1 такт обрабатывает только одну команду (т.е. 1 600 000 000 команд за 1 секунду).

Из вышесказанного можно сделать следующий вывод – при частоте оперативной памяти DDR в 1600 МГц, обрабатывается 3200 команд или операций. Углубляясь в теорию, в таком случае число 3200 нельзя назвать мегагерцами, а более корректно будет считать это значение в единицах переданных (обработанных) данных за одну секунду.

Определив принцип работы частоты памяти, следует сказать о маркировке оперативной памяти производителем. Ту частоту, которую вы увидите в характеристиках или на коробке от оперативной памяти, принято называть эффективной. Это будет именно то значение, которое характеризует переданные данные за одну секунду, но не количество тактов, что называется мегагерцами (МГц или MHz).

Именно поэтому проверяя в вашей системе оперативную память с помощью различных программ с заявленной частотой в 3200 МГц, вы увидите значение в 1600 МГц – реальную частоту оперативной памяти. В данном примере эффективная частота соответствует значению 3200 МГц, а реальная – 1600 МГц.

Стоит сказать, что технически, значение эффективной частоты из вышесказанного примера в 3200 МГц корректно рассчитывать не в мегагерцах, а в миллионах трансферах в секунду (МТ/с). МТ/с – это более точное измерение эффективной скорости передачи данных (скорости) памяти DDR при вычислениях. Как нам получить такое значение?

Нам уже известно, что оперативная память с реальной частотой в 1600 МГц выполняет 1 600 000 000 тактов, и передает 3 200 000 000 команд за одну секунду, чтобы рассчитать значение МТ/с нам необходимо узнать, сколько миллионов передач данных осуществляется за одну секунду. Таким образом мы выполняем следующий расчет: 3 200 000 000 (так как именно столько передач осуществляется в оперативной памяти с частотой 1600 МГц, типа DDR за 1 секунду) делим на 1 000 000 (согласно единице измерения МТ/c – кол-во миллионов трансферов за 1 секунду) = 3200 МТ/с. В результате мы получаем знакомое нам число.

Таким образом, в результате маркетинга образовалось стойкое понятие эффективной частоты оперативной памяти, однако прочитав статью до настоящего момента, вы будете понимать, что имеет ввиду производитель под эффективной частотой, указанной на упаковке.

ТАЙМИНГИ

Общепринято связывать частоту памяти с ее скоростью, однако, это не единственная характеристика, которая раскроет скоростной потенциал оперативной памяти. Для того, чтобы нам сформировать общую картину скорости работы ОЗУ, необходимо обратиться к такому понятию, как тайминг.

Тайминги представляют собой один из ключевых параметров, определяющих быстродействие памяти. Тайминги указывают на задержки, которые имеют место в процессе обмена информацией между оперативной памятью и другими устройствами компьютера (например, когда процессор делает запрос к памяти, тайминги определяют, как быстро данные могут быть доступны для использования).

Иногда можно улучшить производительность системы, настраивая тайминги в BIOS, но это требует определённых знаний и навыков. Установка слишком агрессивных значений таймингов может привести к нестабильной работе системы.

Тайминги оперативной памяти маркируются буквенно-цифровыми обозначениями, которые помогают определить задержку в процессе перемещения информации. Обычно они указываются на самой оперативной памяти и имеют примерно следующий вид: "CL16-18-18-36". Также, иногда можно встретить запись только из первого тайминга: «CL16».

Первые 4 тайминга считаются основными, именно на них следует обращать внимание при выборе оперативной памяти. Помимо основных таймингов, существуют и десятки других, которые играют меньшее значение в работе системы и не маркируются в ряде с основными. Такие второстепенные тайминги называют субтаймингами.

В отличие от частоты оперативной памяти, где действует правило «Больше – лучше», ситуация с таймингами противоположная. Для уменьшения задержки, необходимо рассматривать оперативную память с меньшим значением.

Так как понятие задержки в нашем представлении имеет значение указывающее на время, то нам может показаться, что тайминги измеряются в минутах, секундах или наносекундах (что более применимо для характеристик компьютерных устройств). Но на самом деле тайминги измеряются в тактах.

Соответственно, для понимания работы таймингов нам нужно снова вернуться к понятию частоты оперативной памяти. Мы с вами уже знаем, что частота (реальная) оперативной памяти – это количество тактов за одну секунду. Соответственно, именно в количестве этих тактах выражается задержка оперативной памяти (для тайминга CL16 – задержка составит 16 тактов).

Также, важно понимать зависимость характеристики таймингов и частоты оперативной памяти. Рассмотрим пример: мы имеем оперативную память с эффективной частотой 3200 МГц (реальная частота 1600 МГц) с таймингами 14-14-14-34 и оперативную память с эффективной частотой 4000 МГц (реальная частота 2000 МГц) с таймингами 17-17-17-42. Во втором случае оперативная память имеет более высокие тайминги, что говорит о большей задержке, и, как может показаться, работа второго варианта оперативной памяти будет менее производительна, но на самом деле это не так.

Для того, чтобы понять логику соотношения «частота – тайминги», нам необходимо сделать следующие действия:
1. 1 секунду мы разделим на количество тактов оперативной памяти. Таким образом мы получим временное значение, за которое оперативной памятью осуществляется 1 такт (это значение для удобства записи мы будем переводить в наносекунды).
2. Количество полученных секунд умножим на количество таймингов. В результате, мы будем более ясно понимать задержку в более удобном для нас временном значении.

Определим время задержки для первого варианта исходя из начального тайминга (3200 МГц и СL14):
1 сек / 1 600 000 000 (именно столько тактов соответствует реальной частоте в 1600 МГц) = 0,625 нс. (или 0,000000000625 сек).
0,625 (время одного такта) * 14 (количество тактов задержки для тайминга CL14) = 8,75 нс. (время задержки для тайминга CL14).
Теперь рассчитаем время задержки для второго варианта (4000 МГц и СL14):
1 сек / 2 000 000 000 = 0,500 нс.
0,500 нс. * 17 = 8,5 нс.

Как мы видим на примере выше, задержка во временном эквиваленте явно показывает, что меньший тайминг CL14 при частоте 3200 МГц на самом деле выражает большую задержку (8,75 нс.), чем тайминг CL17 при частоте 4000 МГц. (8,5 нс.).

Таким образом, мы разобрались в понятии таймингов оперативной памяти, научились считать задержку оперативной памяти в наносекундах и поняли всю неоднозначность этой характеристики.

ИТОГ

Подведем итог нашей статьи и простым языком расскажем, на что следует обратить внимание при выборе оперативной памяти.

Первым делом, естественно, мы обратим внимание на устройство, для которого мы подбираем оперативную память. Если это ноутбук или моноблок (в большинстве случаев) – мы выбираем память формата SO-DIMM. Если мы выбираем ОЗУ для системного блока, то в таком случае мы рассматриваем формат DIMM. Таким образом, с размером модуля памяти мы не ошибемся.

Далее, необходимо узнать, какой тип памяти поддерживает ваша материнская плата. Для этого вам необходимо открыть спецификацию к устройству или к материнской плате, где вы встретите один из знакомых нам существующих форматов (DDR 3, DDR 4 или другие). Важно напомнить, что модули памяти не универсальны и подходят исключительно для предназначенных им интерфейсов вашего устройства согласно типу памяти!

Также, при подборе важно определиться с объемом памяти. На сегодняшний день для простого рабочего компьютера будет достаточно объема в 8 Гб с учетом использования браузера, файлов Microsoft Office и других офисных программ.

Для игрового компьютера, с учетом современных игровых проектов, мы рекомендуем выбирать объем от 16 Гб. Данный объем позволит с комфортом наслаждаться современными игровыми проектами, не говоря также о высокой производительности в рабочих процессах.

Если ваши задачи – это крупные проекты обработки графических объектов, детальное моделирование моделей, монтаж и обработка больших видеопроектов – то для комфортной работы и быстрой обработки проектов компьютером (рендеринг), необходимо начинать рассмотрение объема оперативной памяти от 32 Гб.

При выборе частоты оперативной памяти важно ознакомиться с характеристиками вашего процессора и материнской платы, а именно обратить внимание на максимальную поддерживаемую частоту памяти.

Современные архитектуры процессоров, такие как Intel Alder Lake и AMD Cezanne обычно имеют определенные ограничения относительно скорости оперативной памяти. Например, процессоры Intel до недавнего времени официально поддерживали память до определенной частоты (например, DDR4 до 2666).

Также, максимальная поддерживаемая частота памяти определяется чипсетом материнской платы. Например, отдельные чипсеты могут поддерживать более высокие частоты памяти, чем другие.

В соответствии с этим, иногда покупка новой оперативной памяти с высокой частотой может обернуться нецелесообразным вложением, так как потенциал оперативной памяти с другими комплектующими просто не раскроется.

Также, если вы дополняете память дополнительным модулем, обратите внимание, какая частота памяти у уже имеющегося модуля памяти. Дело в том, что если частота памяти имеющегося модуля составляет 2600 МГц, а новая оперативная память будет иметь частоту 3200 МГц – вся оперативная память в устройстве подстроится под наиболее низкую частоту, то есть 2600 МГц.

Что касается таймингов и напряжения оперативной памяти – чем меньшее значение у этих характеристик – тем лучше. Однако, для корректной работы устройства эти характеристики должны быть максимально близки во всех модулях памяти в вашей системе.

Таким образом, мы разобрались в том, что такое оперативная, какие она имеет характеристики и как правильно ее подобрать для вашего устройства! Если при выборе оперативной памяти у вас останутся вопросы – менеджеры интернет магазин «Сервер» с удовольствием помогут вам в выборе этой важной комплектующей для вашего компьютера :-).