В вашем компьютере есть несколько уровней памяти, через которые проходят данные в вашем браузере, прежде чем вкладка открылась.

За это отвечают три больших кластера:

▪︎ На SSD объёмом в терабайты информация хранится постоянно.
▪︎ В RAM объёмом в несколько десятков гигабайт она перемещается для подготовки к обработке.
▪︎ Кэш внутри CPU, GPU и NPU выглядит как маленькие ячейки памяти объёмом от мегабайтов до килобайтов, чтобы процессор провёл, наконец, операцию.

В постоянном хранилище SSD все ориентируются и понимают, зачем оно нужно. Кэш зафиксирован внутри процессора и работает невидимо для нас.

Но мало кто разбирается, зачем нужна оперативная память и слепо экономят на этом особо важном компоненте.

Сегодня простым языком разберёмся, что вообще из себя на железном уровне представляет оперативная память, какие есть её виды, как она работает и почему запрос на её объём растет, хотя на первый взгляд компьютеры с 8 ГБ и 32 ГБ памяти работают одинаково быстро.

Начнём с понимания, зачем эта память вообще нужна.

Зачем компьютерам оперативная память

У оперативной памяти несколько названий: RAM, DRAM, ОЗУ.

DRAM значит Dynamic Random Access Memory или Динамическая оперативная память, а ОЗУ – оперативное запоминающее устройство. Смысл у них один: компонент постоянно обновляет данные во время работы компьютера, а не хранит долгосрочно.

В компьютере происходят миллионы операций в секунду, но самой часто является копирование данных с постоянного хранилища во временную память.

❗️ Программы в заготовленном виде хранятся на HDD или SSD, но чтобы процессор смог их обработать, сначала их компоненты должны переместиться в DRAM.

Это занимает время, поэтому мы видим экраны загрузки в играх и задержки между кликом по программе и её запуском.

Причина, по которой нельзя обойтись только одним видом памяти, в скорости переноса данных.

• HDD до 200 МБ/с
• SSD до 7000 МБ/с
• DRAM до 70 400 МБ/с

И хотя по сухим данным разница всего в десять раз между SSD и DRAM, дело также в задержке.

На чтение и запись ячейки SSD уходит 50 микросекунд, а в DRAM всего 17 наносекунд, то есть ОЗУ в 3000 раз быстрее. Это как если сравнить движение сверхзвукового самолёта и черепаху.

При этом HDD и SSD хранят память без питания, а DRAM для работы нужна энергия с помощью которых память хранит и постоянно обновляет находящуюся в ней информацию. Отсюда разница в скорости.

SSD и DRAM хранят информацию в чипах, очень разных по своей архитектуре.

‣ Чип SSD представляет из себя триллионы наложенных друг на друга ячеек памяти в трёхмерном пространстве, каждая из которых может иметь от 1 до 5 бит информации. Самая стабильная на данный момент форма трёх бит.

Подробнее о том, как устроены SSD, я очень наглядно и детально рассказывал здесь.

‣ Чип DRAM двухмерный, миллиарды его ячеек памяти расположены на одной плоскости. Каждая ячейка имеет только один бит информации. Поэтому получаем гораздо более низкую плотность памяти. Позже покажу на примерах.

Сначала посмотрим поближе, как устроена коммуникация между DRAM и CPU.

Как устроен модуль оперативной памяти DRAM

Оперативная память в настольных ПК устанавливается в виде плашек, дизайн которых называется DIMM, Dual In-line Memory Module или модуль памяти с двойным расположением выводов.

На них распаяно 8 чипов DRAM.

На материнской плате обычно есть 4 DIMM-слота, которые напрямую соединены двумя параллельными (для уменьшения задержки) каналами памяти к CPU.

Контакты, которые находятся на DIMM-плашках и вставляются в DIMM-слоты, служат не только источником данных, но и питания. Кроме DRAM-чипов на плашках также есть чипы для управления этим питанием.

Фиолетовый раздел «контроллер памяти» нужен для коммуникации с RAM

В CPU есть выделенные модули для внешний коммуникаций с SSD, DRAM, GPU и другими компонентами. Процессор назначает, какие данные загрузить из SSD в DRAM, а из DRAM в ячейки низкоуровнего кэша, расположенные в самом CPU.

Подробнее о том, как устроены CPU, я рассказывал здесь.

Как информация попадает из DRAM в CPU

Биты, хранящиеся в DRAM попадают в CPU через шину.

Шина представляет из себя «мост» в виде контактов и контроллеров памяти (внутри плашки и внутри CPU) и означает, сколько бит будет передано с 1 Гц внутри одного цикла RAM.

Все современные ПК имеют ширину шины 64 бита. В неё включены следующие компоненты:

А. По 64 параллельным контактам, распаянных на материнской плате, информация из DRAM поступает в CPU,.

B. Ещё 21 контакт передаёт данные на CPU о том, где в DRAM хранятся данные для записи и чтения.

C. Оставшиеся 7 контактов сообщают команды процессора и памяти для операций с данными.

Теперь чуть углубимся и посмотрим, на один из самых абстрактных для потребителя терминов – каналы.

Зачем нужны каналы в оперативной памяти

Актуальным поколением DRAM-оперативной памяти является DDR5.

Многие знают, что на материнской плате нужно ставить плашки в определенном порядке, чтобы CPU получал данные по двум параллельным каналам.

Благодаря работе в двух каналах контроллер CPU в среднем на 15% быстрее получает данные и обрабатывает их.

Так вот DDR5 делит каждый канал шириной 64 бита ещё на два параллельных и независимых субканала по 32 бита каждый.

В каждом 32-битовом субканале DDR5 четыре чипа работают параллельно, принимая один набор инструкций и адресов ячеек. Таким образом каждый чип записывает или считывает по 8 бит за раз.

Это увеличивает пропускную способность RAM на ядро и уменьшает задержку доступа к памяти.

Давайте теперь посмотрим, как эти чипы выглядят внутри, то есть их архитектуру.

Как устроены чипы RAM и где находятся ячейки памяти

Структура чипов RAM сильно отличаются от тех, которые используются в SSD, CPU и GPU.

SSD состоит из трёхмерной сетки ячеек памяти на основе особых транзисторов, которые умеют хранить данные.

CPU и GPU состоят из простых (по функциональности) транзисторов на двухмерной плоскости. Из транзисторов сделаны разные ядра, которые связанны друг с другом по иерархии от простых к сложным.

RAM, в свою очередь, имеет особые ячейки памяти на двухмерной плоскости. Ячейки формируют простую сетку, а каждая ячейка состоит из транзисторов прямо взятых из CPU, и особых конденсаторов, которые кратковременно способны удерживать заряд.

Сам чип RAM состоит из четырёх компонентов: BGA-массив шариков в базе, два слоя матричной подложки и микросхема DRAM из кремния, на которой происходят все вычисления и хранение информации.

Каждая микросхема состоит из 8 групп банков, в каждой группе по 4 банка памяти.

Каждый банк состоит из ячеек, которых более 65 000 столбцов в длину и более 8 тысяч в ширину. Всего получается почти 537 миллионов ячеек в одном банке.

Каждая ячейка способна хранить по одному биту информации.

Все они связаны линиями передачи данных и соединены центральной микросхемой для распределения данных по этим ячейкам.

Всего получается больше 17 миллиардов ячеек, чего как раз достаточно на 2 ГБ памяти в плашке объёмом 16 ГБ из 8 чипов – по четыре на каждый субканал.

Как устроены ячейки RAM

Как говорил ранее, в RAM используются особые ячейки памяти, которые состоят из транзистора и конденсатора. Такой тип ячейки называют 1T1C.

Транзистор отвечает за допуск заряда к конденсатору для записи и чтения, а конденсатор – за краткосрочное хранение заряда.

Если в конденсаторе есть заряд, он означает 1 бит. Если заряда нет, то он значит 0 бит.

В качестве транзистора используют стандартный полевой транзистор MOSFET (МОП-транзистор), из точно таких же формируют вычислительные блоки и ядра в CPU и GPU.

Конденсатор по форме напоминает глубокую выемку внутри кремниевой пластины длиной почти в 6 раз больше, чем длина транзистора (360 нм против 64 нм).

Конденсатор состоит из двух проводящих ток поверхностей, разделённых непроводящим ток разделителем толщиной около 30 атомов. Такой барьер позволяет захватывать электроны, но не задерживать электронные поля.

Конденсатор принимает значение 1 бит, когда накапливает заряд до 1 вольта, и значение 0 бит, когда заряд опускается до 0 вольт.

Как информация попадает в ячейки RAM

Когда компьютер запущен, все ячейки предварительно получают заряд 0,5 вольт, чтобы система могла быстрее опустишить или пополнить конденсатор электронами до нужного значения.

Чтобы доставить или освободить заряд, к транзистору идут два контакта, которые никогда не соприкасаются друг с другом:

‣ К затвору транзистора подведён контакт линии выбора ячейки. Здесь поступает адресная информация для активации транзистора, чтобы добавить или убавить заряд в ячейке.

‣ А к каналу передачи данных транзистора подведён, соответственно, контакт линии передачи данных. По нему заряд попадает непосредственно в конденсатор или выходит из него в зависимости от инструкций CPU.

Однако из-за маленьких размеров ворот транзистора (24 нм) даже в выключенном состоянии его не может удерживать заряд конденсатора долго.

Утечка происходит почти моментально, поэтому обновление состояния ячеек происходит каждый цикл подачи энергии. Отсюда у RAM и нет возможности продолжительно хранить данные, зато из-за простоты архитектуры есть возможность работать синхронно на той же частоте, что и CPU.

DRAM бывает нескольких видов: для ПК, графики и мобильных

Среди самых популярных есть три вида оперативной памяти.

В ПК установлен тип памяти DDR, в видеокартах GDDR (Graphics DDR), а в смартфонах LPDDR (Low-Power DDR)

Какой тип выбрать, зависит от нескольких факторов.

У DRAM есть две важных характеристики, корректировкой которых можно сделать разную оперативную память под конкретные задачи.

Пропускная способность отвечает за количество информации, которую можно доставить за раз из оперативной памяти в процессор и обратно. Можно с 1 Гц доставить 64 бит, а можно 512 бит.

Время доступа отвечает время отклика, необходимое для доставки информаци к процессору. Можно доставить небольшие объёмы очень быстро или крупные, но реже.

Например, DDR5 имеет пропускную способность 38 ГБ/с с задержкой 60 нс, а GDDR7 целы 512 ГБ/с с задержкой 135 нс.

DDR делает упор на минимазацию задержки для быстрого отклика, потому что работает синхронно с CPU.

GDDR важнее пропускная способность, потому что эта GPU умеет компенсировать низкий отклик обработкой огромного массива однотипных данных за раз.

LPDDR рассчитана и на то, и на другое, но всё-таки отстаёт от GDDR в пропускной способности за одни и те же деньги.

Преимущество этой памяти в том, что она также потребляет меньше энергии, поскольку находится в максимальной близости к SoC, системе на чипе в смартфонах и ноутбуках на ARM.

Почему чем больше памяти RAM, тем лучше

Системные требования Kingdom Come: Deliverance II. Чем выше качество, тем больше данных игре нужно за раз

Когда компьютер запускает игру, информация копируется с постоянного хранилища на DRAM.

Затем он загружает файл сохранения, и с SSD также копируется дополнительная информация о геометрии, текстурах и статусе окружения, часть которой, в свою очередь, после этого идут на обработку в GPU.

Поскольку игры часто занимают больше места, чем доступно оперативной памяти, разработчики оптимизируют подгрузки частями и указывают необходимый минимум DRAM.

❗️ Если DRAM оказывается переполненной, система сгружает данные в своп на SSD.

Поскольку SSD в десятки раз медленнее, происходит падение частоты кадров.

Это относится и ко всем остальным задачам. Когда оперативной памяти не хватает, активные вкладки, файлы из открытых программ переносятся на временное хранение в SSD.

Отсюда и важно, чтобы на компьютере было много оперативной памяти. Если вы работаете с крупными файлами, любите запускать несколько тяжёлых приложений одновременно, вся эта информация должна физически копироваться в чипы RAM для обработки.

И от реального размера этих файлов никак не уйти, как бы Apple не убеждала нас в обратном.

📸 Все фотографии в статье:

• До ←

  Google удалила с сайта обещание не использовать ИИ для создания оружия

• После →

  Samsung Galaxy S25 Ultra уничтожил iPhone 16 Pro в тестах на удаление объектов с фото