Оперативна пам’ять - розберемо що це таке, для чого потрібна і як працює. Також розглянемо види оперативної пам’яті і характеристики, на які варто звертати увагу під час її вибору. Буде пізнавально й цікаво. Почнімо.

Що таке оперативна пам’ять?

Оперативна пам’ять, RAM (Random Access Memory, памʼять з довільним доступом) — це енергозалежна частина системи пам’яті комп’ютера, у якій під час його роботи зберігається виконуваний машинний код (програми), а також вхідні, вихідні та проміжні дані, які обробляє процесор.

У персональних компʼютерах оперативна памʼять має вигляд окремої двосторонньої друкованої плати, на якій розташовуються мікросхеми памʼяті.

Ця плата називається оперативний запамʼятовувальний пристрій (ОЗП), або простіше — модуль оперативної пам’яті. У англомовній термінології такий форм-фактор модулів оперативної пам’яті отримав назву Dual In-line Memory Module, або скорочено DIMM. Таку ж назву має і слот підключення ОЗП до материнської плати.

Розберемося детальніше.

Типи пам’яті в комп’ютері

У комп’ютері є декілька типів пам’яті: енергоНЕзалежна (постійна) та енергозалежна (або тимчасова).

Енергонезалежна пам’ять — це будь-який пристрій пам’яті, що може зберігати дані незалежно від подачі на нього живлення. У комп’ютері такими пристроями є жорсткий диск (HDD), твердотільні накопичувачі (SSD), флеш-пам’ять (наприклад, USB-накопичувачі або карти пам’яті). Інформація, що на них зберігається, буде доступна навіть після вимкнення комп’ютера і його повторного увімкнення.

Енергозалежна пам’ять — це тип пам’яті, якому для зберігання інформації потрібне постійне живлення. Саме такою в комп’ютері є оперативна пам’ять (RAM). Тобто, якщо на ОЗП припинити подачу електроживлення (вимкнути комп’ютер), інформація, що в ньому зберігалася, зітреться.

Оскільки в сучасних системах в ролі пристроїв для постійного зберігання даних можуть використовуватись SSD, жорсткі диски або їх сумісне використання, для зручності в подальшому будемо використовувати для них загальний термін – постійна памʼять, або пристрій постійної памʼяті.

Вважаю з цим все зрозуміло. Друга частина визначення відповідає на наступне питання.

Для чого потрібна оперативна пам’ять?

Сучасні процесори швидко обробляють великі обсяги даних, тому для максимальної продуктивності їм потрібен миттєвий доступ до інформації й можливість швидко повертати результати обчислень. Для цього сховище даних теж має бути дуже швидким.

Найшвидші сучасні накопичувачі (NVMe SSD) вміють обробляти запити за 30-50 мікросекунд, і за секунду передавати до 12 ГБ даних. Хоча може здатися що це швидко й багато, однак навіть ці показники недостатні для забезпечення повної продуктивності процесора.

Оперативна пам’ять у порівнянні з SSD, а тим паче з жорстким диском працює набагато швидше. ОЗП може обробити запит для процесора за 20 наносекунд і обмінятись з ним за секунду даними обʼємом 50-100 ГБ.

Якщо не враховувати різні кеші, RAM буде найшвидшим елементом у комп’ютері після центрального процесора.

Таким чином, оперативна пам’ять необхідна для забезпечення швидкої роботи комп’ютера, адже вона надає миттєвий доступ до даних і дозволяє процесору працювати з максимальною ефективністю.

Як це все працює?

Під час запуску комп’ютера всі необхідні дані, такі як ядро ОС, драйвери та програми автозапуску, завантажуються з постійної памʼяті до оперативної, звідки вони й потрапляють для обробки в ЦП. Результати своєї роботи процесор повертає також до оперативної пам’яті, а не в постійну. Кожна програма, кожне відкрите вікно будь-якої програми на комп’ютері знаходиться в оперативній пам’яті. Саме з нею центральний процесор і працює.

Розглянемо приклад із текстовим документом у Word.

В момент натискання на ярлик програми, необхідні для її роботи файли завантажуються в оперативну пам’ять, після чого на моніторі з’являється вікно редактора. Коли ви починаєте писати текст, він також знаходиться в оперативній пам’яті. На жорсткому диску його немає. Щоб зберегти його, потрібно натиснути кнопку «Зберегти» у Word. Якщо у вас траплялось таке, що друкуючи текст відбувався збій програми і після її перезапуску результати роботи зникали, це саме через те, що вони зберігались у оперативній памʼяті, а перезапуск видалив їх звідти.

Тепер, коли стало зрозуміло, що таке оперативна памʼять як вона працює і для чого потрібна, настав час дізнатися про її типи та основні характеристики

Типи оперативної пам’яті

Оперативна памʼять (RAM) буває двох типів: статична (SRAM) і динамічна (DRAM). Хоча обидва ці типи памʼяті енергозалежні, принципи їх роботи відрізняються. Розглянемо їх по черзі.

Статична оперативна памʼять

Щоб зрозуміти як працює SRAM можна уявити її, як набір маленьких «коробочок», а інформацію, як електричний заряд що може поміщатись або ні у цю коробочку. Якщо заряд у коробочці є, це означає – 1, якщо немає – 0. Вся інформація що циркулює у електронному пристрої є набором нулів та одиниць. Тобто текстовий файл з попереднього розділу у оперативній памʼяті буде послідовністю пустих та повних коробочок.

Особливістю статичної оперативної памʼяті є те, як влаштоване зберігання електричних зарядів у коробочках. Кожна “коробочка” в SRAM складається з кількох маленьких елементів, які працюють таким чином, що якщо інформація в них записана, вона може залишатися там, поки на пристрій подається напруга без необхідності перезаписувати дані. Саме тому вона й статична. Але оскільки оперативна памʼять постійно обмінюється даними з процесором, чи постійною памʼяттю, ці “коробочки” працюють як маленькі перемикачі нулів та одиниць.

SRAM має дуже високу швидкість і низьке енергоспоживання, оскільки її «коробочки» не потребують постійного оновлення інформації. Але через складніше виробництво така пам’ять дорожча. Тому її використовують лише в тих місцях, де потрібна максимальна швидкість і енергоефективність, наприклад, у кешах процесорів, високошвидкісних комутаторах або мережевих адаптерах тощо.

Динамічна оперативна памʼять

Динамічна оперативна пам’ять (DRAM) — це тип пам’яті, де інформація зберігається також у вигляді електричних зарядів але в елементах, які можна порівняти з маленькими «відерцями», що тримають заряд. Однак ці «відерця» мають властивість швидко заряд втрачати, і тому їх потрібно періодично «перезаряджати», щоб дані не зникли. Тобто витрачається додатковий час та енергія для зберігання тої самої інформації. Це робить динамічну оперативну памʼять повільнішою й більш енергозатратною за статичну, де перезаряджати нічого не потрібно.

Але DRAM дешевша для виробництва і має більшу щільність збереження даних, тому її, а точніше модифікації одного з її типів — SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) — синхронну динамічну пам’ять з довільним доступом, використовують для масового виробництва оперативної пам’яті.

Синхронною пам’ять називають тому, що операції читання та запису в ній синхронізовані з тактовими сигналами системи. Це означає, що операції в ОЗП виконуються точно в моменти часу, визначені тактовим сигналом процесора, що дозволяє центральному процесору чітко передбачати, коли можна очікувати завершення операцій з пам’яттю.

Таким чином, синхронізація з тактовим сигналом дає можливість комп’ютерним компонентам працювати в більш скоординований спосіб, зменшуючи затримки та забезпечуючи більш ефективну роботу всієї системи.

Такт (тактовий сигнал) — це періодичний електричний сигнал, який використовується для синхронізації роботи компонентів комп’ютерної системи. Цей сигнал визначає час, за який процесор і інші компоненти виконують певні операції.

У комп’ютерах тактовий сигнал створюється окремим елементом – генератором тактів, який створює постійну послідовність імпульсів. Час між двома імпульсами визначає тактову частоту (вимірюється в герцах, Гц), яка показує, скільки тактів відбувається за одну секунду. 1 герц дорівнює одному такту за секунду. Сучасні пристрої за секунду можуть виконувати мільйони й мільярди тактів, тому частіше за все їх частоту вказують у мегагерцах (МГц – мільйон герц) та гігагерцах (ГГц – мільярд герц). Зокрема частота оперативної памʼяті вимірюється в мегагерцах.

Типи SDRAM:

• DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронна динамічна пам’ять з подвоєною швидкістю передачі даних) – тип SDRAM, в якому за один такт інформація передається двічі що в порівнянні зі звичайною SDRAM дозволяє передавати вдвічі більше даних за один і той же проміжок часу. Вона широко використовується у виробництві модулів оперативної пам’яті для ПК та ноутбуків.
• Mobile DDR або LPDDR (Low Power DDR) — це пам’ять з пониженим енергоспоживанням, що використовує меншу напругу для збереження даних. Її використовують переважно в мобільних пристроях (наприклад, смартфонах та планшетах), але також можна знайти в ноутбуках (наприклад, в MacBook). LPDDR-пам’ять ідеально підходить для пристроїв, де важливі енергозбереження та низький тепловий викид.
• GDDR (Graphics DDR) — це підвид DDR SDRAM, призначений для використання в графічних картах. Хоча GDDR має багато спільного з DDR SDRAM, вона оптимізована для графічних навантажень. Вона здатна забезпечувати значно вищу пропускну здатність, що необхідно для обробки великих обсягів графічних даних.

Кожен з перелічених типів памʼяті, в свою чергу має декілька поколінь, разом з якими змінювались і їх характеристики. Оскільки нас цікавлять ОЗП для настільних ПК, розглянемо детальніше покоління DDR SDRAM.

Покоління DDR SDRAM

Перше покоління синхронної динамічної пам’яті з подвоєною швидкістю передачі даних зʼявилось у 1998 році (але в масовий продаж поступило у 2000) і на сьогоднішній день може становити інтерес хіба що з історичної точки зору. За наступні 27 років вийшло ще 4 покоління DDR:

• DDR2 SDRAM — 2003;
• DDR3 SDRAM — 2007;
• DDR4 SDRAM — 2014;
• DDR5 SDRAM — 2020.

Незважаючи не те, що DDR4 зʼявилося 11 років тому, а DDR5 5 років тому, четверте покоління досі актуальне й поширеніше за пʼяте.

Покоління DDR SDRAM відрізняються швидкістю, енергоспоживанням і пропускною здатністю. DDR1 працював на тактових частотах від 200 до 400 МГц, забезпечуючи пропускну здатність до 3,2 ГБ/с. DDR2 знизив напругу до 1,8 В і підвищив швидкість до 8,5 ГБ/с. DDR3 знизив напругу до 1,5 В і досяг швидкості до 17,0 ГБ/с. DDR4 знизив напругу до 1,2 В і досягнув пропускної здатності до 25,6 ГБ/с. DDR5 підвищив пропускну здатність до 51,2 ГБ/с, знизивши напругу до 1,1 В і покращивши енергоспоживання, що забезпечує ще більшу продуктивність для сучасних систем.

Фізично, модулі оперативної памʼяті різних поколінь для персональних комп’ютерів виконані у форматі DIMM, але відрізняються групами контактів. На модулі у групі контактів є виріз, а у DIMM слоті у відповідному місці виступ. У різних поколінь ОЗП він розташований у різних місцях. Таким чином, неможливо фізично вставити модуль оперативної пам’яті, який не відповідає типу слоту на материнській платі.

Типи модулів оперативної памʼяті

Окрім типів оперативної памʼяті як технології, існують також декілька категорій за якими можна розбити ОЗП.

Форм-фактор

Модулі оперативної памʼяті випускаються в декількох типорозмірах: DIMM та SO-DIMM.

• DIMM (Dual Inline Memory Module) є стандартним форм-фактором, який використовується здебільшого в настільних ПК, серверах і робочих станціях. Його розмір і конструкція дозволяють вміщувати більше чипів пам’яті, що забезпечує її більший обсяг і продуктивність.
• SO-DIMM (Small Outline DIMM) має компактний розмір і призначений для ноутбуків, міні-ПК та інших пристроїв із обмеженим простором. Цей форм-фактор зменшує габарити, але часто зберігає аналогічні технологічні характеристики.

Сфера використання

Модулі оперативної памʼяті можуть мати додаткові модифікації в залежності від вимог до стабільності роботи та сфери застосування.

• UDIMM (Unbuffered Dual Inline Memory Module) — це звичайна оперативна пам’ять, яка напряму передає дані між процесором і пам’яттю. Вона проста, швидка і коштує дешевше, але менш стабільна, якщо встановити багато модулів одночасно. Найчастіше використовується в домашніх комп’ютерах і ноутбуках, де не потрібна надвисока стабільність.
• RDIMM (Registered Dual Inline Memory Module) — має спеціальний чип (реєстр), який допомагає краще організувати передачу даних між процесором і пам’яттю. Завдяки цьому така пам’ять стабільніше працює у великих системах і може підтримувати більше модулів, але вона працює повільніше за UDIMM. Зазвичай використовується в серверах і робочих комп’ютерах, де важливо працювати з великим обсягом даних без збоїв.
• LRDIMM (Load-Reduced Dual Inline Memory Module) — це вдосконалена версія RDIMM. Вона має спеціальні чипи, які ще більше зменшують навантаження на систему, дозволяючи встановлювати ще більше оперативної пам’яті. Такий тип модулів використовується у потужних серверах для складних задач, наприклад, роботи з великими базами даних чи віртуальними машинами.

Основні характеристики оперативної пам’яті

• Покоління оперативної пам’яті: вказує на ключові параметри, такі як тактова частота, пропускна здатність та енергоспоживання, які визначають її потенційну продуктивність.
• Обсяг оперативної памʼяті – кількість RAM у системі. Впливає на продуктивність компʼютера. Якщо для виконання задач компʼютеру не вистачатиме оперативної памʼяті, частину даних він почне зберігати спеціальний розділ або файл у постійну памʼять – файл або розділ підкачки (swap). Оскільки швидкість доступу до постійної памʼяті набагато менша ніж до оперативної, тому й швидкість системи сповільниться.
• Тактова частота – кількість тактів, які пам’ять виконує за одну секунду, що визначає кількість операцій читання/запису в ОЗП за один такт. Цей параметр безпосередньо впливає на її пропускну здатність (кількість інформації що можна передати за одиницю часу) і, як результат, на загальну продуктивність комп’ютера. Вище значення забезпечує кращу швидкість доступу до даних.
• Таймінги — це час затримки сигналу на різних етапах роботи оперативної пам’яті, який вказується в тактах. Вони показують, скільки тактів потрібно для виконання операцій, таких як доступ до даних, їх передача чи запис. У характеристиках оперативної памʼяті таймінги подаються набором чисел, наприклад, 9-9-9-24 чи 30-36-36. Менші затримки можуть підвищувати продуктивність, але ефективність роботи оперативної памʼяті також залежить від тактової частоти, яка компенсує або посилює вплив таймінгів.
• Напруга – кількість енергії, яку використовує модуль оперативної пам’яті під час роботи. Вона безпосередньо впливає на загальне споживання енергії комп’ютером та виділення тепла. Чим вища напруга, тим більше енергії споживається і, відповідно, більше тепла виділяється. Зниження напруги, як у випадку з DDR5 (1.1V), допомагає зменшити споживану потужність і знизити тепловиділення..
• Форм-фактор ОЗП – розміри модуля памʼяті. У настільних компʼютерах в переважній більшості використовується форм фактор DIMM. Для ноутбуків використовується компактніший SO-DIMM.
• Тип ОЗП – тип модуля оперативної памʼяті. Для домашніх компʼютерів це UDIMM, для робочих машин або серверів RDIMM або LRDIMM.

Режими роботи оперативної памʼяті

Однією з важливих функцій оперативної пам’яті є багатоканальний режим роботи. Це режим, коли доступ до пам’яті виконується не через один, а через декілька каналів, що дозволяє значно збільшити її пропускну здатність.

Канал в оперативній пам’яті (RAM) — це фізичний шлях або лінія передачі даних, що використовується для звʼязку між процесором та модулями пам’яті. Він визначає, скільки даних може бути передано одночасно і як швидко це відбувається.

Dual Channel

Якщо в комп’ютері встановлено один модуль RAM об’ємом 8 ГБ, доступ до нього здійснюється через один канал, і швидкість передачі даних обмежується максимальною пропускною здатністю цього модуля. Проте, якщо замість одного модуля 8 ГБ використовувати два модулі по 4 ГБ, вони почнуть працювати паралельно, забезпечуючи доступ до загального об’єму пам’яті через два канали. У результаті, при тих же 8 Гб, пропускна здатність подвоюється. Такий режим роботи оперативної пам’яті називається двоканальним (Dual Channel).

Подвоєна пропускна здатність позитивно впливає на продуктивність системи. Для звичайних програм приріст становить у середньому 5-15%, але у ресурсоємних завданнях, таких як відеомонтаж або обробка великих масивів даних, продуктивність може зрости до 30%.

Умови для роботи оперативної пам’яті в двоканальному режимі

• Підтримка процесором і материнською платою. Навіть якщо більшість сучасних систем підтримують двоканальний режим, завжди варто перевіряти цю функцію в технічних характеристиках компонентів.
• Наявність мінімум двох модулів пам’яті одного покоління (наприклад, DDR4 або DDR5).
• Правильне підключення модулів у слоти. Як правило, це парні слоти (1-3 та 2-4), які часто мають однаковий колір для зручності користувача. Інформацію про порядок встановлення модулів також можна знайти в інструкції до материнської плати.

Додаткові вимоги для стабільної роботи в двоканальному режимі:

• Обидва модулі мають бути однакового об’єму.
• Модулі повинні мати однакові характеристики: таймінги, частоту, напругу.

Ідеальний варіант — це використання двох ідентичних модулів, які зазвичай продаються в парних комплектах (Kit). Це мінімізує ризик несумісності та забезпечує оптимальну продуктивність пам’яті.

Робота двоканального режиму для модулів з різними характеристиками

Якщо встановлені модулі пам’яті мають різні характеристики (об’єм, частота, таймінги), система все одно може спробувати активувати двоканальний режим. Однак у цьому випадку:

• Частота роботи буде обмежена найповільнішим модулем. Наприклад, якщо один модуль працює на частоті 3200 МГц, а інший — на 2666 МГц, система налаштує роботу обох модулів на 2666 МГц.
• Об’єм пам’яті в двоканальному режимі обмежується меншим модулем. Решта пам’яті з більшого модуля працюватиме в одноканальному режимі.

Flex Mode

У випадку, коли модулі мають різний об’єм (наприклад, 8 ГБ і 4 ГБ), система може активувати гнучкий режим роботи пам’яті (Flex Mode):

• Частина пам’яті, рівна об’єму меншого модуля (4 ГБ у наведеному прикладі), працює в двоканальному режимі.
• Решта пам’яті з більшого модуля (у цьому випадку ще 4 ГБ) працює в одноканальному режимі.
• Flex Mode дозволяє частково використовувати переваги двоканального режиму, навіть якщо модулі пам’яті не ідентичні. Це забезпечує кращу продуктивність, ніж повністю одноканальний режим, але не таку високу, як у випадку ідентичних модулів.

Flex Mode є хорошим компромісом у випадках, коли використовуються модулі з різними характеристиками

Triple і Quad Channel

Для більш продуктивних систем, таких як високопродуктивні комп’ютери, робочі станції або сервери, передбачені розширені багатоканальні режими роботи оперативної пам’яті: триканальний (Triple Channel) і чотириканальний (Quad Channel).

Особливості роботи

Обидва режими значно підвищують швидкість передачі даних у порівнянні з двоканальним режимом:

• У триканальному режимі використовується три канали, що збільшує пропускну здатність на 50% у порівнянні з двоканальним режимом.
• У чотириканальному режимі задіяні чотири канали, що забезпечує ще більший приріст продуктивності.

Triple і Quad Channel найкраще підходять для обчислювально-інтенсивних завдань, таких як обробка відео та 3D-моделювання та робота з великими базами даних або віртуальними машинами.

Сумісність та умови для роботи

Для активації цих режимів потрібна підтримка з боку процесора, та материнської плати, що має відповідну архітектуру та кількість слотів для пам’яті. У триканальному режимі використовуються три модулі пам’яті, а в чотириканальному — чотири. Як і у інших багатоканальних режимах, для стабільної роботи бажано щоб модулі памʼяті мали однаковий об’єм, частоту та таймінги.

Розширені багатоканальні режими

На додаток до попередніх режимів існують також конфігурації з більшою кількістю каналів, наприклад, шестиканальний (Hexa Channel) або навіть восьмиканальний (Octa Channel). Їх використання має вузькоспеціалізований характер і зустрічається, головним чином, у серверних системах або суперкомп’ютерах.

Збільшення кількості каналів дозволяє досягти ще вищої пропускної здатності, що робить такі режими оптимальними для надзвичайно ресурсоємних завдань, як-от:

• Комплексне моделювання (фізичне, хімічне, інженерне).
• Обчислення в науковій сфері та аналіз великих даних.

Проте такі режими вимагають:

• Спеціалізованих процесорів і платформ, які підтримують подібні конфігурації.
• Високої синхронізації між модулями пам’яті, що ускладнює їх налаштування.

Як правило, такі системи вимагають використання серверної оперативної пам’яті (Registered ECC) для забезпечення стабільності.

У підсумку

Багатоканальні режими роботи оперативної пам’яті є важливим інструментом підвищення пропускної здатності системи. Dual Triple і Quad Channel забезпечують значний приріст продуктивності для персональних комп’ютерів і робочих станцій. Конфігурації з більшою кількістю каналів, хоч і зустрічаються рідше, є критично важливими для специфічних завдань у високопродуктивних і серверних платформах.

Висновок

На цьому й завершимо. Я постарався викласти основну інформацію про оперативну пам’ять комп’ютера, якої буде достатньо звичайному користувачеві для розуміння того, що таке оперативна пам’ять, для чого вона потрібна і як працює, а також її основні характеристики. У коментарях ви можете поставити мені запитання, якщо щось незрозуміло.