ДУП.03 Основы информационных технологий

Лекция 2 · 2 академических часа

Оперативная память — это «рабочий стол» компьютера. Здесь временно хранятся данные и программы, с которыми работает процессор прямо сейчас.

Оперативная память (RAM, Random Access Memory) — это память с произвольным доступом. Она используется для временного хранения данных и программ во время работы компьютера.

• Процессор берёт команды и данные из RAM.
• Результаты вычислений тоже записываются в RAM.
• Чем больше RAM, тем больше программ работает одновременно.

Простая аналогия: RAM — это рабочий стол, а жёсткий диск — шкаф с документами. Чем больше стол, тем больше бумаг можно разложить сразу.

Процессор не может быстро работать с данными прямо на диске — диск слишком медленный. Поэтому данные сначала загружаются в RAM.

• Быстрый доступ: RAM в сотни раз быстрее жёсткого диска.
• Многозадачность: каждая программа занимает часть RAM.
• Согласование скоростей: RAM сглаживает разницу между быстрым процессором и медленным диском.

Все эти параметры вместе влияют на скорость работы компьютера.

RAM — энергозависимая память. При отключении питания данные теряются.

• Энергозависимая: RAM, кэш процессора, регистры.
• Энергонезависимая: HDD, SSD, флешки, BIOS.

Именно поэтому при внезапном выключении компьютера несохранённые данные теряются.

До появления электронной памяти люди использовали механические и электромеханические устройства.

• Перфокарты — картонные карточки с отверстиями. Использовались с XIX века.
• Перфоленты — бумажные ленты с отверстиями.
• Реле и счётчики — в первых ЭВМ роль памяти выполняли электромеханические реле.

Эти устройства были медленными и громоздкими, но именно с них началась история хранения информации.

В 1940-х годах использовали ртутные линии задержки.

• Данные передавались в виде звуковых импульсов через трубку со ртутью.
• Импульсы «бежали» по трубке и считывались на другом конце.
• Использовались в первых ЭВМ, например в EDSAC.

Память на трубках Вильямса (1946–1950-е).

• Электронный луч записывал заряды на экране электронно-лучевой трубки.
• Заряды считывались тем же лучом.
• Такая память использовалась в первых компьютерах.

С 1950-х до середины 1970-х годов основной была память на ферритовых сердечниках.

• Каждый бит хранился в крошечном магнитном кольце (сердечнике).
• Направление намагничивания задавало 0 или 1.
• Такая память была надёжной и хранила данные без питания.

В конце 1960-х появилась полупроводниковая память.

• В 1966 году Роберт Деннард из IBM изобрёл ячейку DRAM.
• В 1969 году Intel выпустила микросхему памяти 3101 (SRAM).
• В 1970 году появилась первая коммерческая DRAM — Intel 1103.

Чтобы память было удобно ставить в компьютер, придумали модули.

• SIMM (Single In-line Memory Module) — 30 и 72 контакта. Использовались в 1980–1990-х.
• DIMM (Dual In-line Memory Module) — 168, 184, 240, 288 контактов. Используются до сих пор.

Сначала была SDRAM (Synchronous DRAM) — синхронная память.

• Работала синхронно с шиной, передавала данные один раз за такт.
• В 2000 году появилась DDR — Double Data Rate.
• DDR передаёт данные дважды за такт: по фронту и по спаду сигнала.

Так скорость выросла без увеличения частоты.

Важно: поколения несовместимы. DDR4 нельзя вставить в слот DDR3.

Random Access означает, что время доступа к любой ячейке памяти одинаково.

• Не нужно «промотать» память до нужного места, как на ленте.
• Процессор сразу обращается по нужному адресу.
• Это обеспечивает высокую скорость работы.

Ячейка памяти — минимальная единица хранения. Обычно хранит 1 байт (8 бит).

• У каждой ячейки есть свой адрес.
• Процессор обращается к памяти по адресу.
• Разрядность адреса определяет максимальный объём памяти.

DRAM — динамическая память. Каждый бит хранится в конденсаторе.

• Заряд в конденсаторе = 1, нет заряда = 0.
• Заряд постепенно утекает, поэтому нужна регенерация.
• Контроллер памяти обновляет заряды тысячи раз в секунду.

SRAM — статическая память. Каждый бит хранится в триггере.

• Триггер — схема из нескольких транзисторов.
• Пока есть питание, данные сохраняются без обновления.
• Очень быстрое чтение и запись.
• Дороже и занимает больше места.

Электрически совместимы, но физически не взаимозаменяемы.

• Одноканальный — один модуль, базовая скорость.
• Двухканальный — два модуля, скорость удваивается.
• Четырёхканальный — для серверов, ещё выше скорость.

Двухканальный режим — стандарт для современных ПК.

Пропускная способность — сколько данных память передаёт за секунду.

• DDR4-3200: 8 × 3200 = 25 600 МБ/с ≈ 25.6 ГБ/с.
• DDR5-6400: 8 × 6400 = 51 200 МБ/с ≈ 51.2 ГБ/с.
• В двухканальном режиме значения удваиваются.

Задача: рассчитать пропускную способность DDR4-3200 в одном канале.

Пояснение: 8 байт — это разрядность шины памяти (64 бита). Умножаем на частоту 3200 МГц и получаем 25.6 ГБ/с.

Если поставить два таких модуля — получим 51.2 ГБ/с.

Тайминги — это задержки при чтении и записи данных.

• CL (CAS Latency) — главный тайминг. Задержка между запросом и ответом.
• Чем меньше тайминг, тем быстрее память.
• Но слишком низкие тайминги могут привести к нестабильности.

ECC (Error Correction Code) — технология обнаружения и исправления ошибок.

• Используется в серверах и важных системах.
• Автоматически исправляет одиночные ошибки.
• Дороже и немного медленнее обычной памяти.

• SO-DIMM — стандарт для ноутбуков.
• LPDDR — низкопотребляющая память, часто впаяна в плату.
• Onboard memory — в ультрабуках RAM распаяна и не заменяется.

• Большие объёмы: до нескольких терабайт.
• ECC — обязательна для надёжности.
• Буферизация — для стабильной работы под нагрузкой.
• Многоканальность: 4, 6, 8 каналов.

Контроллер памяти — устройство, которое управляет обменом между процессором и RAM.

• В современных процессорах контроллер памяти встроен в CPU.
• Это сокращает задержки и ускоряет работу.
• Процессор отправляет адрес — получает данные.

Кэш — быстрая память (SRAM), которая хранит часто используемые данные.

• L1 — самый быстрый, но маленький (32–64 КБ).
• L2 — больше (256 КБ – 1 МБ), чуть медленнее.
• L3 — общий для всех ядер (до 32 МБ и более).

• Скорость убывает слева направо.
• Объём растёт слева направо.
• Стоимость за гигабайт падает слева направо.

Виртуальная память — механизм, который позволяет программам использовать больше памяти, чем есть физически.

• Система выгружает неиспользуемые данные на диск.
• Это называется файл подкачки (в Windows — pagefile.sys).
• При нехватке RAM компьютер начинает тормозить.

Каждая программа занимает часть RAM.

• Браузер — 1–4 ГБ.
• Офисные программы — 200–500 МБ.
• Игры — 8–16 ГБ.
• Видеомонтаж — 16–64 ГБ.

Разгон RAM — увеличение частоты или снижение таймингов выше заводских.

• Требует поддержки материнской платы (XMP, EXPO).
• Может дать прирост в играх и вычислениях.
• Повышает риск нестабильности и перегрева.

• Windows Memory Diagnostic — встроенная утилита Windows.
• MemTest86 — загрузочная утилита для глубокой проверки.
• Симптомы проблем: синие экраны, зависания, перезагрузки.

• Тип: DDR4 или DDR5 — зависит от материнской платы.
• Форм-фактор: DIMM для ПК, SO-DIMM для ноутбука.
• Объём: 16–32 ГБ для дома, 64+ для работы.
• Частота: чем выше, тем лучше (в пределах поддержки CPU).
• Бренд: Kingston, Crucial, Samsung, Corsair, G.Skill.

1. Отключите питание и снимите крышку корпуса.
2. Найдите слоты DIMM (обычно 2 или 4).
3. Откройте защёлки.
4. Вставьте модуль, совместив ключ.
5. Нажмите до щелчка.
6. Проверьте в BIOS, что память определилась.

• Несовместимость поколений DDR.
• Неправильная установка (не до щелчка).
• Игнорирование двухканального режима.
• Смешивание модулей с разными частотами.
• Отсутствие обновления BIOS для новой памяти.

• DDR5 — рост частот и объёмов.
• LPDDR5X — для мобильных устройств.
• HBM — для видеокарт и суперкомпьютеров.
• MRAM, ReRAM — перспективные энергонезависимые технологии.

Мы рассмотрели:

• Что такое оперативная память и зачем она нужна.
• Историю развития: от перфокарт до DDR5.
• Различия RAM и ROM, DRAM и SRAM.
• Поколения DDR и их характеристики.
• Форм-факторы, каналы, тайминги.
• Пропускную способность и её расчёт.
• Кэш, виртуальную память и иерархию.
• Практические советы по выбору и установке.