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系统内存怎么选?详解SRAM与DRAM的前生今世

gecimao 发表于 2019-05-12 21:14 | 查看: | 回复:

  首先介绍一些背景。随机存取存储器(RAM)是与CPU直接交换数据的内部存储器,放置在处理器上,为CPU运算存储变量。RAM为请求数据(寄存器)提供存储器位置,CPU接收带有数据存储器地址或位置的数据读取指令,将地址发送到RAM控制器。反过来,控制器将地址发送到正确的路径,打开路径晶体管并读取每个电容器值。读取的数据将传输回CPU的缓存。

  此读/写操作的速度称为时序,更快的时序和更短的延迟会提供更快的访问时间和低延迟。较慢的时序会带来较低的性能和较高的延迟。带宽也会影响性能:带宽越大,RAM每秒处理的数据越多,时序越快。

  有许多下一代内存组件构建在这两种技术之上,但在深入研究这些新技术之前,了解SRAM和DRAM的基础知识非常重要。

  • 什么是SRAM?每个SRAM单元使用六晶体管电路(six-transistor circuit)和锁存器(latch)存储一个bit。(DRAM使用晶体管和电容器。)SRAM是易失性的,但如果系统通电,SRAM会保留存储的数据而无需重复充电。它对电噪声相当不敏感——电噪声是会对所需信号产生干扰的,不需要的电信号。由于它比DRAM更快且成本更高,因此通常作为CPU内存缓存或用于高端、高性能服务器运行。SRAM系统内存通常为20-40ns(纳秒)。

  • 什么是DRAM?每个DRAM单元使用一个晶体管另加一个电容器来存储一个bit,因此DRAM具有非常高的密度。像SRAM一样,DRAM也是易失性的。但与SRAM不同,DRAM每个单元必须周期性地进行刷新(预充电),因为电容器不可避免地存在漏电现象。它对电噪声很敏感。DRAM速度通常在60ns到100ns之间——仍然很快,但比SRAM慢。一般速度为20-40GB / s,连续的单元充电,使DRAM比SRAM具有更高的时延和带宽延迟。

  随着计算速度的加快,全闪存数据中心逐渐占据主导地位,设计速度更快的RAM,将成为一个持续性的行业需求。这可能会影响这两种RAM类型。SSD创新的快速发展需要不断升级RAM性能。

  计算机的发展影响了计算机内存,让我们来看看一些关于SRAM和DRAM的主要进展。

  SDRAM——同步DRAM(SDRAM)是一种与CPU的时钟周期同步的DRAM,因此存储器的控制器确切地知道所请求的数据何时可以访问。这减少了访问时间并提高了内存性能。

  DDR——双倍数据速率SDRAM(DDR SDRAM,大家习惯称DDR)是最新一代SDRAM。DDR提高了速度,降低了功耗,引入了刷新机制,并增加了CRC等安全功能。例如,DDR3传输IO数据的速度比其自身单元的速度快8倍,从而实现更高的吞吐量和更快的速度。(但它并没有降低时延)单芯片容量可以达到8GB,在实际应用中可有效翻倍至16GB。

  VRAM——即Video RAM,是一种用于存储计算机图像数据的DRAM。VRAM充当用户显示监视器和处理器之间的帧缓冲器。处理器最初从主存储RAM读取视频数据并将其写入视频RAM格式。帧缓冲器将数字视频数据转换为模拟信号并发送到显示器。旧的VRAM是双端口的,这意味着当CPU处理器将一个新的帧写入视频RAM时,监视器将从视频中读取并更新其显示。

  MDRAM——多BANK动态随机存取存储器(Multibank Dynamic RAM),是一种高性能VRAM。传统的VRAM通过呈现整个帧缓冲区以进行数据访问,而MDRAM将内存划分为32KB的BANK以进行并发访问。

  EDRAM——增强型DRAM,将SRAM和DRAM结合起来,为2级缓存提供服务。通常是256字节的SRAM与DRAM配对。数据读取操作首先检查SRAM以获取所请求的数据,如果数据未存储在SRAM中,再检查DRAM。

  WRAM——Window RAM(与Microsoft Windows无关)是一种高性能的双端口VRAM。它的架构比传统的VRAM产生大约25%的带宽,成本更低。它通过高性能数据读取实现此功能,用于文本绘制和块填充等操作。它采用线位色),非常适合高分辨率图形显示器。

  EDO DRAM——扩展数据输出DRAM(EDO DRAM),预先读取下一块存储器,同时将前一块发送到CPU,这使它的速度比标准DRAM快25%。

  市场上还有许多其他不同版本的SRAM和DRAM,以及可能取代它们的颠覆性内存技术。这种情况还没有大规模发生,但有一些公司已经开始将资源投入计算机内存研发。

  例如,相变随机存储器(PCRAM)是一个有趣的尝试,试图取代DRAM。PCRAM听起来像是科幻小说里的元素。它可以在两种状态之间切换,一种是低导电性的原子结构,另一种是高导电性的结晶态。根据它们当前所处的状态记录0和1,借此,处理器可以写入和重写数据。

  在早期的实验中,当受到强电流时,这些元素被证明是不可靠的。此前,中国科学院上海研究院的研究人员报告称,他们将PCRAM性能提高了10倍,将其设计为非易失性的,并提高了可靠性。

  这一进展的关键,是由镁和钪组成的形状记忆合金(SMA)。尽管取得了如此大的进展,但PCRAM还不能与DRAM的多次写入和重写数据记录相匹配。(这里的“多次”,一般指“数万亿次”。)截至目前,SRAM和DRAM在CPU内存领域仍然处于“霸主”地位。

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