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科技台灣  2017-09-16 21:02  A20170813001 
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隨機存取記憶體(RAM:Random Access Memory)是指記憶體讀取或寫入資料所需要的時間與這段資料所在的位置無關。使用時可以讀取資料也可以寫入資料,目前使用最廣泛的隨機存取記憶體為SRAM與SDRAM,當電源關閉以後資料立刻消失,屬於「揮發性記憶體(Volatile memory)」。

 

❒ 靜態隨機存取記憶體(SRAM:Static RAM)
以6個電晶體(MOS)來儲存1個位元(1bit)的資料,而且使用時「不需要」週期性地補充電源來保持記憶的內容,故稱為「靜態(Static)」。SRAM的構造較複雜(6個電晶體儲存1個位元的資料),不使用電容所以存取速度較快,但是成本也較高,因此一般都製作成對容量要求較低但是對速度要求較高的記憶體,例如:中央處理器(CPU)內建256KB、512KB、1MB的「快取記憶體(Cache memory)」,一般都是使用SRAM。

 

❒ 動態隨機存取記憶體(DRAM:Dynamic RAM)
以1個電晶體(MOS)加上1個電容(Capacitor)來儲存1個位元(1bit)的資料,而且使用時「需要」週期性地補充電源來保持記憶的內容,故稱為「動態(Dynamic)」。DRAM構造較簡單(1個電晶體加上1個電容),由於電容充電放電需要較長的時間造成存取速度較慢,但是成本也較低,因此一般製作成對容量要求較高但是對速度要求較低的記憶體,例如:個人電腦主機板通常使用1GB以上的DDR-SDRAM就是屬於一種DRAM。由於CPU的速度愈來愈快,傳統DRAM的速度已經無法滿足要求,因此目前都改良成SDRAM或DDR-SDRAM等兩種型式來使用。

 

❒ 同步動態隨機存取記憶體(SDRAM:Synchronous DRAM)
中央處理器(CPU)與主機板上的主記憶體(SDRAM)存取資料時的「工作時脈(Clock)」相同,故稱為「同步(Synchronous)」。由於CPU在存取資料時不需要「等待(Wait)」因此效率較高,SDRAM的存取速度較DRAM快,所以早期電腦主機板上都是使用SDRAM來取代傳統的DRAM,而目前只有少數工業電腦仍然使用SDRAM。知識力www.ansforce.com。

 

CPU 與SDRAM是利用石英振盪器所產生的「時脈(Clock)」來進行同步的動作,我們將石英振盪器連接到SDRAM的某一個金屬接腳(Pin),如<圖一(a)>所示,做為SDRAM讀取資料時的標準時間,石英振盪器所產生的時脈如<圖一(b)>所示,其實就是電壓大小在1V(伏特)與0V之間不停地變化。
➤上升邊緣(Rising edge):當電壓由0V變成1V時形成一個「上升邊緣」。
➤下降邊緣(Falling edge):當電壓由1V變成0V時形成一個「下降邊緣」。

 

圖一 時脈的「上升邊緣」與「下降邊緣」。

 

當SDRAM讀到一個「上升邊緣」時將資料傳送到CPU;相反地,當SDRAM讀到一個「上升邊緣」時也可能將資料由CPU接收進來,也就是CPU與SDRAM「同時(同步)」進行傳送或接收的動作,至於是傳送還是接收,一般會有另外一支金屬接腳(Pin)來決定,在此不再詳細討論。

 

SDRAM是在時脈的「上升邊緣」存取資料,也就是在時脈電壓上升時存取資料,電壓下降時則不存取資料,所以一個時脈週期只能讀取1位元(bit)的資料,如<圖二(a)>所示,雖然傳送到SDRAM的資料電壓一直在改變,但是經由與時脈電壓「上升邊緣」同步後,可以確定SDRAM讀取的數位資料是「010(讀取3位元)」。知識力www.ansforce.com。

 

圖二 SDRAM與DDR配合時脈存取資料。

 

SDRAM配合處理器(CPU)的外頻而有不同的規格,例如:SDRAM-200的工作頻率為200MHz,資料傳輸率為1.6GB/s,如<表一>所示。

 

表一 各種同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)比較表。

 

❒ 二倍資料速度-同步動態隨機存取記憶體(DDR-SDRAM)
一個時脈週期可以讀取2位元(bit)的資料,工作速度比SDRAM快二倍,故稱為「二倍資料速度(DDR:Double Data Rate)」,而且DDR只需要將SDRAM的電路少量修改,成本增加不多就可以得到兩倍的資料存取速度,因此一上市就立刻取代SDRAM成為主流產品。

 

DDR是在時脈的「上升邊緣」與「下降邊緣」均可存取資料,也就是在時脈電壓上升時存取資料,電壓下降時也可以存取資料,所以一個時脈週期可以讀取2位元(bit)的資料,如<圖二(b)>所示,雖然傳送到DDR的資料電壓一直在改變,但是經由與時脈電壓「上升邊緣」和「下降邊緣」同步後,可以確定DDR讀取的數位資料是「011101(讀取6位元)」,顯然相同時間存取速度恰好是SDRAM的兩倍。DDR配合處理器(CPU)的外頻而有不同的規格,例如:DDR-400的工作頻率為200MHz,但是資料傳輸率為3.2GB/s,恰好比SDRAM-200快二倍,如<表一>所示,DDR的工作頻率最高可達350MHz(DDR-700)。
➤DDR2:由於個人電腦的CPU運算速度愈來愈快,因此科學家們開發出速度更快的DDR2與DDR3,增加許多新的功能來提升存取速度,由於原理複雜在此不再詳細描述。基本上DDR2的資料存取速度是SDRAM的4倍,例如:DDR2-800的工作頻率為200MHz,但是資料傳輸率可達6.4GB/s,恰好比SDRAM-200快四倍,如<表一>所示,DDR2的工作頻率最高可達300MHz(DDR2-1200)。
➤DDR3:DDR3的資料存取速度是SDRAM的8倍,例如:DDR3-1600的工作頻率為200MHz,但是資料傳輸率可達12.8GB/s,恰好比SDRAM-200快八倍,如<表一>所示,DDR3的工作頻率最高可達275MHz(DDR3-2200)。
➤DDR4:DDR4的資料存取速度是SDRAM的16倍,例如:DDR4-3200的工作頻率為200MHz,但是資料傳輸率高達25.6GB/s,恰好比SDRAM-200快十六倍,如<表一>所示。

 

此外,<表一>可以看出DDR的發展過程,工作電壓愈來愈低,由SDRAM的3.3V降低到DDR4的1.2V;數據速率與資料傳輸率愈來愈快,其中「T/s」代表「Transfer per second」,就是每秒傳送多少次,由於資料寬度是64bit,每一次可以傳送64bit(8Byte)的資料,所以DDR4的數據速率為3.2GT/s,則其資料傳輸率為3.2GT/s x 8Byte=25.6GB/s。DDR的外觀如<圖三>所示,DDR、DDR2、DDR3的構造相似,只有接腳中央的缺口處略有不同,以避免使用者安裝錯誤。

 

圖三 二倍資料速度-同步動態隨機存取記憶體(DDR-SDRAM)的外觀。
資料來源:Martini on https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8941276、
https://archive.org/details/ddr-ddr2-ddr3-ddr4。

 

❒ 行動用-二倍資料速度-同步動態隨機存取記憶體(MDDR:Mobile DDR)
MDDR又稱為「低功率-二倍資料速度-同步動態隨機存取記憶體(LPDDR:Low Power DDR)」是DDR的一種,主要是降低工作電壓來達到省電的目的,例如:MDDR的工作電壓從原本DDR的2.5V降低到1.8V,MDDR2的工作電壓從原本DDR的1.8V降低到1.2V,可以應用在手持式電子產品,包括:平板電腦、智慧型手機等。

 

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

 

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業,全華圖書公司」。<我要買書

 

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