#факты | Преодоление ограничений компьютерной памяти

Сегодня мы продолжим повествование о компьютерной памяти, начатое рассказом о ее иерархии. В наши дни процессоры способны работать с невероятной скоростью. Но вся их мощь упирается в те ограничения, которые накладывает медлительная память. Если бы не разработанные инженерами методики преодоления этих досадных ограничений, могучий процессор не столько работал бы, сколько ждал запрошенной из хранилища информации. И в разработке быстрых и мощных чипов не было бы никакого смысла. Разумеется, компьютерные профессионалы всё это уже знают, но для миллионов искренних ценителей высоких технологий этот материал может оказаться познавательным.

Рассмотреть все существующие в мире разновидности запоминающих устройств в рамках краткого обзора не представляется возможным. Поэтому мы остановимся только на тех типах памяти, которыми оснащено большинство персональных компьютеров в современном мире. Речь идет о кеш-памяти первого (L1) и второго (L2) уровней; системной оперативной памяти; виртуальной памяти и, разумеется, жестком диске. Зачем обычному компьютеру так много самой разнообразной памяти? Чтобы ответить на этот вопрос, потребуется немного рассказать о том, для чего служит каждый тип компьютерной памяти.

Медленная и дешевая виртуальная память на жестком диске

Современный компьютер обладает мощным процессором. Но он лишится всякого смысла, если хранилище данных, к которому он обращается будет работать медленно. Если бы процессору пришлось иметь дело с медленной памятью, большую часть своего времени он проводил бы в ожидании отклика запоминающего устройства. Нынешнему процессору нужны миллиарды байт информации в секунду.

Когда промышленность только преодолела 1-гигагерцовый рубеж тактовой частоты процессора, она столкнулась с проблемой: память, которая способна справится с запросами могучего процессора стоит очень дорого. Но ни одна преграда на пути технического прогресса не способна надолго задержать его ход. Решение было найдено: небольшой объем быстрой и дорогой памяти сочетается в современных машинах с более емкими и менее затратными хранилищами информации.

Самым дешевым (и очень медленным) видом перезаписываемой компьютерной памяти является жесткий диск. Скорость доступа к нему невелика, зато он позволяет за умеренные деньги создавать большие постоянные хранилища информации. Стоимость хранения одного мегабайта данных на диске незначительна. Зато и времени на то, чтобы считать этот мегабайт потребуется существенно больше, чем если бы он располагался на более дорогом (и быстром) носителе. Поскольку жесткий диск дешев и ёмок, он образует нижнюю ступень иерархии памяти, к которой обращается процессор, именуемую виртуальной памятью.

На ступеньку выше в этой иерархии располагается оперативная память (ОЗУ, RAM). Ранее мы уже рассмотрели, как работает этот тип памяти. Но в предыдущем нашем повествовании некоторые подробности остались за кадром, которые имеют отношение не столько к оперативной памяти, сколько к процессору и его возможностям взаимодействия с ОЗУ. Сегодня мы прольем свет на эти детали.

Битность процессора указывает нам на то, к скольким битам информации, размещенной в оперативной памяти, он способен получить доступ одновременно. В качестве примера возьмем устаревшие 16-битные процессоры. Они были способны одновременно оперировать с двумя байтами данных (1 байт = 8 битам, таким образом 16 бит = 2 байта). Следовательно, современные 64-битные процессоры обращаются к 8 байтам информации в один момент времени.

В мегагерцах (МГц, миллионах герц) и гигагерцах (ГГц, миллиардах герц) измеряется скорость обработки данных процессором. То есть сколько циклов (тактов) обработки он способен выполнить за одну секунду. Чтобы не погружаться в невообразимо огромные цифры, в качестве примера возьмем старенький (а когда-то представлявшийся верхом совершенства и мощи) процессор Pentium III с тактовой частотой 800 мегагерц в секунду. Его 32-битная архитектура говорит о том, что он способен работать одновременно с четырьмя байтами информации. Не впечатляет? Но он мог проделать эту операцию 800 миллионов раз в секунду. Перед оперативной памятью стоит непростая задача: успевать за процессором, не отставать от него и вовремя предоставлять ему информацию. Иначе все поразительные возможности чипа будут простаивать в ожидании очередной порции байтов.

Системная оперативная память компьютера в одиночку с этой задачей не справляется. Поэтому нужен еще один тип сверхбыстрого хранилища данных: кеш-память (о которой мы поговорим ниже). Но, конечно, чем быстрее работает оперативная память, тем лучше для системы в целом. Скорость чтения и записи оперативной памяти зависит от того типа ОЗУ, который используется в данном компьютере. Поэтому вновь вернемся к оперативной памяти, но на сей раз рассмотрим ее технические характеристики.

Системная оперативная память

Скорость системной оперативной памяти определяется пропускной способностью ее шины. Пропускная способность шины, в свою очередь, определяется числом битов, которые одновременно могут быть направлены центральному процессору. Сколько раз в секунду такой набор битов может быть направлен процессору? Отвечающая на этот вопрос цифра называется скоростью шины. Циклом считается каждая передача данных процессору оперативной памятью.

Например: 32-битная 100-мегагерцовая шина теоретически способна одновременно передавать 4 байта информации (32 бита делить на 8 = 4 байта) 100 миллионов раз в секунду. 66-мегагерцовая 16-битная шина может одновременно передать всего 2 байта 66 миллионов раз в секунду. Простые математические вычисления показывают нам, что первая шина превосходит вторую по объему ежесекундно передаваемой процессору информации примерно втрое (400 миллионов байт против 132 миллионов байт).

Но в реальности оперативная память, разумеется, обычно не работает на пределе возможностей. И сейчас настала пора ввести еще один термин, который тоже накладывает свои ограничения на фактическую скорость передачи данных. Латентность оперативной памяти указывает на количество циклов, необходимых для чтения бита информации. К примеру, оперативная память с тактовой частотой 100 МГц, казалось бы, способна передавать бит за одну стомиллионную долю секунды. На самом же деле, пять стомиллионных долей секунды уйдет на запуск процесса чтения первого бита. Чтобы сократить влияние фактора латентности памяти, процессор использует специальную технологию, именуемую пакетно-монопольным (групповым или просто монопольным) режимом (burst mode).

Память ожидает, что данные, расположенные в ее определенных ячейках, будут запрошены процессором. Поэтому контроллер памяти считывает одновременно несколько битов данных, расположенных в памяти по определенным адресам. Это означает, что вызванная латентностью задержка чтения в полной мере коснется только первого бита информации. Чтение следующих битов займет существенно меньше времени. Характеристики группового режима памяти обыкновенно обозначается в виде четырех чисел, разделенных тире. Первое число говорит нам о количестве циклов, которые потребуются для осуществления операции чтения. Второе, третье и четвертое числа показывают, сколько ц
1c48
иклов потребуется для чтения каждого следующего бита в группе.

К примеру, строка «5-1-1-1» способна поведать нам, что для чтения первого бита необходимы пять циклов и один цикл для чтения каждого последующего бита информации. Чем меньше это число, тем выше производительность памяти.

Групповой режим нередко сочетается с другим средством снижения эффекта латентности, так называемой конвейеризацией. Эта методика организует наборы данных в своего рода конвейерные процессы. Контроллер памяти параллельно считывает из памяти одно или несколько слов; отправляет процессору текущее слово или слова; записывает одно слово или несколько в ячейки памяти. Групповой режим и конвейеризация, применяемые в связке, значительно снижают замедляющее влияние латентности.

У читателей может возникнуть вопрос: а почему бы сразу не приобрести самую быструю память с самой высокой из возможных в современном мире пропускной способностью? Но тут вступает в силу ограничение, накладываемое системной шиной материнской платы компьютера. Вы, конечно, можете поставить 100-мегагерцовую память в материнскую плату с 66-мегагерцовой системной шиной. Но ее предельная скорость все равно будет составлять 66 МГц в секунду. И вы не получите никакого преимущества. Так и 32-битная память не соответствует 16-битной шине.

И даже очень скоростная память с широкой полосой пропускания всё равно не достигает той скорости, с которой процессор способен обрабатывать данные. Именно для этого и нужна сверхбыстрая кеш-память.

Кеш-память и регистр процессора

Чтобы закрыть это слабое место, разработана так называемая кеш-память. Ее очень мало, но она очень быстрая. Например, процессор AMD Jaguar может похвастаться лишь 32 килобайтами кеша инструкций первого уровня и 32 килобайтами первоуровневого кеша данных. На этом процессоре базируются новейшие игровые консоли наших дней. В том числе и Xbox One, в гостях у создателей которой недавно побывали наши читатели. Кеш-память первого уровня (L1) в современных процессорах обычно находится в пределах: от 2 до 64 килобайт.

Вторичный кеш, или кеш-память второго уровня (L2), может быть технически реализована в виде расположенной рядом с процессором и напрямую с ним связанной карты. Специальная микросхема на материнской плате — L2-контроллер (контроллер кеш-памяти второго уровня) — регулирует использование этой памяти центральным процессором компьютера. В зависимости от модели процессора, размер кеш-памяти второго уровня может составлять от 256 килобайт до 2 мегабайт. Но технологии развиваются очень быстро, поэтому из данного «правила» возможны и случаются исключения. У процессора Jaguar как раз 2 мегабайта кеша L2. О причинах, по которым именно этот чип лег в основу игровой приставки PlayStation 4 еще в начале апреля 2013 года поведал ее конструктор.

Современный компьютер устроен таким образом, чтобы в 95 % случаев процессор получает данные из кеш-памяти, не нуждаясь в обращении к более медленным хранилищам информации. Некоторые дешевые системы обходятся вовсе без L2-кеша. Зато во многих высокопроизводительных процессорах кеш-память второго уровня встроена непосредственно в чип. Размер кеша второго уровня и его интегрированность непосредственно в центральный процессор являются важнейшими факторами, оказывающими влияние на производительность процессора.

Технически кеш является статической оперативной памятью (SRAM). В памяти этого типа каждая ее ячейка сформирована несколькими транзисторами: обычно их бывает от четырех до шести. Она обладает внешней логической матрицей, именуемой мультивибратором с двумя устойчивыми состояниями (бистабильным мультивибратором, bistable multivibrator). С его помощью реализуется переключение между двумя состояниями. Это означает, что память этого типа не нуждается (в отличие от динамической памяти DRAM) в постоянном обновлении.

Каждая ячейка способна удерживать размещенные в ней данные в течение любого длительного времени. До тех пор, пока не будет отключена энергия. Благодаря отсутствию потребности в постоянном обновлении, SRAM работает необычайно быстро. Но сложная конструкция каждой ячейки памяти этого типа делает ее слишком дорогой для использования в качестве стандартной оперативной памяти компьютера.

Статическая кеш-память бывает асинхронной и синхронной. Синхронная SRAM сконструирована таким образом, чтобы ее скорость в точности соответствовала скорости процессора. Чего нельзя сказать об асинхронном кеше. Эта, казалось бы, незначительная разница сказывается на производительности. Не станем вдаваться в технические подробности, скажем только, что синхронная память предпочтительнее.

На самой вершине иерархической пирамиды компьютерной памяти находится регистр процессора. Он встроен непосредственно в чип и содержит специальные — необходимые процессору — данные: арифметические и логические выражения. Являясь составной частью процессора, его регистр управляется непосредственно компилятором, отправляющим процессору информацию для обработки.

Причиной рассмотрения взаимодействия компьютерной памяти и центрального процессора на примерах устаревших систем, является сравнительная простота вычислений. Дело в том, что современные компьютеры базируются на многоядерных процессорах. При этом принцип обращения процессора к памяти остался прежним и каждый может, при желании, самостоятельно произвести вычисления для сложнейшей из современных систем. В рамках краткого обзора эти вычисления выглядели бы нагромождением информации, усложняющей материал, но не вносящей в него ничего нового.

По материалам computer.howstuffworks.com