【转载】图解DRAM的结构原理

圖解RAM結構與原理，系統記憶體的Channel、Chip與Bank

R.F. 發表於 2014年5月31日 09:00 2014-05-31 收藏此文

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bank、rank、channel這些關於記憶體的名詞是否已困繞許久，疑似了解卻又說不出個所以然來。就讓我們一步步拆解記憶體的面紗，從架構到讀寫方式逐步揭開記憶體的秘密。

揮發性記憶體分 2 種，SRAM 和 DRAM

RAM（Ramdom Access Memory）隨機存取記憶體，之所以稱作「隨機存取」，是因為相較於早期的線性儲存媒體（磁帶）而言，因為磁帶的存取是線性的，存取時間會依目前磁帶位置和欲存取位置的距離而定，需轉動磁帶至應有的位置，距離越長、轉得越久、存取時間也就越久。而 RAM 沒有這種煩惱，存取時間為固定值，不會因為資料在記憶體的位置而影響存取時間。

而 RAM 在電腦裡又可大致上分為 2 種：SRAM 和 DRAM，兩者的基礎原理差不多，都是將電荷儲存至內部，藉由改變不同的電荷儲存 0 或是 1。SRAM（Static Random Access Memory）靜態隨機存取記憶體和 DRAM（Dynamic Random Access Memory）有著幾點不同，SRAM 的結構較複雜、單位面積的容量較少、存取速度快，DRAM 則是構造簡單、單位面積內的容量較多、存取時間較 SRAM 慢，同時 DRAM 也因為構造較簡單的關係，儲存的電荷會隨著時間漸漸消失，因此需要有個再充電（Refresh）的動作保持電容儲存的資料。

▲SRAM 單一位元儲存區的構造。

▲DRAM 單一位元儲存區的構造。

由圖中 SRAM 和 DRAM 構造可得知，SRAM 採用正反器（flip-flop）構造儲存，DRAM 則是採用電容儲存。因為 SRAM 和 DRAM 種種的特性不同，SRAM 適合做為暫存器和 CPU 快取使用，DRAM 則是適合做為主記憶體或是其他裝置間的快取使用。

揮發與非揮發性記憶體

揮發性記憶體（Volatile Memory）和非揮發性記憶體（Non-Volatile Memory）之間的差異在於，斷電之後是否可保存內部資料，揮發性記憶體的資料會隨著失去電力供應而消失，而非揮發性記憶體依然可以保有內部資料。

揮發性記憶體包含了SRAM和DRAM，而非揮發性記憶體包含ROM（Read-Only Memory）和Flash Memory快閃記憶體。

主記憶體子系統

DRAM 由於製造簡單、高密度，作為電腦內部的主記憶體再適合不過了。但是由於主記憶體擺放在 CPU 之外，從工廠出來的晶粒需要封裝和組合之後才可和 CPU 連結，因此從 CPU 至 DRAM 晶粒之間依據層級由大至小為 channel＞DIMM＞rank＞chip＞bank＞row/column，接下來就一一說明這些部分。

▲主記憶體由大至小，由上往下可做這樣的拆分。

▲主記憶體從 channel 至 chip 的相對應關係。

▲chip 往下拆分為 bank。

▲bank 往下拆就是 1 個個的儲存單元，橫向 1 排稱之為 row，直向 1 排稱之為 column，每排 column 的下方都有個 row buffer，用以暫存讀出來的 row 排資料。

▲單一 DRAM 晶片的內部功能區塊圖（圖片取自Micron）。

channel 和 DIMM

從記憶體控制器出來之後，最先遇到的就是 channel，每個 channel 需要配有 1 組記憶體控制器、2 個 channel 配置 2 組……以此類推。而每個 channel 中能夠擁有許多組 DIMM（Dual In-line Memory Module），DIMM 也就是目前消費者能夠在市場上買到的記憶體模組，因為多年前的主機板必須購買記憶體顆粒（chip）直接插在主機板上，而後發展出 SIMM（Single In-line Memory Module），將多組記憶體顆粒焊在 1 片電路板上，成為記憶體模組，再將此電路板插在主機板上。接著為了增加資料吞吐量，將 1 條記憶體模組的頻寬從 SIMM 的 32bit 改換成 DIMM 的 64bit，這設計依然沿用至今。

從記憶體顆粒過度到 SIMM 的時代，坊間出現了替使用者將記憶體顆粒焊到 SIMM 電路板上的服務，因為當時記憶體非常昂貴，花一些小錢就可以把記憶體延用至新的電腦上。

rank 和 chip

rank 指的是連結到同 1 個CS（Chip Select）的記憶體顆粒 chip，記憶體控制器能夠對同 1 rank 的 chip 進行讀寫操作，而在同 1 rank 的 chip 也分享同樣的控制訊號。以目前的電腦來說，因為 1 組 channel 的寬度為 64bit，所以能夠同時讀寫 8byte 的資料，如果是具有 ECC 功能的記憶體控制器和 ECC 記憶體模組，那麼 1 組 channel 的寬度就是 72bit。

▲rank 1 和 rank 2 共享同組 address/comand 訊號線，利用 chip select 線選擇欲讀取或是寫入的那一組，之後將資料經由 MUX 多工器送出。

有些人會有錯誤觀念，以 chip 的數量或是以記憶體模組的單、雙面進行 rank 的判斷，但其實要以記憶體控制器和記憶體顆粒的規格進行判斷，目前家用 PC 的記憶體控制器通道絕大部分都是 64bit 寬，記憶體顆粒則是 8bit 寬，因此 8 顆並聯即可滿足記憶體控制器的需求，也就是 1 組 rank。但偶爾也有以 16bit 寬的記憶體顆粒製成的記憶體模組，此時 4 個 chip 就是 1 組 rank。

這在採用 Intel H61/H81 晶片組和傳統單channel的主機板時須特別注意，因為 Intel 限制 H61/H81 每個 channel 僅能支援 2 組 rank，而不是 4 組 rank，部分主機板每個 channel 又做了 2 組記憶體模組插槽，造成部分使用者同組 channel 放入 2 條記憶體模組時能夠辨識全部的記憶體容量（雙面單 rank 的記憶體模組），部分使用者則是僅能辨識一半的容量（雙面雙 rank 的記憶體模組）。

bank、row、column

bank 再往下分拆就是實際儲存位元的電路，一般來說橫向選擇排數的線路稱為 row（row enable、row select、word line），直向負責傳遞訊號的線路為column（bitline），每組 bank 的下方還會有個 row buffer（sense amplifier），負責將獨出的 row 資料暫存，等待 column 位址送到後輸出正確的位元，以及判斷儲存的資料是 0 還是 1。

▲1 個 bank 的讀取操作。

▲1 個 bank 的寫入操作。