内存的工作原理及时序介绍

前言

内存是PC配件中结构最简单的,但在BIOS中却是最难调的,很多玩家超频都卡在内存上。并且,内存的原理、结 构与时序多年不会改变,无论将来内存技术如何进步,相信这篇文章的存在价值都不会打折扣。本文亦希望能通过对DRAM 基本原理以及时序的介绍,在内存设置以及XMP的制作上有所帮助。

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>>>目录<<<

第一部分:工作原理

DRAM基本组成
内存地址
寻址
内存cell的基本操作
硅晶体中的“电容”
MOSFET的控制原理——水库模型
储存数据
写入数据
读取数据

第二部分:时序介绍

时序及相关概念
第一时序
第二时序
结语

第一部分:工作原理


DRAM基本组成

内存是由DRAM(动态随机存储器)芯片组成的。DRAM的内部结构可以说是PC芯片中最简单的,是由许多重复 的“单元” ——cell组成,每一个cell由一个电容和一个晶体管(一般是N沟道MOSFET)构成 ,电容可储存1bit数据量,充放电后电荷的多少(电势高低)分别对应二进制数据0和1。由于电容会有漏电现象,因此过一 段时间之后电荷会丢失,导致电势不足而丢失数据,因此必须经常进行充电保持电势,这个充电的动作叫做刷新,因此动态 存储器具有刷新特性,这个刷新的操作一直要持续到数据改变或者断电。而MOSFET则是控制电容充放电的开关。DRAM由 于结构简单,可以做到面积很小,存储容量很大。
内存的工作原理及时序介绍_第1张图片


内存地址

内存中的cell按矩阵形排列,每一行和每一列都会有一个对应的行地址线路(正规叫法叫做word line)和列地址 线路(正规叫法是bit line),每个具体的cell就挂接在这样的行地址线路和列地址线路上,对应一个唯一的行号和列号,把 行号和列号组合在一起,就是内存的地址。


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上图是Thaiphoon Burner的一个SPD dump,每个地址是一个字节。不过我们可以把这些数据假设成只有一个 bit,当成是一个简单的内存地址表,左边竖着的是行地址,上方横着的是列地址。例如我们要找第七行、倒数第二列(地址 为7E)的数据,它就只有一个对应的值:FD。当然了,在内存的cell中,它只能是0或者1。


寻址

数据要写入内存的一个cell,或者从内存中的一个cell读取数据,首先要完成对这个cell的寻址。寻址的过程,首 先是将需要操作的cell的对应行地址信号和列地址信号输入行/列地址缓冲器,然后先通过行解码器(Row Decoder)选择 特定的行地址线路,以激活特定的行地址。每一条行地址线路会与多条列地址线路和cell相连接,为了侦测列地址线路上微 弱的激活信号,还需要一个额外的感应放大器(Sense Amplifier)放大这个信号。当行激活之后,列地址缓冲器中的列地 址信号通过列解码器(Column Decoder)确定列地址,并被对应的感应放大器通过连接IO线路,这样cell就被激活,并可 供读写操作,寻址完成。从行地址激活,到找到列地址这段时间,就是tRCD。
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内存cell的基本操作

内存中的cell可以分为3个基本操作,数据的储存、写入与读取。为了便于理解,我不打算直接从电路控制上对 cell操作进行说明,而是希望通过模型类比来达到说明问题的目的,如有不严谨之处,高手勿怪。要对内存cell进行读写操作 ,首先要完成上述寻址过程,并且电容的充电状态信号要被感应放大器感应到,并且放大,然后MOSFET打开,电容放电, 产生电势变化,把电荷输送到IO线路,导致线路的电势也变化。当然,这只是个简单的描述,以下我们先来了解硅晶体中 “电容”的结构和MOSFET的控制原理。


硅晶体中的“电容”

这里之所以“电容”两个字被打上引号,是因为硅晶体中并没有真正意义上的电容。硅晶体中的电 容是由两个对置的触发器组成的等效电容。例如两个非门(Nor Gate)用如下图的方式对接。它可以通过周期性施加特定的 输入信号,以把电荷保留在电路中,充当电容的作用。如下图,两个非门的输入端R和S互相交替做 0和1输入,就可以把电 荷储存在电路中。整个动态过程就是这样:


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而R和S的波形就是如下图所示,刚好互为反相,差半个周期:
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要让电容放电,我们只需要把R和S同时输入1或者0即可。因此这种电容的逻辑关系很简单:在同一时刻R和S输入 状态不同(即存在电势差)时,电容为充电状态;在同一时刻R和S输入状态相同(即电势差为0)时,电容为放电状态。
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MOSFET的控制原理——水库模型

要说明这个MOSFET的控制原理,我们借助一个水库的模型来说明。MOSFET有三个极,分别是源极(Source) 、漏极(Drain)和栅极(Gate)。下图左边就是一个MOSFET的电路图,右边是我们画出的一个水库模型。
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图中S为源极,D为漏极,G为栅极。S极连接着电容,D级连接列地址线路,并接到数据IO,G则是控制电荷流出 的阀门,连接行地址线路。电容在充电后电势会改变,这样S极的电势就会跟着改变,与D极形成电势差,而G极的电势,就 决定了S极有多少电荷可以流入D极。由于电子是带负电荷,因此电子越多电势就越低。为了不至于混淆概念,我们把水池 顶部电势定为0V,水池底部电势定为5V(仅举例说明,DRAM中的电容实际电压未必是5V)。当电子数量越多时,电势越 低,接近0V,电子数量越少时,电势越高,接近5V。
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用水库模型说明,就是左边的水池水量升高(电容充电后),当阀门关闭时,左边的水是不会往右边流的。然后 阀门打开(降低,电势升高),左边的水就可以往右边流,阀门的高度就决定了有多少水能流去右边的水道(但是在数字电 路中,MOSFET只有开和关两种状态,因此下文提到的打开MOSFET就是全开);同样道理如果右边水多,阀门打开之后也 可以向左边流。因此在水库模型中,电容就充当了左边的水池,而MOSFET的栅极就充当了阀门,列地址线路和IO则充当了 右边的水道。


储存数据

MOSFET栅极电势为0V时,电容的电荷不会流出,因此数据就可以保存我们可以用2.5V为参考分界线,电容电势 低于 2.5V时,表示数据0,电势高于2.5V时,表示数据1。例如上一楼水库模型的左图,电容中储存的电子数高于一半的高 度,电势低于2.5V,因此可以表示数据0。但以上只是理论情况,实际上电容会自然漏电,电子数量会逐渐减少,电势就会 逐渐升高,当电势升高到2.5V以上时,数据就会出错,因此每隔一段时间必须打开MOSFET往电容中充电,以保持电势,这 就是刷新。因此,数据的储存主要就是对电容中电势的保持操作。


写入数据

数据写入的操作分为写入0和写入1两种情况。写入前,电容原有的情况可能是高电势与低电势的状态,我们不用 管它。写入0和写入1对cell的操作不尽相同,我们分别来看。

先来看写入0的操作。写入开始时,IO线路上电势为0(水道处于水位最高点),MOSFET栅极电势升高到5V(水 库阀门降到最低),阀门打开,电容中的电势就跟着降低(水位升高),直到接近0V(水池被灌满),写入0完成,栅极电 势降回0V,阀门关闭。
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再看写入1的操作。写入开始时,IO线路上的电势为5V(水道水位为最低点),MOSFET栅极电势升高到5V(水 库阀门降到最低),阀门打开,电容中的电势跟着升高(水流出并降低水位)到接近5V,写入1完成,栅极电势回到0V,阀 门关闭。
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读取数据

读取的时候,对漏极的电压操作跟写入有些不同。因为水道中的水比水池中的多,或者说水道的容量比水池要大 得多。如果水道(漏极)的水为满或者空,在阀门打开的时候很容易出现水道的水倒灌进水池的现象,或是水池的水全部流 去水道,这样就有可能导致电容中的电势状态改变,电容对应储存的0或者1也会改变。所以读取数据的时候,IO线路的电压 应为1/2的满电势,即2.5V。

读取也同样分读取0和1两种情况。在读取之前,电容中的电势应该是大于或者小于2.5V的,分别代表存储了1和0 。由于刷新机制的存在,应该不会允许出现等于2.5V的情况。

首先看读取0操作。电容中为低电势(假设为0V,水池为高水位),IO线路上电势升高至2.5V(这时水道水位比 水池低),MOSFET栅极电势升高到 5V(水库阀门降到最低),阀门打开,电容中电势升高(水位降低),但由于水道容 量较大,因此水位不会升高太多,但是总归也会有个电势的变低,最终电容与 IO线路上的电势都变成0-2.5V的一个中间值 ,并且接近2.5V(假设为2.3V)。这时候感应放大器检测到IO线路上电势低于2.5V,因此识别出 0读出。
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再看读取1操作。电容中为高电势(假设为5V,水池空),IO线路上电势升高至2.5V(这时候水道水位比水池高 ),MOSFET栅极电势升高到5V(水库阀门降到最低),阀门打开,电容中电势降低(水位升高),但由于水道容量较大, 水位不会降低太多,不过多少也会降低一点(电势会升高),假设升高到 2.7V。这时候感应放大器检测到IO线路的电势高 于2.5V,识别出1读出。
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以上讲述的只是从cell到内存IO线路的读写操作,至于CPU-IMC-内存的读写操作,不在本文讨论范围。

第二部分:时序介绍


时序及相关概念

以下我把时序分为两部分,只是为了下文介绍起来作为归类,非官方分类方法。
第一时序:CL-tRCD-tRP-tRAS-CR,就是我们常说的5个主要时序。
第二时序:(包含所有XMP时序)

在讲时序之前,我想先让大家明白一些概念。内存时钟信号是方波,DDR内存在时钟信号上升和下降时各进行一 次数据传输,所以会有等效两倍传输率的关系。例如DDR3-1333的实际工作频率是666.7MHz,每秒传输数据 666.7*2=1333百万次,即1333MT/s,也就是我们说的等效频率 1333MHz,再由每条内存位宽是64bit,那么它的带宽就 是:1333MT/s*64bit/8(8bit是一字节)=10667MB/s。所谓时序,就是内存的时钟周期数值,脉冲信号经过上 升再下降,到下一次上升之前叫做一个时钟周期,随着内存频率提升,这个周期会变短。例如CL9的意思就是CL这个操作的 时间是9个时钟周期。

另外还要搞清楚一些基本术语:
Cell:颗粒中的一个数据存储单元叫做一个Cell,由一个电容和一个N沟道MOSFET组成。
Bank:8bit的内存颗粒,一个颗粒叫做一个bank,4bit的颗粒,正反两个颗粒合起来叫做一个bank。一根内存 是64bit,如果是单面就是8个8bit颗粒,如果是双面,那就是16个4bit的颗粒分别在两面,不算ECC颗粒。
Rank:内存PCB的一面所有颗粒叫做一个rank,目前在Unbuffered台式机内存上,通常一面是8个颗粒,所以单 面内存就是1个rank,8 个bank,双面内存就是2个rank,8个bank。Bank与rank的定义是SPD信息的一部分,在AIDA64 中SPD一栏可以看到。
DIMM:指一条可传输64bit数据的内存PCB,也就是内存颗粒的载体,算上ECC芯片,一条DIMM PCB最多可以 容纳18个芯片。


第一时序

CAS Latency(CL):CAS即Column Address Strobe,列地址信号,它定义了在读取命令 发出后到数据读出到IO接口的间隔时间。由于CAS在几乎所有的内存读取操作中都会生效(除非是读取到同一行地址中连续 的数据,4bit颗粒直接读取间隔3个地址,8bit颗粒直接读取间隔7个地址,这时候CAS不生效),因此它是对内存读取性能 影响最强的。如下图,蓝色的Read表示读取命令,绿色的方块表示数据读出IO,中间间隔的时间就是CL。
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已知CL时钟周期值CAS,我们可以使用以下公式来计算实际延迟时间tCAS:
tCAS(ns)=(CAS*2000)/内存等效频率
例如,DDR3-1333 CL9内存实际CAS延迟时间=(9*2000)/1333=13.50 ns
或者反过来算,假如已知你的内存可以在7.5ns延迟下稳定工作,并且你想要DDR3-2000的频率,那么你可以把 CL值设为8T(实际上8ns,大于7.5ns即可),如果你想要DDR3-1600的频率,那么你的CL值可以设到6T(实际7.5ns)。
这个公式对于所有用时钟周期表示延迟的内存时序都可以用。

说到这个公式,我想顺便说说大家对频率和时序的纠结问题。首先来回顾一下DDR一代到三代的一些典型的 JEDEC规范,并按照上边那个公式算一下它的CL延迟时间:
DDR-400 3-3-3-8:(3*2000)/400=15 ns
DDR2-800 6-6-6-18:(6*2000)/800=15 ns
DDR3-1333 9-9-9-24:刚才算了是13.5 ns

再来看看每一代的超频内存的最佳表现(平民级,非世界纪录):
DDR1 Winbond BH-5 DDR-500 CL1.5:(1.5*2000)/500=6 ns
DDR2 Micron D9GMH DDR2-1400 CL4:(4*2000)/1400=5.71 ns
DDR3 PSC A3G-A DDR3-2133 CL6:(6*2000)/2133=5.63 ns

发现什么?不管是哪一代内存,随着频率提升,CL周期也同步提升,但是最后算出来的CL延迟时间却差不多。那 么到了DDR4,JEDEC规范频率去到 DDR4-4266,如果按照差不多的延迟,那么按照13ns多一些来算,那么CL值将达到 28T!如果按照我们的极限超频延迟来算,DDR4-4266 下的延迟也将达到12T。所以到了下一代DDR4,两位数的时钟周期 将不可避免。

所以,我想说的是,不要再去想什么DDR3的频率,DDR2的时序,在频宽严重过剩,IMC成为瓶颈的今天,它对 性能没太多的提升。

DRAM RAS to CAS Delay(tRCD):RAS的含义与CAS类似,就是行(Row)地址信号。 它定义的是在内存的一个rank(内存的一面)之中,行地址激活(Active)命令发出之后,内存对行地址的操作所需要的时 间。每一个内存cell就是一个可存储数据的地址,每个地址都有对应的行号和列号,每一行包含1024个列地址,当某一行地 址被激活后,多个CAS请求会被发送以进行读写操作。简单的说,已知行地址位置,在这一行中找到相应的列地址,就可以 完成寻址,进行读写操作,从已知行地址到找到列地址过去的时间就是 tRCD。当内存中某一行地址被激活时,我们称它为 “open page”。在同一时刻,同一个rank可以打开8个行地址(8个bank,也就是8个颗粒各一个)。下图 显示一个行地址激活命令发出,到寻找列地址并发出读取指令,中间间隔的时间就是tRCD。tRCD值由于是最关键的寻址时 间,它对内存最大频率影响最大,一般想要上高频,在加电压和放宽CL值不奏效的时候,我们都要放宽这个延迟。
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DRAM RAS Precharge Time(tRP):RAS预充电时间。它定义的是前一个行地址操作完 成并在行地址关闭(page close)命令发出之后,准备对同一个bank中下一个行地址进行操作,tRP就是下一个行地址激活 信号发出前对其进行的预充电时间。由于在行地址关闭命令发出之前,一个rank中的多个行地址可能正在被读写,tRP对内 存性能影响不如CL和tRCD。虽然tRP的影响会随着多个行地址激活与关闭信号频繁操作一个bank而加大,但是它的影响会 被bank interleaving(bank交叉操作)和command scheduling(命令调配)所削弱。交叉读写会交替使用不同的bank 进行读写,减少对一个bank的操作频率;命令调配则是由CPU多线程访问不同的内存地址,同样是减少对一个bank的频繁 操作次数。例如SNB CPU的内存控制器可以对读写操作命令进行有效地重新分配,以使得行地址激活命中率最大化(如果重 复激活一个已经处于激活状态的行地址,那就是RAS激活命令未命中),所以tRP在SNB平台对性能的影响不大,并且放宽 它有可能可以帮助提升稳定性。下图显示的是一个即将被激活的行地址开始预充电,到它被激活间隔的时间,就是tRP。
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DRAM RAS Active Time(tRAS):行地址激活的时间。它其实就是从一个行地址预充电 之后,从激活到寻址再到读取完成所经过的整个时间,也就是tRCD+tCL的意思。这个操作并不会频繁发生,只有在空闲的 内存新建数据的时候才会使用它。太紧的tRAS值,有可能会导致数据丢失或不完整,太宽的值则会影响内存性能,尤其是在 内存使用量增加的时候。所以一般为了稳定性,我们设置tRAS≥tRTP+tRCD+CL即可(tRTP不是tRP,将在第二时序中 介绍),尤其是PCB不好或者跑高频的时候,多几个周期比较稳妥。

DRAM Command Mode(Command Rate,CR):首命令延迟,也就是我们平时说的 1T/2T模式。是指从选定bank之后到可以发出行地址激活命令所经过的时间。CR可能对性能的影响有比较大的变数:如果 CPU所需要的数据都在内存的一个行地址上,就不需要进行重复多次的bank选择,CR的影响就很小;但是如果一个rank中 同时多个bank要激活行地址,或者不同的 rank中不同bank需要同时激活的时候,CR对性能的影响就会提升。但是随着内 存频率的提升,CR=1T/2T的时间差越短,它的影响就会越来越小,这就是我们看到DDR1的时候1T/2T对性能影响挺大,但 是到了DDR3影响就很小的其中一个原因。但是为了性能最大化,我们尽量把CR设为1T,但是如果bank数很多的时候,例 如插满四条内存,就有32个bank,bank选择随机性增大,1T的首命令时间可能会不稳定。

所以,内存的基本读取操作的时序角度流程就是把上面那三张图合起来:预充电-激活行地址并寻找列地址-发送 读取命令-读出数据,这四步操作中间的三个延迟就分别是tRP、tRCD和CL。和我们常说的时序顺序刚好是反过来的。


第二时序——XMP

DRAM CAS Write Latency(tWCL):列地址写入延迟,也就是DRAM的最小写入操作时 间,与CL刚好是读写对应关系,一般跟CL值设为同一个值就是可以稳定的。由于内存读取之前必须先写入,所以这个值可以 说与CL一样重要。但是在BIOS里一般没得设置,可能是与CL绑定了。

DRAM Row Cycle Time(tRC):行周期时间。定义了同一bank两次行激活命令所间隔的 最小时间,或者说是一个bank中完成一次行操作周期(Row Cycle)的时间,即tRP+tRAS(预充电加上激活的整个过程) ,tRC设得太紧可能会直接点开不了机,一般只要能进系统再多加一两个周期都是可以稳定的。下图显示的就是tRC的时间。
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DRAM Row Refresh Cycle Time(tRFC):行地址刷新周期,定义了一个bank中行地址 刷新所需要的时间。重提一下刷新的含义,由于cell中电容的电荷在MOSFET关闭之后一段时间就会失去,为了维持数据, 每隔很短一段时间就需要重新充电。这里多提一句,Intel平台和AMD平台对tRFC的含义不一样,AMD平台的tRFC是 DRAM刷新延迟时间,单位是ns,通常有90/110/160/300几个值可以调整,也就是说它的tRFC时钟周期会随着频率的提升 而提升;而Intel平台的单位则直接是时钟周期,相反地延迟时间会随着频率的提升而降低。容量大的bank行地址和cell会更 多,刷新时间也更长,因此tRFC也要更高。另外,tRFC如果太快会导致数据出错,太慢则影响性能,但可以增加稳定性。

DRAM Refresh Interval(tREFI):内存刷新时间间隔,也就是内存的刷新命令生效前要经 过的时间。刷新的时间间隔一般取决于内存颗粒的容量(density),容量越大,就越需要频繁刷新,tREFI值就要越低。另 外 tREFI的时间也会受到内存工作温度与内存电压(Vdimm)影响,因为温度越高电容漏电越快。一般在AMD主板的BIOS 里,这个值只有3.9us和 7.8us可选,而在SNB平台,则是按时钟周期算,例如DDR3-1333下默认值为5199T,换算过来就 是 2000/1333x5199=7800ns,也就是7.8us。一般DRAM颗粒的spec中都是规定工作温度大于85度时采用3.9us。

DRAM RAS to RAS Delay(tRRD):行地址间延迟,定义的是同一rank不同bank间两个 连续激活命令的最短延迟,在DDR3时代一般最小是4T。它的作用和CR有点像,不过比CR更多的时候对性能有较大的影响 ,所以这个时序可尽量缩小。

DRAM Write Recovery Time(tWR):内存写入恢复时间,它定义了内存从写入命令发出 (从开始写入算起)到下一次预充电间隔的时间,也就是tRP的前一个操作。如果这个时间设得太短,可能会导致前一次写 入未完成就开始下一次预充电,进行寻址,那么前一次写入的数据就会不完整,造成丢数据的情况。这个周期也是第二时序 中比较长的,DDR3-2000一般需要10-14个周期,甚至更高。

DRAM Read to Precharge Time(tRTP):与tWR类似,定义了同一rank上内存从读取命 令发出到tRP之前的间隔时间,但是它在读取完成并且行地址关闭之后才会生效。单颗128MB的内存颗粒可以在DDR3- 2000下运行在4到6个时钟周期,如果bank容量增大时,这个时序有可能要放宽。

DRAM Four Active Window(tFAW):它定义了同一rank中允许同时发送大于四个行激 活命令的间隔时间,因此最小值应该不小于tRRD的四倍。在DDR3上,tRRD的最小值是4T,因此tFAW的最小值就是16T。 这个 tFAW由于是在一个rank中大于四个bank同时激活之后才生效,因此在内存不是很繁忙的时候,它对性能的影响并不 是很大。但是对一些频繁读写内存的操作(例如SuperPI 32M),tFAW对性能的影响可能会加大。由于现在内存用满的几 率非常非常小,两根双面的内存更是有4个rank,配合上interleaving,一个rank中同时激活大于四个bank的几率应该不大 ,所以通常我们把它设为tRRD的四倍应该就不会出问题。

DRAM Write to Read Delay(tWTR):内存写-读延迟,它定义的是内存写入命令发出后 到下一个读取命令之间的时间间隔,最小为4T,与tRTP类似,提升内存的频率或者容量提升时,这个值需要提高。


结语

看完以上内容,我们已经对时序有了个大致的了解,现在应该可以知道一些时序设置时要注意什么了。比如tFAW 要设为 tRRD的四倍,tRAS不能设太低等等。还是那句话,内存是辅助CPU超频的,时序设置只是为了放开内存更多的超频 空间,时序本身对性能的影响很小,并且随着频率的提升,或者bank数的增加,这种影响可能会进一步减小。具体不同的 内存颗粒也会有不同的设置情况,还请大家多关注本站的颗粒汇总以及最新内存颗粒测试报告


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