高速RAM全面评述


1996-04-26

        RAM(Random Access Memory随机存贮器)是指通过指令可以随机地、个别地对每个存储单元进行访问，访问所需时间基本固定，而与存储单元地址无关的可以读写的存储器。几乎所有的计算机系统和智能电子产品中，都是采用RAM作为主存。
        在系统内部，RAM是仅次于CPU的最重要的器件之一。它们之间的关系，就如人的大脑中思维与记忆的关系一样，实际上是密不可分的。但在计算机内部，它们却是完全独立的器件，沿着各自的道路向前发展。第一代个人电脑的CPU 8088时钟频率还不到10MHZ，而现在高档的Pentium Pro CPU的时钟频率已达到200MHZ。在CPU和RAM之间有一条高速数据通道，CPU所要处理的数据和指令必须先放到RAM中等待。而CPU也把大部分正在处理的中间数据暂时放置在RAM中。这就要求RAM和CPU之间的速度保持匹配。然而遗憾的是，这些年来，虽然半导体设计制造工艺越来越先进，单个芯片内部能集成的存贮单元越来越多，但是RAM的绝对存取速度并没有明显地提高。
        为了解决CPU和RAM之间速度的不匹配，人们一般采用在CPU和RAM之间增加高速缓冲存储器Cache的方法。也就是说，以少量高速但比较昂贵的RAM作为缓冲，以使主存的速度和CPU相匹配而其价格却没有明显的提高。但是采用Cache提高速度的方法毕竟有一定限制。近几年来，美国、日本、韩国等一些主要的半导体生产国，在RAM的设计上取得了一些突破，推出了一些性能价格比大大提高了的新产品，即所谓的高速RAM，或叫增强型RAM，在世界范围内掀起了一场RAM革命。
        在介绍RAM的新技术及新产品之前,让我们先来看看:
        二、三种主要的RAM：DRAM、SRAM、VRAM。
        在介绍RAM的新技术及新产品之前，让我们先来看看三种基本的RAM产品：DRAM，SRAM和VRAM。
        DRAM(Dynamic RAM)即动态RAM，是RAM家族中最大的成员，通常意义上的RAM即指DRAM。DRAM由晶体管和小容量电容存储单元组成。每个存储单元都有一小的蚀刻晶体管，这个晶体管通过小电容的电荷保持存储状态，即开和关。电容类似于小充电电池。它可以用电压充电以代表1，放电后代表0，但是被充电的电容会因放电丢掉电荷，所以它们必须由一新电荷持续地“刷新”。
        SRAM(Static RAM)，即静态RAM。它也由晶体管组成。接通代表1，断开表示0，并且状态会保持到接收了一个改变信号为止。这些晶体管不需要刷新，但停机或断电时，它们同DRAM一样，会丢掉信息。SRAM的速度非常快，通常能以20ns或更快的速度工作。一个DRAM存储单元仅需一个晶体管和一个小电容。而每个SRAM单元需要四到六个晶体管和其他零件。所以，除了价格较贵外，SRAM芯片在外形上也较大，与DRAM相比要占用更多的空间。由于外形和电气上的差别，SRAM和DRAM是不能互换的。
        SRAM的高速和静态特性使它们通常被用来作为Cache存储器。386/486/586主板上都有Cache插座。
        VRAM(Video RAM)即视频RAM，是一种专为视频图像处理设计的RAM，通常安装在显示卡或图形加速卡上。与DRAM芯片不同，VRAM采用双端口设计，这种设计允许同时从处理器向视频存储器和RAMDAC(数字-模拟转换器)传输数据。VRAM在外形上与早期DIP封装的DRAM一样，但它们是两种性能、用途不同的RAM，是不能互换的。
        三、加快普通RAM访问速度的新技术。
        在RAM芯片中，除了存储单元之外，还要附加一些逻辑电路。以DRAM为例，这些附加电路包括地址多路转换电路、地址选通、刷新逻辑以及读写控制逻辑等。
        相同的RAM芯片之间存取速度也是有差别的。例如DRAM，随着制作工艺的不同，存储单元的充电时间也不同，使得有些DRAM比另一些DRAM速度快。当然，这种速度的提高也意味着价格的提升。
        现在，人们把注意力集中到了RAM芯片的附加逻辑电路上，通过增加少量的额外逻辑电路，可以提高单位时间内的数据流量，即所谓的增加带宽。
        EDO(Extended Data Out)又叫扩展数据输出。通常，在一个DRAM阵列中读取一个单元时，首先充电选择一行，然后再充电选择一列，这些充电线路在稳定之前会有一定的延时，制约了RAM的读写速度。EDO采用了一种快速页模式-FPM(一页指DRAM芯片上一排存储器中的一个2048位片断)技术来缩短页模式周期。它的原理是这样的，在绝大多数情况下，要存取的数据在RAM中是连续的，即下一个要存取的单元总是位于当前单元的同一行下一列上。利用这一预测地址，可以在当前的读写周期中启动对下一个存取单元的读写周期，从而从宏观上缩短了地址选择的时间。采用这一技术，理论上可将RAM的访问速度提高多达30%。
        为了更大地提高RAM的数据带宽，人们在EDO RAM的基础上又设计出了一种突发模式RAM。突发模式RAM对CPU所需的下4个数据的地址进行假定，也即认定下4个数据的地址是连续的，并且自动把它们预取出来，从而进一步提高了RAM的速度。
        另外一种增加带宽的技术叫做RDRAM。这种DRAM是由Rambus公司设计的，虽然它还没有实际地生产出芯片，但是这种技术被行家们普遍看好。和EDO DRAM和突发模式DRAM不一样，RDRAM用Rambus自己的接口代替了DRAM的传统的页模式结构。Rambus宣称按它的方案设计出的8-bit DRAM的存取速度大约为500Mbps。而目前，16-bit总线的DRAM的存取速度约为40Mbps。
        当前，采用EDO技术的DRAM已开始进入到普通的PC系统中，并逐渐成为RAM设计的主流技术。这是因为EDO是对目前RAM技术的扩展，普通的DRAM可以很方便地加入EDO逻辑电路，其成本增加很少，而其性能却有较大的改善。
        四、Cache RAM及同步RAM新技术
        Cache存储器一直以来是人们解决主存速度瓶劲的最有效手段之一。人们对大量的典型程序的运行情况的分析结果表明，在一个较短的时间间隔内，CPU要访问的地址往往集中在存储器的一个很小的逻辑地址空间中。数据分布的这种集中倾向不如指令明显，但对数组的存储和访问及工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中。根据这一事实，可以在CPU和主存之间设置一个高速的但容量相对较小的存储器，把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器，供CPU在一段时间内使用，这样可以大大提高程序的运行速度。这种高速但容量较小的存储器叫做Cache。
        由于SRAM的特点，使得它的主要作用就是用来充当Cache RAM。一方面，CPU的设计者们开始把它集成到CPU内部，例如Pentium Pro CPU就带有二级Cache。另一方面，设计者们在普通的DRAM芯片上集成一些SRAM存储单元和逻辑控制电路以作为内部的Cache RAM，采用这种方法制作的DRAM被称为CDRAM(Cached DRAM)。Cache和DRAM之间通过内部总线相连。这样，从总体上来看，CDRAM具有较高的速度，而其成本却比分立的Cache RAM加DRAM大为降低了。
        设计高速RAM的另一种方法被称为同步RMA(Synch～onous RAM),用这种方法设计的DRAM叫做SDRAM。它的基本原理是将CPU和RAM通过一个相同的时钟锁在一起，使得RAM和CPU能够共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作。美国TI公司发表的最新SDRAM，据资料显示可与中档的Pentium速度同步，最高速可达100MHZ。台湾联华电子公司也推出了一种同步SRAM，其速度可达5～8ns，据称能将Pentium系统性能提高140％。有些高档的PC系统上已采用了SDRAM作为主存，如东芝Tecra 700cT笔记本电脑内置16MB SDRAM，速度可达10ns。
        现在，同步RAM技术被越来越多的设计者采纳，以彻底解决高性能CPU和RAM之间的速度不匹配。同步RAM技术也正在被大容量存储器采纳。最近，韩国三星公司宣布研制成功了世界上第一个1GB的SDRAM，其速度达到31ns，可望在1997年投入样品。
        上面介绍了一些主要的高速RAM技术。另外还有许多其它的新技术，如Ramtron Intern  ational的EDRAM(Enhanced RAM，增强RAM)，Multibank DRAM(多体DRAM)，即MDRAM；NEC美国公司的混合页式DRAM(HPM DRAM)等等。
        五、图形卡专用RAM的改进。
        随着象WINDOWS这样的基于GUI(图形用户接口)的操作系统日益普及，以及多媒体图形图像处理的需求加剧，PC系统中图形处理子系统的地位越来越重要，这就刺激了显示适配卡向高性能发展，并诞生了多种具有图形/图像加速功能的显示卡-图形/图像加速卡。为了提高图形加速卡的工作效率，人们采用了各种方法来加速图形卡上专用的RAM。图形卡上视频RAM一改过去主要以VRAM为主的情形，出现了各种RAM，如各种高速DRAM，高速VRAM和WRAM等等。
        为了降低成本，有些图形加速卡厂商开始把各种高速DRAM，如EDO DRAM，突发模式DRAM、RDRAM、SDRAM等作为视频RAM。这些基于高速DRAM的图形卡完全可以和基于VRAM的图形卡相媲美。
        为了获得更高的视频处理性能，人们还利用前面提到的各种高速RAM设计方法来设计加速VRAM，推出了多种新型VRAM，如EDO VRAD、突发模式VRAM、CVRAM(CACHED VRAM)、SVRAM等等。
        另外，三星公司还开发出了一种视频专用RAM-WRAM(Windows RAM).WRAM和VRAM一样，是双端口的。WRAM在普通RAM的基础上，为图形图像处理增加了一些智能，如它具有能增强屏幕重画性能的彩色写块模式，以及能提高字符显示性能的存储器设计等。采用基于WRAM的图形卡，可大大增强动画处理功能。这种WRAM比VRAM还稍便宜。因此，如果这种RAM能大量生产的话，将有可能取代VRAM。
        六、高速RAM技术展望。
        无论是在主存领域还是图形卡RAM领域，在今后一两年，人们都将得益于各种高速RAM。今年将是EDO RAM大显身手的一年，各主板厂商都已先后推出了支持EDO RAM的主板，尤其是Pentium主板，这将加速PC机系统的更新换代。可以相信，继EDO RAM之后，其它各种高速RAM，如同步RAM，Cached RAM、突发模式RAM等等，也将陆续进入到普通的PC系统中，使得RAM市场出现百家争妍的局面。
        为了提高系统性能而增加的Cache存储器也面临着众多的选择。如台湾联讯电脑公司新近推出的奔腾主板EXP 8551就提供了三种Cache系统配置方式：①256KB异步SRAM，可扩至512KB(普通配置)②EDO RAM，省去SRAM，其性能直此传统的2级Cache系统，可节省开支(经济配置)。③采用256KB同步SRAM，可将性能提高30%(高性能配置)。
        可以相信，在今后至少10年时间内，RAM市场将持续高速发展，还会有许多更好、更快的RAM技术涌现出来，使RAM市场出现多种产品激烈竞争的局面。