Иерархия компьютерной памяти — концепция построения взаимосвязи классов разных уровней компьютерной памяти на основе иерархической структуры.
Сущность необходимости построения иерархической памяти — необходимость обеспечения вычислительной системы (отдельного компьютера или кластера) достаточным объёмом памяти, как оперативной, так и постоянной.
Учитывая неоднородность периодичности обращения к конкретным записям (внутренним регистрам процессора, кэш-памяти, страницам и файлам) применяются различные технические решения, имеющие отличные характеристики, как технические так ценовые и массо-габаритные. Долговременное хранение в дорогой сверхоперативной и даже оперативной памяти, как правило, не выгодно, поэтому данные такого рода хранятся на накопителях — дисковых, ленточных, флеш и т.д.
Для обеспечения резервирования данных, например с целью сохранности, пользователи могут создавать библиотеки на съёмных носителях (например, виртуальная ленточная библиотека или дисковый массив), наполняя их своими файлами различных форматов. Доступ к этим данным занимает самое большое время, но при этом их ёмкость огромна.
В основном, техническими характеристиками служат временные, то есть каким временным критериям устраивает конкретное решение. Потребность в скоростной памяти, как правило лимитируется либо высокими накладными расходами по обеспечению работы схем, либо высоким энергопотреблением либо высокой стоимостью решения.
Различные виды памяти образуют иерархию, на различных уровнях которой расположены памяти с отличающимися временем доступа, сложностью, стоимостью и объёмом. Возможность построения иерархии памяти вызвана тем, что большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещен в более быструю, но дорогую и поэтому небольшую, память (см. en:locality of reference). Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса. Под памятью в данном случае подразумевается устройство хранения данных (запоминающее устройство) в вычислительной технике или компьютерная память.
При проектировании высокопроизводительных компьютеров и систем необходимо решить множество компромиссов, например, размеры и технологии для каждого уровня иерархии. Можно рассматривать набор различных памятей (m1,m2,…,mn), находящихся в иерархии, то есть каждый mi уровень является как бы подчиненным для mi-1 уровня иерархии. Для уменьшения времени ожидания на более высоких уровнях, низшие уровни могут подготавливать данные укрупненными частями с буферизацией и, по наполнению буфера, сигнализировать верхнему уровню о возможности получения данных.
Часто выделяют 4 основных (укрупнённых) уровня иерархии: [1]
- Внутренняя память процессора (регистры, организованные в регистровый файл и кэш процессора).
- ОЗУ системы (RAM) и вспомогательных карт памяти.
- Накопители с «горячим» доступом (On-line mass storage) — или вторичная компьютерная память. Жесткие диски и твердотельные накопители, не требующие длительных (секунды и больше) действий для начала получения данных.
- Накопители, требующие переключения носителей (Off-line bulk storage) — или третичная память. Сюда относятся магнитные ленты, ленточные и дисковые библиотеки, требующие длительной перемотки либо механического (или ручного) переключения носителей информации.
В большинстве современных ПК используется следующая иерархия памяти:
- Регистры процессора, организованные в регистровый файл — наиболее быстрый доступ (порядка 1 такта), но размером лишь в несколько сотен или, редко, тысяч байт.
- Кэш процессора 1го уровня (L1) — время доступа порядка нескольких тактов, размером в десятки килобайт
- Кэш процессора 2го уровня (L2) — большее время доступа (от 2 до 10 раз медленнее L1), около полумегабайта или более
- Кэш процессора 3го уровня (L3) — время доступа около сотни тактов, размером в несколько мегабайт (в массовых процессорах используется недавно)
- ОЗУ системы — время доступа от сотен до, возможно, тысячи тактов, но огромные размеры в несколько гигабайт, вплоть до сотен. Время доступа к ОЗУ может варьироваться для разных его частей в случае комплексов класса NUMA (с неоднородным доступом в память)
- Дисковое хранилище — многие миллионы тактов, если данные не были закэшированны или забуферизованны заранее, размеры до нескольких терабайт
- Третичная память — задержки до нескольких секунд или минут, но практически неограниченные объёмы (ленточные библиотеки).
Большинство программистов обычно предполагает, что память делится на два уровня, оперативную память и дисковые накопители, хотя в ассемблерных языках и ассемблерно-совместимых (типа C) существует возможность непосредственной работы с регистрами. Получение преимуществ от иерархии памяти требует совместных действий от программиста, аппаратуры и компиляторов (а также базовая поддержка в операционной системе):
- Программисты отвечают за организацию передачи данных между дисками и памятью (ОЗУ), используя для этого файловыйввод-вывод; Современные ОС также реализуют это как подкачку страниц.
- Аппаратное обеспечение отвечает за организацию передачи данных между памятью и кэшами.
- Оптимизирующие компиляторы отвечают за генерацию кода, при исполнении которого аппаратура эффективно использует регистры и кэш процессора.
Многие программисты не учитывают многоуровневость памяти при программировании. Этот подход работает пока приложение не столкнется с падением производительности из-за нехватки производительности подсистемы памяти. При исправлении кода (рефакторинг) необходимо учесть наличие и особенность работы верхних уровней иерархии памяти для достижения наивысшей производительности.
В компьютере сдержится множество типов памяти. Существуют устройства, содержащие временную информацию, другие могут быть запрограммированы, а в третьих информация может храниться длительное время. Для постоянного хранения большого количества информации можно использовать жесткие диски и оптические диски различных форматов. Эти внешние устройства дополняются запоминающими модулями, которые встраиваются в системную плату.
Существуют такие виды памяти компьютера: ROM, RAM, жесткий диск, оптические диски и различные переносные накопители.
В качестве примера одного из видов ROM – памяти только для чтения, можно привести BIOS. Этот вид встраивается в системную плату и используется на начальной стадии загрузки компьютера. В данной памяти содержится набор наиболее важного программного обеспечения, устанавливающего начальное соединение между устройствами, предназначенными для ввода и вывода информации. Биосом создается мост между микропроцессором и жестким диском, на котором содержится операционная система компьютера. Данный процесс и получил название загрузки.
ROM – это такие виды памяти компьютера, которые сильно отличаются от всех остальных, так как предназначены для осуществления скоростного доступа к ним. Данный тип используется только для хранения данных. По своему внешнему виду ROM представляет собой интегрированный чип, который обычно не подлежит замене. Отличие данного типа от других состоит в том, что он должен обладать высокоскоростным доступом, а цикл его чтения должен быть минимальным, в нем нет никаких подвижных частей, поэтому такие функции и стали возможны. Этот вид отличается еще и тем, что информация хранится в нем и в то время, когда компьютер полностью выключен.
RAM представляет собой устройство скоростной памяти, которая применяется для хранения информации в процессе работы компьютера. В данном виде хранение информации возможно только пока компьютер включен и работает. Оперативная память компьютера традиционно обеспечивается модулями, которые при желании можно удалить или заменить. Предназначение данного вида состоит в том, чтобы хранить промежуточные данные, получаемые в процессе работы микропроцессора. Время доступа к этим данным должно быть минимальным, поэтому к модулям оперативной памяти и выставляются определенные требования.
Существуют и такие виды памяти компьютера, которые позволяют осуществлять хранение информации достаточно длительное время. К примеру, жесткий диск является устройством, которое предназначено для постоянного хранения информации и данных, которые не стираются при выключении компьютера. Обычно на жестком диске установлена операционная система и необходимое прикладное программное обеспечение. Жесткий диск подключается к материнской плате и является внешним устройством хранения данных.
Виды памяти компьютера и их взаимодействие
Иногда возникает ситуация, когда вы видите на мониторе сообщение: «Слишком мало виртуальной памяти». В данном случае вам стоит знать, что компьютером во время работы используется не только оперативная, но и физическая память компьютера, поэтому при недостатке оперативной памяти он обращается к дампу памяти, размер которого зависит от установок компьютера. Пользователь может самостоятельно увеличить этот объем, что существенно облегчит работу. Для этого необходимо войти в системные настройки и найти пункт «Быстродействие», где и произвести необходимые изменения. Необходимо выбрать диск с файлом подкачки и размер самого файла.
Еще один важный вид – кэш память компьютера, которая исполняет функции своеобразного буфера, осуществляющего обмен информации между процессором и оперативной памятью. Этот вид памяти является самым быстродействующим, что необходимо для обеспечения качественной бесперебойной работы компьютера. Традиционно объем такой памяти колеблется в пределах 128-512 килобайт.
Комплект Trident Z RGB DDR4-4700 от G.SKILL состоит из двух модулей по 8 Гб. Частота достигает 4700 МГц, тайминги – CL19-19-19-39. Новинка функционирует при напряжении питания 1,45 В.
Компания G.SKILL представила самый быстрый в мире комплект оперативной памяти DDR4. По крайней мере, так заявляет сам производитель. Комплект Trident Z RGB DDR4-4700 состоит из двух модулей по 8 Гб. Частота достигает 4700 МГц, тайминги — CL19-19-19-39. Новинка функционирует при напряжении питания 1,45 В.
Тестовые результаты были получены при использовании в системе с материнской платой MSI Z370I Gaming Pro Carbon AC и шестиядерным процессором Intel Core i7-8700K тактовой частотой 3,7-4,7 ГГц. Модули оснащены RGB-подсветкой и поддерживают облегчающую разгон технологию XMP 2.0. Новинка поступит в продажу в следующем квартале. Данных о цене Trident Z RGB DDR4-4700 пока, к сожалению, нет.