NemanjaTanja

RAM memorija (Random Access Memory)

RAM (Random Access Memory) je ključna komponenta svakog računarskog sistema koja omogućava brz pristup podacima i instrukcijama potrebnim procesoru za izvršavanje programa. RAM je volatilna memorija, što znači da gubi sve podatke kada se napajanje isključi.

Funkcije RAM-a

• Privremeno skladišti podatke i programe koje procesor trenutno koristi.
• Podržava multitasking omogućavajući istovremeni rad više aplikacija.
• Omogućava brzo učitavanje podataka u poređenju sa trajnim skladištima poput HDD-a ili SSD-a.

Glavne karakteristike RAM-a

• Podaci se mogu čitati i upisivati proizvoljan broj puta.
• Brzina rada zavisi od vrste RAM-a i njegove frekvencije (izražava se u MHz).
• Kapacitet RAM-a direktno utiče na performanse računara i sposobnost obavljanja više zadataka istovremeno.

Različite vrste RAM memorije koriste se za specifične zadatke u zavisnosti od potreba sistema, pri čemu se brzina, kapacitet, cena i volatilnost razlikuju. U savremenim računarima najvažniju ulogu imaju Statički RAM (SRAM) i Dinamički RAM (DRAM).

Statički RAM (SRAM)

Statički RAM (SRAM) je brza i pouzdana vrsta memorije koja koristi flip-flop elektronske sklopove za skladištenje bitova podataka. Flip-flopovi su sastavljeni od najmanje šest tranzistora po ćeliji, što omogućava da podaci ostanu stabilni dok god je prisutno električno napajanje.

Struktura i funkcionalnost

• Flip-flop sklopovi: Svaka memorijska ćelija SRAM-a koristi stabilan sklop koji ne zahteva osvežavanje podataka.
• Brzina: SRAM je među najbržim vrstama memorije, jer omogućava gotovo trenutno čitanje i upisivanje podataka.
• Volatilnost: Podaci se gube čim se prekine napajanje, što ga čini nepodesnim za dugoročno skladištenje.

Upotreba SRAM-a

• Keš memorija procesora: SRAM se koristi kao L1, L2 i L3 keš memorija zbog svojih brzih performansi. Keš služi za privremeno čuvanje najčešće korišćenih podataka i instrukcija kako bi se smanjilo vreme pristupa.
• Ugrađeni sistemi: SRAM se koristi u uređajima poput mikrokontrolera, gde su potrebne visoke performanse na ograničenom prostoru.
• Grafički procesori: SRAM se koristi i u GPU arhitekturama za brzi keš podataka tokom obrade slike.

Prednosti i nedostaci SRAM-a

• Prednosti:

1. Visoka brzina pristupa podacima.
2. Pouzdanost, jer nije potrebno osvežavanje podataka.

• Nedostaci:

1. Veća cena po bitu skladištenja u poređenju sa DRAM-om.
2. Veći fizički prostor po ćeliji, što ograničava kapacitet.

Dinamički RAM (DRAM)

Dinamički RAM (DRAM) je vrsta memorije koja koristi jednostavnije strukture ćelija sastavljene od jednog tranzistora i jednog kondenzatora za skladištenje podataka. Kondenzatori čuvaju električni naboj koji predstavlja informacije, ali se naboj vremenom gubi, zbog čega je potrebno periodično osvežavanje podataka.

Osnovne karakteristike DRAM-a

• Jednostavna struktura: Svaka ćelija memorije se sastoji od tranzistora i kondenzatora, što omogućava veću gustinu skladištenja u poređenju sa SRAM-om.
• Osvežavanje podataka: DRAM zahteva redovno osvežavanje (refresh) kako bi podaci ostali očuvani, obično svakih nekoliko milisekundi.
• Cena i kapacitet: DRAM je jeftiniji za proizvodnju i omogućava veće kapacitete, zbog čega se koristi kao glavna radna memorija u računarima.

Upotreba DRAM-a

• Glavna memorija računara: DRAM je osnovna radna memorija (RAM) u većini uređaja, uključujući personalne računare, servere i mobilne uređaje.
• Grafička memorija: DRAM se koristi u grafičkim karticama kao VRAM, koja omogućava brzo čuvanje i pristup grafičkim podacima.
• Serveri i superračunari: Veliki kapaciteti DRAM-a su ključni za rad servera i sistema koji zahtevaju obradu ogromnih količina podataka.

Prednosti i nedostaci DRAM-a:

• Prednosti:

1. Veći kapacitet u poređenju sa SRAM-om.
2. Niža cena po bitu skladištenja.

• Nedostaci:

1. Potreba za osvežavanjem podataka povećava latenciju i potrošnju energije.
2. Sporiji pristup podacima u poređenju sa SRAM-om.

DDR4 RAM

DDR4 (Double Data Rate 4) je četvrta generacija DRAM memorije, koja pruža poboljšanja u brzini, kapacitetu i energetskoj efikasnosti u poređenju sa prethodnim generacijama. DDR4 je trenutno najrasprostranjeniji standard memorije u računarima, laptopovima i serverima.

Specifikacije DDR4 RAM-a

• Radna frekvencija: Od 2133 MHz do preko 5000 MHz, zavisno od modela.
• Propusnost: DDR4 na 3000 MHz omogućava prenos do 48 GB podataka u sekundi, zahvaljujući dvostrukom prenosu podataka u jednom taktu (dual data rate).
• Energetska efikasnost: Radni napon je smanjen na 1,2 V, čime se smanjuje potrošnja energije i generisanje toplote.
• Kapacitet modula: DDR4 moduli mogu imati kapacitet do 64 GB, što omogućava veće memorijske kapacitete za zahtevne aplikacije.

Performanse DDR4 RAM-a

• Brzina: Veće frekvencije omogućavaju brži pristup podacima, što je ključno za igrice, 3D modelovanje i video obradu.
• Latencija: Iako su frekvencije povećane, latencija može uticati na performanse, zbog čega je optimizacija sistema važna.

Keš memorija

Keš memorija je brza memorija koja se koristi u modernim računarskim sistemima kako bi se smanjio jaz između brzine procesora i glavne memorije. U računarskoj hijerarhiji nalazi se između procesora i glavne memorije, a njena osnovna funkcija je povećanje performansi računarskog sistema. Keš memorija omogućava privremeno skladištenje često korišćenih podataka i instrukcija, što ubrzava izvršavanje operacija.

Struktura i hijerarhija keš memorije

Keš memorija je deo šireg sistema memorijske hijerarhije, koji uključuje različite vrste memorija organizovane prema brzini, kapacitetu i udaljenosti od procesora.

Keš memorija se sastoji od nekoliko nivoa:

• L1 keš (prvi nivo): Najbrža, ali najmanja memorija koja je direktno povezana s procesorom. Tipični kapacitet je od 16 do 128 KB.
• L2 keš (drugi nivo): Veća i nešto sporija od L1 keša. Nalazi se između procesora i glavne memorije, a tipični kapacitet je od 256 KB do nekoliko MB.
• L3 keš (treći nivo): Najveći, ali najsporiji keš, deljen između više jezgara procesora. Kapacitet može biti nekoliko desetina MB.

Hijerarhijska organizacija omogućava balans između troškova, brzine i kapaciteta memorije.

Princip rada

Keš memorija koristi princip lokalnosti podataka, koji se temelji na dve osnovne vrste lokalnosti:

• Privremena lokalnost: Verovatnoća da će podatak koji je nedavno korišćen biti ponovno potreban u skorije vreme.
• Prostorna lokalnost: Verovatnoća da će podaci bliski onima koji su nedavno korišćeni takođe biti potrebni.

Kada procesor zahteva neki podatak:

• Keš pogodak: Ako se podatak nalazi u keš memoriji, procesor ga odmah preuzima, što značajno ubrzava izvršavanje.
• Keš promašaj: Ako podatak nije u kešu, procesor ga preuzima iz glavne memorije i smešta ga u keš za buduću upotrebu.

Blokovi podataka se preuzimaju u keš memoriju radi povećanja efikasnosti, jer je verovatno da će sledeći podaci koji se koriste biti deo istog bloka.

Implementacija keš memorije

Keš memorija je najčešće implementirana pomoću SRAM-a (statičkog RAM-a).

Keš memorija može raditi na različite načine:

• Direktno mapiranje: Svaka memorijska lokacija mapira se na određenu lokaciju u kešu. Ovo je jednostavno, ali može izazvati više keš promašaja.
• Asocijativno mapiranje: Podaci se mogu smeštati bilo gde u kešu, čime se smanjuje broj promašaja.
• Set-asocijativno mapiranje: Kombinacija direktnog i asocijativnog mapiranja, gde se memorija deli u setove.

Prednosti keš memorije

Keš memorija igra ključnu ulogu u modernim procesorima i donosi brojne prednosti:

• Ubrzanje rada: Keš omogućava procesoru da brže pristupi podacima nego iz glavne memorije.
• Smanjenje latencije: Vreme čekanja na podatke je značajno manje, što povećava efikasnost.
• Efikasno korišćenje resursa: Smanjenjem broja pristupa glavnoj memoriji štedi se energija i povećava trajanje baterije u prenosivim uređajima.

Nedostaci keš memorije

Iako je keš memorija korisna, postoje i određeni nedostaci:

• Visoki troškovi: SRAM, koji se koristi za keš, je skuplji od DRAM-a.
• Ograničen kapacitet: Zbog troškova, kapacitet keš memorije je mali u poređenju sa glavnom memorijom.
• Kompleksnost dizajna: Dodavanje keš memorije zahteva složenu arhitekturu procesora.

Istorija keš memorije

Koncept keš memorije uveden je u ranim fazama razvoja računarstva kako bi se rešio problem velike razlike u brzini između procesora i memorije. Prvi procesori sa keš memorijom pojavili su se tokom 1970-ih, dok je danas keš memorija integralni deo svih modernih procesora.

Budući razvoj

Razvoj keš memorije nastavlja se kroz unapređenja poput:

• Povećanja kapaciteta L2 i L3 keš memorije.
• Uvođenja specijalizovanih keš algoritama za specifične primene (npr. veštačka inteligencija).
• Optimizacije energetskog upravljanja kako bi keš bio efikasniji u mobilnim uređajima.

Reference

• Hennessy, J. L., & Patterson, D. A. (2017). Computer Architecture: A Quantitative Approach.

• Stallings, W. (2013). Computer Organization and Architecture: Designing for Performance.