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La Mémoire vive – La RAM

Résumé

La memoire vive est l'un des elements les plus importants dans un ordinateur. Nous allons expliquer pourquoi, puis presenter ses principales evolutions, pour enfin s'interesser a son futur standard.

Un peu plus en détail

 

 

I - introduction

1 - La ram c'est quoi ?

Pour commencer, nous allons essayer de se rendre compte du rôle de la ram dans un système à travers une métaphore:

Imaginons que le processeur soit un cuisinier et que son programme soit une recette de cuisine, tout comme un programme a besoin de données pour s'exécuter, cette recette de cuisine a besoin d'ingrédient pour être réalisée.

Quand notre cuisinier cherche un ingrédient il a plusieurs endroit ou chercher :

- Le plan de travail, qui a l'avantage d'être toujours a porter de main mais qui ne peu pas stocker beaucoup d'ingrédient.
-> C'est la mémoire interne du microprocesseur : la cache

- Le frigidaire, qui permet de stocker suffisamment d'ingrédient pour faire quelques recettes. Mais qui demande au cuisinier de se déplacer ce qui lui prend du temps ou il aurait pu cuisiner
-> c'est la ram

- Le supermarché où il y a toutes les données mais s'y approvisionner prend du temps.
-> C'est le disque dur

Si le cuisinier a besoin d'un ingrédient qui n'est pas sur le plan de travail, il ira le chercher dans le frigidaire, et si il n'est pas dans le frigidaire il devra aller le chercher au supermarché ce qui est très long.
On comprend donc que le cuisinier doit essayer d'avoir au maximum les ingrédients nécessaires à sa recette dans son frigidaire pour ne pas trop souvent perdre du temps à aller au supermarché.

Pour le microprocesseur, c'est la même chose :

Si une donnée n'est pas dans son cache il devra aller le chercher en ram, ce qui est dix fois plus long certes mais est raisonnable a l'échelle d'un programme.
Par contre si les donnes n'est pas en ram il devra aller les chercher sur le disque dur ce qui est très long. Pour ne pas constamment attendre le disque dur, le microprocesseur doit absolument precharger les données en ram.
Donc la ram c'est quoi ? C'est un espace de stockage qui permet de faire tampon entre le microprocesseur et les périphériques de stockage comme le disque dur.

2 - Pourquoi la ram ?

Bien sur on peut se dire mais pourquoi ne pas directement tout mettre dans la mémoire interne du microprocesseur et oublier la ram et le disque dur ? Ça serait la solution idéale puisque le microprocesseur serait toujours en train de travailler.

La réponse est toute simple : le prix

La mémoire cache coûte très cher : il y a 700 euros de différence entre un P4 2Mo de cache et P4 0,5 Mo de cache

La ram c'est beaucoup moins cher : 20 cents le Mo

Et le disque dur c'est presque gratuit : 1 euro le Go (soit 0,0001 euro le Mo)

Mais cette différence de prix est justifiée :

Imaginons que nous ralentissions le temps, et que la mémoire cache mette 1 minute à donner une info au cpu. La ram elle mettrait 3 minutes 30 à donner l'information ... et le disque dur plus de 4 mois !
Bien sur il ne faut pas oublier un détail : la ram et le cache sont toute deux des mémoires volatile : une fois l'ordinateur éteint elles perdent toute leurs données.

3 - Evolution de l'utilisation de la ram

Depuis la naissance de l'informatique moderne, La RAM a dont toujours été un composant primordial. Et elle a évoluée avec les besoins toujours plus important notamment a cause des interfaces graphiques, du multimédia et de l'utilisation de toujours plus de librairies pour faciliter la programmation.
On a pu observer une croissance exponentielle de l'utilisation de la ram dans les ordinateurs depuis les vingt dernières années :

Et pour se rendre compte des changements intervenus au cours des deux dernières décennies, il suffit de se remémorer une déclaration de bill Gates, formule en 1981 :a propos de la mémoire des ordinateurs :
"640 Ko (environ 0.6 MO) devraient suffire a tout le monde"

II. Fonctionnement

Maintenant que l'on sait a quoi sert la ram il pourrait être intéressant de voir ce que veux dire le mot "ram".
RAM est l'acronyme de "Random Access Memory", ce que l'on pourrait traduire par "Mémoire a accès aléatoire".

Bien sur cela ne veut pas dire que l'on accède au hasard aux données en ram, mais plutôt que chaque donnée peut être accédée directement et indépendamment des autres.
Ce fonctionnement est donc contraire a celui des vielles cassettes audio ou il fallait faire dérouler la bande avant d'accéder a la chanson que l'on veut entendre.

1 - Fonctionnement interne

Intéressons nous un peu plus à cette notion d'accès directe:

La manière dont l'information est stockée est comparable à un tableau constitué de lignes et de colonnes. L'intersection d'une ligne et d'une colonne forme une cellule appelée " point de mémoire ".

Ce point mémoire est en faite un petit condensateur qui permet le stockage du bit d'information. Si le condensateur est charge, alors sa valeur est 1 sinon elle est zéro.
Mais l'utilisation de celui ci entraîne un rafraîchissement (mise à jour) périodique des données car le condensateur perd son information au cours du temps. Ils sont donc recharge plusieurs centaines de fois par seconde. De cette façon, l'information est sans cesse actualisée.
Chaque condensateur est couplé à un transistor (de type MOS) permettant de "récupérer" ou de modifier l'état du condensateur.

Il faut donc pour accéder à une information, posséder son numéro de ligne et de colonne. Nous appellerons ceci l'"adresse mémoire".
Quand le microprocesseur a besoin d'une information en ram, il fait une demande au contrôleur de mémoire qui se charge alors de retrouver l'information en allant à la bonne ligne et la bonne colonne.

2 - la latence

Le temps mis par cette opération est appele "temps d'accès" ou "temps de latence", il est très important pour la vitesse globale d'un système d'avoir un temps d'accès bas, en effet plus microprocesseur passe son temps a attendre la ram mois il peut en consacrer a nos programmes.

L'unité de temps utilise pour la mémoire vive est le nanoseconde, ou 1 milliardième de seconde. On retrouve aujourd'hui des valeurs proches de 60 ou 70 ns pour accéder à une donne en ram. A comparer au 1 ns de la mémoire cache ou au 10 ms des disques dur.

3 - La correction d'erreurs

Certaines mémoires possèdent des mécanismes permettant de pallier les erreurs afin de garantir l'intégrité des données qu'elles contiennent. Ce type de mémoire est généralement utilisé sur des systèmes travaillant sur des données critiques, c'est la raison pour laquelle on trouve ce type de mémoire dans les serveurs.

- Bit de parité

Les barrettes avec bit de parité permettent de s'assurer que les données contenues dans la mémoire sont bien celles que l'on désire. Pour ce faire, un des bits de chaque octet stocké en mémoire sert à conserver la somme des bits de données.
Le bit de parité vaut 0 lorsque la somme des bits de données est impaire et 1 dans le cas contraire.

De cette façon les barrettes avec bit de parité permettent de vérifier l'intégrité des données mais ne permettent pas de corriger les erreurs. De plus pour 8 Mo de mémoire, seulement 7 serviront à stocker des données, dans la mesure où le dernier mégaoctet conservera les bits de parité.

- Barrettes ECC et AECC (Advanced Error Correcting Code)

Les barrettes de mémoire ECC (Error Correction Coding) sont des mémoires possédant plusieurs bits dédiés à la correction d'erreur (on les appelle ainsi bits de contrôle).
Ces barrettes, utilisées principalement dans les serveurs, permettent de détecter les erreurs et de les corriger.
Les barrettes AECC permettent d'en corriger plus (4 par 4).

4 - Format physique

Il existe 2 grands formats de présentation des barrettes de RAM, indépendants du type de mémoire supporté :

- SYMM (Single Inline Memory Module)

Les barrettes SIMM se présentent sous la forme de petits circuits imprimés rectangulaires, disposant sur une de leurs faces de 30 ou 72 broches de connexion et ont surtout servi à équiper les PC 386 et les premiers 486.

- DYMM (Dual Inline Memory Module)

Les barrettes DIMM ressemblent aux SIMM, mais elles sont légèrement plus grandes et comportent 84 broches sur chacune de leurs faces, pour un total de 168 broches.

Autre détail physique, elles sont également pourvues d'un deuxième cran (en plus de celui placé au centre de chaque barrette) situé au 5/6 de leur longueur, qui joue le rôle de détrompeur lors de l'installation dans les slots DIMM :

Ce type de barrette est utilise depuis l'apparition des Intel Pentium, Pentium MMX, Pentium II, AMD K6 etc.…

III. Evolution de la mémoire

Il existe de nombreux types de mémoires vives. Celles-ci se présentent toutes sous la forme de barrettes de mémoire enfichables sur la carte mère.

1 - La mémoire asynchrone :

- DRAM FPM (Fast Page Mode) 1992

Avant pour accéder a plusieurs donnes consécutive, il aurait fallu répéter plusieurs fois le cycle :

• trouver colonne

• trouver ligne

• lire mémoire

Une technique appelée pagination a donc été invente qui consiste à accéder à des données situées sur une même colonne en modifiant uniquement l'adresse de la ligne.

On note sous la forme X-Y-Y-Y les quatre temps d'accès a des données consécutives, par exemple la notation 5-3-3-3 indique une mémoire pour laquelle 5 cycles d'horloge sont nécessaires pour accéder à la première donnée et 3 pour les suivantes.

On parle alors de DRAM FPM (Fast Page Mode). Elle permet d'obtenir des temps d'accès de l'ordre de 70 à 80 nanosecondes pour une fréquence de fonctionnement pouvant aller de 25 à 33 Mhz. Elle a disparu avec l'arrivée de la ram EDO.

- DRAM EDO (Extended Data Out) 1995

Apres avoir optimise l'accès à différentes lignes, il a fallu optimiser celui des colonnes.

La DRAM EDO (Extended Data Out, soit Sortie des données amélioré parfois également appelé "hyper-page") est apparue en 1995. La technique utilisée avec ce type de mémoire consiste à adresser la colonne suivante pendant la lecture des données d'une colonne.
Cela crée un chevauchement des accès permettant de gagner du temps sur chaque cycle. Elle travaille a un cycle 5-2-2-2, soit un gain de 3 cycles sur l'accès a 4 données. Le temps d'accès à la mémoire EDO est donc d'environ 50 à 60 nanosecondes pour une fréquence de fonctionnement allant de 33 à 66 Mhz.

De plus les accès mémoire se font généralement sur des données rangées consécutivement en mémoire.

Ainsi les ingénieurs ont invente un mode d'accès en rafale (le burst mode) qui permet d'accéder a trois données de plus sans temps de latence supplémentaire.
Ainsi, la RAM BEDO permet d'obtenir des cycles de la forme 5-1-1-1, soit a nouveau un gain de 3 cycles. Sa limitation de fréquence à 66 Mhz a cependant entraîne sa disparition au bénéfice de la SDRAM.

2 - La mémoire synchrone :

- SDRAM (Synchronous DRAM)

Comme la mémoire EDO et FPM possédaient leur propre horloge, le système imposait au processeur des temps d'attente pour synchroniser sa vitesse avec celle de l'horloge de la ram.

La SDRAM (RAM synchrone), apparue en 1997 permet de s'affranchir de ces temps d'attente en synchronisant la mémoire avec le bus de la carte mère,

De cette façon la SDRAM est capable de fonctionner avec une cadence allant jusqu'à 150Mhz, lui permettant d'obtenir des temps d'accès d'environ 10ns. Son cycle est équivalent a celui de la BEDO.

- DR-SDRAM (Rambus DRAM) 1999

La DR-SDRAM (Direct Rambus DRAM ou encore RDRAM) est un type de mémoire permettant de transférer les données sur un bus de 16 bits de largeur à une cadence de 800Mhz, ce qui lui confère une bande passante de 1,6 Go/s. Elle peut être utilisée sur 2 ou même 4 canaux en parallèle pour atteindre alors un débit de 6.4Go/s. Comme la SDRAM, ce type de mémoire est synchronisé avec l'horloge du bus pour améliorer les échanges de données. En contrepartie, la mémoire RAMBUS est une technologie propriétaire, ce qui signifie que toute entreprise désirant construire des barrettes de RAM selon cette technologie doit reverser des droits (royalties) aux sociétés RAMBUS et Intel. Afin de contrer ce type de mémoire, les différents fabricants de RAM, carte mère et chipset s'associèrent pour lancer la DDR.

- DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) 1999

Elle est basée sur la SDRAM et utilise les mêmes technologies, lui permettant ainsi d'avoir un coût bien plus faible que la RDRAM. La grosse nouveauté de la DDR est de permettre de doubler le taux de transfert de la SDRAM à fréquence égale. En effet, alors que la SDRAM utilise la périodicité complète du signal électrique pour envoyer des informations, la DDR utilise les fronts montant et descendant de ce signal, soit deux fois plus d'informations envoyées au cours d'une même période.

IV. Le futur de la mémoire

Si la capacité des mémoires dynamiques a considérablement évolue ces dernières années, leur mode de fonctionnement est reste inchangé. Mais les choses sont amenees à changer puisque plusieurs technologies révolutionnaires et plus ou moins concrètes sont en train d'émerger.

1 - La MRAM

La MRAM est certainement la technologie que l'on a le plus de chance de voir arriver dans les dix prochaines années, sa particularité étant qu'elle n'utilise pas de charge électrique pour stocker les bits mais une charge magnétique, comme les disques durs par exemple.

Les données sont stockées entre deux couches de fer magnétise. Les bits sont codés en orientant les carges magnétiques, dans le sens parallèle ou non parallèle, ce qui crée une différence de potentiel entre les deux couches. Le courant passe ensuite dans l'élément qui lit ces bits, à la manière d'une tête de disque dur. L'écriture se fait en orientant les charges des deux couches au moyen d'un champ magnétique.

Si cette technologie peut sembler simple d'un premier abord, elle permet de cumuler les avantages des différentes RAM disponibles actuellement :

- elle a la vitesse de la SRAM (utilisée pour la mémoire cache) avec un temps d'accès d'environ 10 ns.

- la haute capacité et le coût réduit de la SDRAM.

- et enfin, la non volatilité de la Flash Memory.

-De plus, elle a une consommation très faible.

La MRAM, quelles utilisations?

Aujourd'hui lorsqu'on met en marche son ordinateur, on est obligé de télécharger le système d'exploitation du disque dur dans la DRAM. Celle-ci étant volatile, à chaque fois qu'on éteint l'appareil, il faut rebooter le système. Avec la MRAM, le système d'exploitation restera chargé et l'ordinateur pourra s'allumer comme un téléviseur.

Autres domaines d'application : les cartes à puce, pour lesquelles le paramètre vitesse est déterminant, la téléphonie mobile ou l'horlogerie. Dans leur cas, c'est le gain de puissance consommée qui est en jeu. Autant de propriétés qui font qu'à moyen terme, les MRAM pourraient devenir des mémoires universelles et remplacer l'ensemble des mémoires non volatiles, soit un marché de plusieurs dizaines de milliards de dollars. L'un des autres grands axes de recherche du laboratoire est l'enregistrement magnétique ultra haute densité, qui pourrait être vingt fois supérieur aux meilleurs disques durs actuels.vbm

2 - les autres voies

Il y a trois technologies principale qui sont aujourd'hui explores dans le domaine des composants informatique :

- L'utilisation de la lumière au lieu de l'électricité, en effet l'ordinateur a photon est une technologie très prometteuse mais malheureusement elle se heurte a un problème délicat : étant trop rapide pour s'intégrer avec des composants "normaux" il faudrait tout refaire pour avoir un ordinateur a photon qui exploite réellement ces capacités.

- L'utilisation de cellule ou protéine permettrais elles d'augmenter considérablement les capacités de stockage tout en étant d'une taille record.

- La nanotechnologie qui consistera plus à réduire la taille des composants ce qui naturellement augmenterais les performances.


V. Conclusion

La ram a donc toujours été un élément crucial des ordinateurs et a réussi à évoluer que ce soit en terme de capacité ou de rapidité pour s'adapter à nos besoins.

Avec les prochaines technologies de ram persistante qui arrive et le coût de production toujours plus intéressant de génération en génération la ram est promise à un bel avenir.

Et justement en s'appropriant les technologies des disques dur peut être qu'un jour nous nous retrouveront avec des ordinateurs sans disque dur ?

Caractéristiques

Vitesse : 133 -> 800 Mhz
Température : 30 -> 50
Prix : 30 -> 200 euro
Pays d'origine : Etats unis
Débit : 1 -> 6 Go / sec
Capacité : 64 mo -> 4 Go
Année de commercialisation : 1948





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