内存条的构造、原理及性能参数

内存条是电脑中用来暂时存储和访问数据的部件。它就像是一个“飞毛腿快递小哥”，快速、准确地把数据从大仓库“硬盘”送到用户"CPU"手中。假如没有内存，就算CPU跑冒烟，电脑也快不起来。
现在的内存条，容量普遍比较大，动不动十好几G，所以被诅咒的时候少了。想当年，在那个256MB、512MB的年代，打开个大一点儿的程序经常会卡得你痛不欲生。
今天就说说内存条的构造和原理。

一、内存条的构造

1.1 外观结构

1.1.1 芯片：大脑

内存条的核心就是存储芯片（Chip），也就是我们常说的“内存颗粒”，它们是真正保存数据的地方。

内存条的性能、速度和容量都是由内存芯片决定的。
这些芯片一般采用TSOP（Thin Small Outline Package，薄型小尺寸封装）或BGA（Ball Grid Array，球栅阵列）封装，不同封装的内存条在性能和安装方式上也有所不同。
每个芯片内部包含多个Bank（存储单元），每个Bank又细分为许多Row（行）和Column（列），形成二维矩阵式的排列方式。

1.1.2 PCB板：骨架

PCB板（印制电路板，Printed Circuit Board）就是内存条的电路板，像“骨架”一样承载所有组件，并连接着各个芯片，确保数据能够在芯片之间流畅传输。
PCB板多数都是绿色的，也就是复合树脂板，采用了多层设计，一般为四层或六层。
PCB板上布满了错综复杂的线路和元件，这些线路和元件的设计都经过精心计算，以确保数据传输的准确性和稳定性。

1.1.3 金手指：接口

金手指，就是内存条边上一排金色手指形的触点，直接与主板上的插槽连接。金手指一般采用镀金工艺，以提高导电性能和抗氧化能力。
当内存条插入主板插槽时，金手指与插槽内的触点紧密接触，实现数据的传输和交换。

1.1.4 电容电阻：稳压、稳流

在内存条上有许多附加的电容和电阻，采用的是贴片元件，以C代表电容，R代表电阻。
电容作为电源滤波器，能够稳定内存模块的电压和电流。一般来说，电容越大，则内存模块的电压波动越小，内存稳定性就会更好。但是，电容越大也会导致内存访问时延加大，降低内存条带宽。
电阻主要起限流和稳压作用。当内存条工作时，电流会在电路中产生波动，这时电阻就能够限制电流的大小，避免电路中的元器件受到过大的冲击而损坏。同时，电阻还能稳定电压，确保内存条在稳定的工作环境下运行。

1.1.5 防呆缺口：防错

防呆缺口就是防止内存条插反的小缺口，有了它，插反了插不进去。

1.2 内部层次结构

内存条内部遵循着严格的分层架构：Channel(内存通道) -> DIMM(内存条) -> Rank(面) -> Chip(内存颗粒) -> Bank(颗粒层) -> Cell(存储单元，row/column由行列两个数值决定)
这一序列反映了从宏观到微观的数据组织形式，具体说明如下：

• Channel(内存通道)：指的是CPU与内存之间的数据传输通道（参见《跑道加一条，速度翻一倍：内存通道的提速秘密》）；
• DIMM(内存条)：代表物理内存条本身；
• Rank(面)：表示内存条的两个面，即正面、反面，两面都分布有存储芯片；
• Chip(内存颗粒)：即前文提到的存储芯片；
• Bank(颗粒层)：是每个芯片内部分割出来的逻辑分区，它是分片的；
• Cell(存储单元)：最后到达的具体存储单元，由行列地址定位。
  
  

二、内存条的工作原理

内存条的工作原理，简单来说，就是把数据从一个地方“搬”到另一个地方。但这个“搬”的过程，可远比我们想象中的复杂得多。

2.1 数据的“搬家”过程

当你打开一个程序或文件时，数据会从硬盘这个“大仓库”里被读取出来，然后通过内存条这个“中转站”被传输到CPU这个“处理中心”进行处理。处理完成后，数据再被传回内存条或硬盘进行存储。在这个过程中，内存条就像是一个“高速通道”，让数据能够迅速地在硬盘、CPU之间传输。

2.2 内存的“寻址”机制

要想让数据在内存条里“找到家”，就得靠内存的“寻址”机制。每个存储在内存条里的数据都有一个唯一的地址，就像是我们每个人的身份证号码一样。
当CPU需要访问某个数据时，会通过地址总线把数据的地址发送给内存控制器（Memory Controller），后者会通过内部的“寻址电路”找到对应的数据，然后通过数据总线把数据发送给CPU。
具体的寻址过程是，内存控制器根据地址将命令转发给相应的DIMM。接着，DIMM内部的Rank会选择合适的Chip，进而激活对应的Bank，最终完成对特定Row和Column组合所指向的Cell（存储单元）的操作。
为了准确无误地找到所需信息，内存采用了复杂的寻址机制：

• Rank选择：通过寻址信号确定哪个面；
• Bank地址：BA0-BAx决定具体在哪一层；
• 行选（RAS#）：表示接收的是行地址；
• 列选（CAS#）：表示接收的是列地址；
• 地址线A0-Ax：用于指定确切的行列坐标；
• 数据总线DQ0-DQ63：负责实际的数据传输，一次最多可携带64bit的数据量。

需要注意的是，由于电脑的内存条都是用电容来存储数据，而电容存在漏电现象，为了保持数据完整性，必须定期进行刷新操作（也就是要给电容充电）。

2.3 内存的“读写”操作

内存的“读写”操作，就像是我们在图书馆里借书和还书一样。当我们需要读取某个数据时，内存条就会像图书馆管理员一样，根据我们提供的地址找到对应的数据并“借”给我们（读取操作）。当我们处理完数据后，再把数据“还”给内存条（写入操作）。内存的读写速度非常快，一般都是以纳秒（ns）为单位来衡量的。

三、内存条的性能参数

了解了内存条的构造和工作原理后，我们再来看看它的性能参数。这些参数就像是内存条的“成绩单”，能够直观地反映出它的性能优劣。

3.1 容量

内存容量（Capacity），顾名思义，就是内存条能够存储的数据量。一般来说，内存容量越大，电脑的运行速度就越快，因为可以同时处理的数据就越多。但是，并不是说内存容量越大就一定越好，因为还需要考虑其他因素，比如内存的频率、时序等。

3.2 频率

内存频率（Memory Frequency），指内存所能达到的最高工作频率。频率越高，数据传输速度就越快。常见的内存频率有100MHz、133MHz、150MHz、166MHz、200MHz、233MHz、266MHz等。一般来说，相同容量的内存条，频率越高价格就越贵。
关于内存频率，里面是有猫腻的，比如DDR4 2400，频率难不成是2400MHz？其实根本没有那么大，真实的频率只有150MHz。关于这个问题老金后面会专门写篇文章。

3.3 带宽

内存带宽（Memory Bandwidth）就是内存条每秒钟能够传输的最大数据量。带宽越大，数据传输的速度就越快。
内存频率和带宽都是反映存取数据快慢的指标。内存带宽的计算公式是：带宽=频率×位宽/8。
位宽是一个时钟周期内所能传送数据的位数，以bit为单位，所以需要除以8转换成字节。因此，在选择内存条时，除了考虑频率外，还需要关注它的位宽。
还是以DDR4 2400为例，频率为150MHz，位宽为1024bit，则带宽为：
$$\frac{150MHz\times 1024bit}{8}=19.2GB$$
这个19.2GB就是你能查到的DDR4 2400的带宽。
实际上这个带宽也有水分，因为频率单位的换算关系是1000，而字节的换算单位是1024，上面的19.2GB是实际上是用1000作为换算单位的，即它的计算过程是这样的：
$$\begin{array}{rl}\frac{150MHz\times 1024bit}{8}& =\frac{150\times 10^{6}Hz\times 1024bit}{8}B\\ & =\frac{150\times 10^{6}Hz\times 1024bit}{8\times 10^9}GB\\ & =19.2GB\end{array}$$
严格来讲应该这样算：
$$\begin{array}{rl}\frac{150MHz\times 1024bit}{8}& =\frac{150\times 10^{6}Hz\times 1024bit}{8}B\\ & =\frac{150\times 10^{6}Hz\times 1024bit}{8\times 1024^3}GB\\ & =17.9GB\end{array}$$

3.4 时序

内存时序（Memory Timings），是内存条的一个重要参数，它表示内存条在接收到读写指令后到完成读写操作所需要的时间。时序越小，内存的响应时间就越短，性能也就越好。但是，时序的降低往往会带来功耗的增加和稳定性的下降，所以需要在性能和稳定性之间找到一个平衡点。

3.5 双通道与多通道技术

为了进一步提高带宽利用率，现代主板普遍支持双通道乃至四通道模式。在这种情况下，每一对DIMM都可以被视为一个独立的传输通道，从而显著增强了系统的吞吐能力。此外，某些高端服务器还会配备ECC校验功能，有效降低了数据传输错误的概率。

四、内存条的发展趋势

近年来，随着硬件制造工艺不断进步，内存领域也涌现出一批令人瞩目的新技术：

• HBM（High Bandwidth Memory）：高带宽内存直接安装在GPU旁边，大幅缩短了二者之间的物理距离，实现了前所未有的数据传输速率。
• GDDR（Graphics Double Data Rate）：专为图形渲染设计的高性能显存，拥有更高的频率和更低的延迟，广泛应用于游戏显卡和专业工作站。
• 3D XPoint：英特尔推出的非易失性存储介质，结合了闪存和传统DRAM的优点，提供了接近DRAM的速度和持久化特性。

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