Mémoire à accès aléatoire

La mémoire vive ( RAM ; / r æ m / ) est une forme de mémoire informatique électronique qui peut être lue et modifiée dans n'importe quel ordre, généralement utilisée pour stocker des données de travail et du code machine . Un périphérique de mémoire à accès aléatoire permet de lire ou d'écrire des éléments de données dans presque le même laps de temps, quel que soit l'emplacement physique des données à l'intérieur de la mémoire, contrairement à d'autres supports de stockage de données à accès direct (tels que les disques durs et les bandes magnétiques ), où le temps requis pour lire et écrire des éléments de données varie considérablement en fonction de leur emplacement physique sur le support d'enregistrement, en raison de limitations mécaniques telles que la vitesse de rotation du support et le mouvement du bras.

Dans la technologie actuelle, la mémoire vive se présente sous la forme de puces de circuits intégrés (CI) avec des cellules de mémoire MOS (métal-oxyde-semiconducteur) . La RAM est normalement associée à des types de mémoire volatile dans lesquels les informations stockées sont perdues si l'alimentation est coupée. Les deux principaux types de mémoires volatiles à semi-conducteurs à accès aléatoire sont la mémoire vive statique (SRAM) et la mémoire vive dynamique (DRAM).

La RAM non volatile a également été développée et d'autres types de mémoires non volatiles permettent un accès aléatoire pour les opérations de lecture, mais ne permettent pas les opérations d'écriture ou présentent d'autres types de limitations. Il s'agit notamment de la plupart des types de mémoires flash ROM et NOR .

L'utilisation de la RAM à semi-conducteurs remonte à 1965, lorsque IBM a introduit la puce SRAM monolithique (monopuce) 16 bits SP95 pour son ordinateur System/360 Model 95 , et Toshiba a utilisé des cellules de mémoire DRAM bipolaires pour sa calculatrice électronique Toscal BC-1411 180 bits , toutes deux basées sur des transistors bipolaires . Bien qu'elle offrait des vitesses plus élevées que la mémoire à noyau magnétique , la DRAM bipolaire ne pouvait pas rivaliser avec le prix inférieur de la mémoire à noyau magnétique alors dominante. En 1966, le Dr Robert Dennard a inventé l'architecture DRAM moderne dans laquelle il y a un seul transistor MOS par condensateur. La première puce IC DRAM commerciale, l' Intel 1103 1K , a été introduite en octobre 1970. La mémoire vive dynamique synchrone (SDRAM) a été réintroduite avec la puce Samsung KM48SL2000 en 1992.

Les premiers ordinateurs utilisaient des relais , des compteurs mécaniques ou des lignes à retard pour les fonctions de mémoire principale. Les lignes à retard ultrasoniques étaient des dispositifs série qui ne pouvaient reproduire les données que dans l'ordre dans lequel elles étaient écrites. La mémoire à tambour pouvait être étendue à un coût relativement faible, mais la récupération efficace des éléments de mémoire nécessite la connaissance de la disposition physique du tambour pour optimiser la vitesse. Des verrous construits à partir de tubes à vide triodes , et plus tard, à partir de transistors discrets , étaient utilisés pour des mémoires plus petites et plus rapides telles que les registres . Ces registres étaient relativement grands et trop coûteux à utiliser pour de grandes quantités de données ; généralement, seuls quelques dizaines ou quelques centaines de bits de cette mémoire pouvaient être fournis.

La première forme pratique de mémoire à accès aléatoire fut le tube Williams . Il stockait les données sous forme de points chargés électriquement sur la face d'un tube cathodique . Comme le faisceau d'électrons du tube cathodique pouvait lire et écrire les points du tube dans n'importe quel ordre, la mémoire était à accès aléatoire. La capacité du tube Williams était de quelques centaines à environ un millier de bits, mais il était beaucoup plus petit, plus rapide et plus économe en énergie que l'utilisation de verrous de tube à vide individuels. Développé à l' Université de Manchester en Angleterre, le tube Williams a fourni le support sur lequel le premier programme stocké électroniquement a été implémenté dans l' ordinateur Manchester Baby , qui a exécuté avec succès un programme pour la première fois le 21 juin 1948. En fait, plutôt que la mémoire à tube Williams conçue pour le Baby, le Baby était un banc d'essai pour démontrer la fiabilité de la mémoire.

La mémoire à noyau magnétique a été inventée en 1947 et développée jusqu'au milieu des années 1970. Elle est devenue une forme répandue de mémoire à accès aléatoire, reposant sur un réseau d'anneaux magnétisés. En changeant le sens de la magnétisation de chaque anneau, les données pouvaient être stockées avec un bit stocké par anneau. Étant donné que chaque anneau avait une combinaison de fils d'adresse pour le sélectionner et le lire ou l'écrire, l'accès à n'importe quel emplacement de mémoire dans n'importe quelle séquence était possible. La mémoire à noyau magnétique était la forme standard de mémoire informatique jusqu'à ce qu'elle soit remplacée par la mémoire à semi-conducteurs dans les circuits intégrés (CI) au début des années 1970.

Avant le développement des circuits intégrés de mémoire morte (ROM), la mémoire à accès aléatoire permanente (ou en lecture seule ) était souvent construite à l'aide de matrices de diodes pilotées par des décodeurs d'adresses ou de plans de mémoire à noyau spécialement enroulés .

La mémoire à semi-conducteurs est apparue dans les années 1960 avec la mémoire bipolaire, qui utilisait des transistors bipolaires . Bien qu'elle soit plus rapide, elle ne pouvait pas rivaliser avec le prix inférieur de la mémoire à noyau magnétique.

En 1957, Frosch et Derick ont ​​fabriqué les premiers transistors à effet de champ en dioxyde de silicium aux Bell Labs, les premiers transistors dans lesquels le drain et la source étaient adjacents à la surface. Par la suite, en 1960, une équipe a démontré un MOSFET fonctionnel aux Bell Labs. Cela a conduit au développement de la mémoire métal-oxyde-semiconducteur (MOS) par John Schmidt chez Fairchild Semiconductor en 1964. En plus d'une vitesse plus élevée, la mémoire à semi-conducteur MOS était moins chère et consommait moins d'énergie que la mémoire à noyau magnétique. Le développement de la technologie des circuits intégrés MOS à grille de silicium (MOS IC) par Federico Faggin chez Fairchild en 1968 a permis la production de puces de mémoire MOS . La mémoire MOS a dépassé la mémoire à noyau magnétique comme technologie de mémoire dominante au début des années 1970.

La mémoire vive statique bipolaire intégrée (SRAM) a été inventée par Robert H. Norman chez Fairchild Semiconductor en 1963. Elle a été suivie par le développement de la SRAM MOS par John Schmidt chez Fairchild en 1964. La SRAM est devenue une alternative à la mémoire à noyau magnétique, mais nécessitait six transistors MOS pour chaque bit de données. L'utilisation commerciale de la SRAM a commencé en 1965, lorsque IBM a présenté la puce mémoire SP95 pour le System/360 Model 95. [

La mémoire vive dynamique (DRAM) permettait de remplacer un circuit de verrouillage à 4 ou 6 transistors par un seul transistor pour chaque bit de mémoire, augmentant ainsi considérablement la densité de la mémoire au détriment de sa volatilité. Les données étaient stockées dans la minuscule capacité de chaque transistor et devaient être rafraîchies périodiquement toutes les quelques millisecondes avant que la charge ne puisse s'échapper.

La calculatrice électronique Toscal BC-1411 de Toshiba , introduite en 1965, utilisait une forme de DRAM bipolaire à condensateur, stockant des données de 180 bits sur des cellules de mémoire discrètes , constituées de transistors bipolaires au germanium et de condensateurs. Bien qu'elle offrait des vitesses plus élevées que la mémoire à noyau magnétique, la DRAM bipolaire ne pouvait pas rivaliser avec le prix inférieur de la mémoire à noyau magnétique alors dominante. Les condensateurs avaient également été utilisés pour des schémas de mémoire antérieurs, tels que le tambour de l' ordinateur Atanasoff-Berry , le tube Williams et le tube Selectron .

En 1966, Robert Dennard a inventé l'architecture DRAM moderne pour laquelle il y a un seul transistor MOS par condensateur. En examinant les caractéristiques de la technologie MOS, il a découvert qu'elle était capable de construire des condensateurs , et que le stockage d'une charge ou d'aucune charge sur le condensateur MOS pouvait représenter le 1 et le 0 d'un bit, tandis que le transistor MOS pouvait contrôler l'écriture de la charge sur le condensateur. Cela l'a conduit à développer une cellule de mémoire DRAM à transistor unique. En 1967, Dennard a déposé un brevet auprès d'IBM pour une cellule de mémoire DRAM à transistor unique, basée sur la technologie MOS. La première puce IC DRAM commerciale était l' Intel 1103 , qui a été fabriquée sur un processus MOS de 8 μm avec une capacité de 1 kbit , et a été commercialisée en 1970.

Les premières DRAM étaient souvent synchronisées avec l'horloge du processeur (clocked) et étaient utilisées avec les premiers microprocesseurs. Au milieu des années 1970, les DRAM sont passées à la conception asynchrone, mais dans les années 1990, elles sont revenues au fonctionnement synchrone. En 1992, Samsung a sorti le KM48SL2000, qui avait une capacité de 16 Mbit . et produit en masse en 1993. La première puce mémoire commerciale DDR SDRAM ( double data rate SDRAM) était la puce DDR SDRAM 64 Mbit de Samsung, lancée en juin 1998. La GDDR (graphics DDR) est une forme de DDR SGRAM (synchronous graphics RAM), qui a été lancée pour la première fois par Samsung en tant que puce mémoire 16 Mbit en 1998.

Les deux formes les plus utilisées de RAM moderne sont la RAM statique (SRAM) et la RAM dynamique (DRAM). Dans la SRAM, un bit de données est stocké en utilisant l'état d'une cellule mémoire à six transistors , généralement à l'aide de six MOSFET. Cette forme de RAM est plus coûteuse à produire, mais est généralement plus rapide et nécessite moins de puissance dynamique que la DRAM. Dans les ordinateurs modernes, la SRAM est souvent utilisée comme mémoire cache pour le processeur . La DRAM stocke un bit de données à l'aide d'une paire de transistors et de condensateurs (généralement un MOSFET et un condensateur MOS , respectivement), qui constituent ensemble une cellule DRAM. Le condensateur conserve une charge élevée ou faible (1 ou 0, respectivement), et le transistor agit comme un commutateur qui permet au circuit de commande de la puce de lire l'état de charge du condensateur ou de le modifier. Comme cette forme de mémoire est moins coûteuse à produire que la RAM statique, c'est la forme prédominante de mémoire informatique utilisée dans les ordinateurs modernes.

Les RAM statiques et dynamiques sont toutes deux considérées comme volatiles , car leur état est perdu ou réinitialisé lorsque l'alimentation du système est coupée. En revanche, la mémoire morte (ROM) stocke les données en activant ou en désactivant de manière permanente des transistors sélectionnés, de sorte que la mémoire ne peut pas être modifiée. Les variantes inscriptibles de ROM (telles que l'EEPROM et la mémoire flash NOR ) partagent les propriétés de la ROM et de la RAM, ce qui permet aux données de persister sans alimentation et d'être mises à jour sans nécessiter d'équipement spécial. La mémoire ECC (qui peut être de la SRAM ou de la DRAM) comprend des circuits spéciaux pour détecter et/ou corriger les défauts aléatoires (erreurs de mémoire) dans les données stockées, à l'aide de bits de parité ou de codes de correction d'erreurs .

En général, le terme RAM désigne uniquement les périphériques de mémoire à semi-conducteurs (DRAM ou SRAM), et plus spécifiquement la mémoire principale de la plupart des ordinateurs. Dans le domaine du stockage optique, le terme DVD-RAM est quelque peu impropre car il ne s'agit pas d'un accès aléatoire ; il se comporte un peu comme un disque dur, mais un peu plus lentement. De plus, contrairement au CD-RW ou au DVD-RW , le DVD-RAM n'a pas besoin d'être effacé avant d'être réutilisé.

La cellule mémoire est l'élément fondamental de la mémoire d'un ordinateur . La cellule mémoire est un circuit électronique qui stocke un bit d'information binaire et doit être configurée pour stocker un 1 logique (niveau de tension élevé) et réinitialisée pour stocker un 0 logique (niveau de tension faible). Sa valeur est conservée/stockée jusqu'à ce qu'elle soit modifiée par le processus de configuration/réinitialisation. La valeur de la cellule mémoire est accessible en la lisant.

Dans la mémoire SRAM, la cellule mémoire est un type de circuit à bascule , généralement implémenté à l'aide de FET . Cela signifie que la mémoire SRAM nécessite très peu d'énergie lorsqu'elle n'est pas utilisée, mais elle est coûteuse et a une faible densité de stockage.

Un deuxième type de mémoire, la DRAM, est basé sur un condensateur. La charge et la décharge de ce condensateur permettent de stocker un « 1 » ou un « 0 » dans la cellule. Cependant, la charge de ce condensateur s'échappe lentement et doit être rafraîchie périodiquement. En raison de ce processus de rafraîchissement, la DRAM consomme plus d'énergie, mais elle peut atteindre des densités de stockage plus importantes et des coûts unitaires inférieurs à ceux de la SRAM.

Pour être utiles, les cellules mémoire doivent être lisibles et inscriptibles. Dans le dispositif RAM, des circuits de multiplexage et de démultiplexage sont utilisés pour sélectionner les cellules mémoire. En général, un dispositif RAM possède un ensemble de lignes d'adresses , et pour chaque combinaison de bits pouvant être appliquée à ces lignes, un ensemble de cellules mémoire est activé. En raison de cet adressage, les dispositifs RAM ont pratiquement toujours une capacité mémoire qui est une puissance de deux.

En général, plusieurs cellules mémoire partagent la même adresse. Par exemple, une puce RAM « large » de 4 bits possède quatre cellules mémoire pour chaque adresse. Souvent, la largeur de la mémoire et celle du microprocesseur sont différentes. Pour un microprocesseur 32 bits, huit puces RAM de 4 bits seraient nécessaires.

Il est souvent nécessaire d'avoir plus d'adresses que ce que peut fournir un périphérique. Dans ce cas, des multiplexeurs externes au périphérique sont utilisés pour activer le périphérique correct auquel on accède. La RAM est souvent adressable par octet, bien qu'il soit également possible de créer une RAM adressable par mot.

Il est possible de lire et d'écraser des données dans la RAM. De nombreux systèmes informatiques disposent d'une hiérarchie de mémoire composée de registres de processeur , de caches SRAM intégrés , de caches externes , de DRAM , de systèmes de pagination et de mémoire virtuelle ou d'espace de swap sur un disque dur. L'ensemble de ce pool de mémoire peut être appelé « RAM » par de nombreux développeurs, même si les différents sous-systèmes peuvent avoir des temps d'accès très différents , ce qui contrevient au concept d'origine du terme d'accès aléatoire dans la RAM. Même au sein d'un niveau de hiérarchie tel que la DRAM, l'organisation spécifique des composants en rangées, colonnes, banques, rangs , canaux ou entrelacements rend le temps d'accès variable, mais pas au point que le temps d'accès aux supports de stockage rotatifs ou à une bande soit variable. L'objectif général de l'utilisation d'une hiérarchie de mémoire est d'obtenir le temps d'accès moyen le plus rapide possible tout en minimisant le coût total de l'ensemble du système de mémoire (généralement, la hiérarchie de mémoire suit le temps d'accès avec les registres CPU rapides en haut et le disque dur lent en bas).

Dans de nombreux ordinateurs personnels modernes, la mémoire vive (RAM) se présente sous la forme de modules facilement évolutifs appelés modules de mémoire ou modules DRAM, de la taille de quelques chewing-gums. Ceux-ci peuvent être rapidement remplacés s'ils sont endommagés ou lorsque des besoins changeants exigent une plus grande capacité de stockage. Comme indiqué ci-dessus, de plus petites quantités de RAM (principalement de la SRAM) sont également intégrées dans le processeur et d'autres circuits intégrés de la carte mère , ainsi que dans les disques durs, les CD-ROM et plusieurs autres composants du système informatique.

En plus de servir de stockage temporaire et d'espace de travail pour le système d'exploitation et les applications, la RAM est utilisée de nombreuses autres manières.

La plupart des systèmes d'exploitation modernes utilisent une méthode d'extension de la capacité de la RAM, appelée « mémoire virtuelle ». Une partie du disque dur de l'ordinateur est réservée à un fichier d'échange ou à une partition de travail , et la combinaison de la RAM physique et du fichier d'échange forme la mémoire totale du système. (Par exemple, si un ordinateur dispose de 2 Go (1024 ³ O) de RAM et d'un fichier d'échange de 1 Go, le système d'exploitation dispose de 3 Go de mémoire totale.) Lorsque le système manque de mémoire physique, il peut « échanger » des parties de la RAM contre le fichier d'échange pour faire de la place pour de nouvelles données, ainsi que pour relire les informations précédemment échangées dans la RAM. L'utilisation excessive de ce mécanisme entraîne des accélérations et nuit généralement aux performances globales du système, principalement parce que les disques durs sont beaucoup plus lents que la RAM.

Un logiciel peut « partitionner » une partie de la mémoire RAM d'un ordinateur, lui permettant d'agir comme un disque dur beaucoup plus rapide appelé disque RAM . Un disque RAM perd les données stockées lorsque l'ordinateur est éteint, à moins que la mémoire ne soit configurée pour avoir une source de batterie de secours ou que les modifications apportées au disque RAM ne soient écrites sur un disque non volatil. Le disque RAM est rechargé à partir du disque physique lors de l'initialisation du disque RAM.

Parfois, le contenu d'une puce ROM relativement lente est copié dans la mémoire de lecture/écriture pour permettre des temps d'accès plus courts. La puce ROM est alors désactivée tandis que les emplacements de mémoire initialisés sont commutés sur le même bloc d'adresses (souvent protégé en écriture). Ce processus, parfois appelé shadowing , est assez courant dans les ordinateurs et les systèmes embarqués .

À titre d'exemple, le BIOS des ordinateurs personnels classiques dispose souvent d'une option appelée « utiliser le BIOS fantôme » ou similaire. Lorsqu'elle est activée, les fonctions qui s'appuient sur les données de la ROM du BIOS utilisent à la place les emplacements DRAM (la plupart peuvent également activer la mise en miroir de la ROM de la carte vidéo ou d'autres sections de la ROM). Selon le système, cela peut ne pas entraîner d'augmentation des performances et peut entraîner des incompatibilités. Par exemple, certains matériels peuvent être inaccessibles au système d'exploitation si la RAM fantôme est utilisée. Sur certains systèmes, l'avantage peut être hypothétique car le BIOS n'est pas utilisé après le démarrage en faveur d'un accès direct au matériel. La mémoire libre est réduite par la taille des ROM fantômes.

Le « mur de la mémoire » désigne la disparité croissante de la vitesse entre le processeur et le temps de réponse de la mémoire (appelé latence mémoire ) en dehors de la puce du processeur. Une raison importante de cette disparité est la bande passante de communication limitée au-delà des limites de la puce, également appelée « mur de la bande passante » . De 1986 à 2000, la vitesse du processeur s'est améliorée à un rythme annuel de 55 %, tandis que le temps de réponse de la mémoire hors puce ne s'est amélioré que de 10 %. Compte tenu de ces tendances, on s'attendait à ce que la latence de la mémoire devienne un goulot d'étranglement majeur dans les performances de l'ordinateur.

Une autre raison de cette disparité est l'augmentation considérable de la taille de la mémoire depuis le début de la révolution des PC dans les années 1980. À l'origine, les PC contenaient moins d'un mégaoctet de RAM, qui avait souvent un temps de réponse d'un cycle d'horloge du processeur, ce qui signifie qu'il ne nécessitait aucun état d'attente. Les unités de mémoire plus grandes sont intrinsèquement plus lentes que les plus petites du même type, simplement parce qu'il faut plus de temps aux signaux pour traverser un circuit plus grand. Construire une unité de mémoire de plusieurs gibioctets avec un temps de réponse d'un cycle d'horloge est difficile, voire impossible. Les processeurs actuels disposent souvent encore d'un mégaoctet de mémoire cache à 0 état d'attente, mais elle réside sur la même puce que les cœurs du processeur en raison des limitations de bande passante de la communication puce à puce. Elle doit également être construite à partir de RAM statique, qui est beaucoup plus chère que la RAM dynamique utilisée pour les mémoires plus grandes. La RAM statique consomme également beaucoup plus d'énergie.

Les améliorations de la vitesse des processeurs ont considérablement ralenti, en partie à cause d'obstacles physiques majeurs et en partie parce que les conceptions de processeurs actuelles ont déjà atteint le mur de la mémoire dans un certain sens. Intel a résumé ces causes dans un document de 2005.

Tout d'abord, à mesure que les géométries des puces rétrécissent et que les fréquences d'horloge augmentent, le courant de fuite des transistors augmente, ce qui entraîne une consommation d'énergie et une chaleur excessives... Deuxièmement, les avantages des vitesses d'horloge plus élevées sont en partie annulés par la latence de la mémoire, car les temps d'accès à la mémoire n'ont pas pu suivre le rythme de l'augmentation des fréquences d'horloge. Troisièmement, pour certaines applications, les architectures série traditionnelles deviennent moins efficaces à mesure que les processeurs deviennent plus rapides (en raison du goulot d'étranglement de von Neumann ), ce qui réduit encore davantage les gains que les augmentations de fréquence pourraient autrement apporter. De plus, en partie à cause des limitations des moyens de production d'inductance dans les dispositifs à semi-conducteurs, les retards de résistance-capacité (RC) dans la transmission du signal augmentent à mesure que la taille des éléments diminue, imposant un goulot d'étranglement supplémentaire que les augmentations de fréquence ne résolvent pas.

Les retards RC dans la transmission du signal ont également été notés dans « Clock Rate versus IPC : The End of the Road for Conventional Microarchitectures » qui prévoyait une amélioration annuelle moyenne maximale de 12,5 % des performances du processeur entre 2000 et 2014.

Un autre concept est celui de l'écart de performance entre le processeur et la mémoire, qui peut être comblé par des circuits intégrés 3D qui réduisent la distance entre les aspects logique et mémoire qui sont plus éloignés dans une puce 2D. La conception des sous-systèmes de mémoire nécessite de se concentrer sur cet écart, qui s'élargit au fil du temps. La principale méthode pour combler cet écart est l'utilisation de caches ; de petites quantités de mémoire à grande vitesse qui hébergent les opérations et instructions récentes à proximité du processeur, accélérant l'exécution de ces opérations ou instructions dans les cas où elles sont fréquemment appelées. Plusieurs niveaux de mise en cache ont été développés pour faire face à cet écart grandissant, et les performances des ordinateurs modernes à grande vitesse reposent sur l'évolution des techniques de mise en cache. Il peut y avoir jusqu'à 53 % de différence entre la croissance de la vitesse du processeur et la vitesse de retard de l'accès à la mémoire principale.

Les disques durs SSD ont continué à augmenter en vitesse, passant d'environ 400 Mbit/s via SATA3 en 2012 à environ 7 Go/s via NVMe / PCIe en 2024, comblant l'écart entre la vitesse de la RAM et celle des disques durs, bien que la RAM continue d'être d'un ordre de grandeur plus rapide, avec une DDR5 8000 MHz à voie unique capable de 128 Go/s, et la GDDR moderne encore plus rapide. Les disques SSD rapides, bon marché et non volatils ont remplacé certaines fonctions autrefois assurées par la RAM, comme la conservation de certaines données pour une disponibilité immédiate dans les fermes de serveurs - 1 téraoctet de stockage SSD peut être obtenu pour 200 $, tandis que 1 To de RAM coûterait des milliers de dollars.