[小惡魔的電腦教室] 3-1.認識記憶體，時脈和時序的意義

我個人認為，「記憶體」一直是價格效能比最高的升級方案。雖然CPU會直接影響電腦的執行速度，但要讓速度明顯成長得花不少錢，通常要連主機板一起換，而換張主機板差不多就是重組半台電腦了（把主機板拆出機殼再裝一張新的進去，讓我死了吧！）。可是記憶體沒幾個月就崩盤一次，以目前的價格，投資個1000多元，多加1GB的記憶體，跑多一點軟體就會感覺有差了，保証值得，勸敗小惡魔推薦！

在電腦幾十年來的歷史裡，系統主記憶體用的規格已經換了好幾次，EDO DRAM、FP RAM、DDR SDRAM....。甚至不同的零件組裡也有不同記憶體，CPU內部的快取其實是SRAM，顯示卡上有特性迥異的GDDR。看起來超亂，但請忘了前面那堆英文吧！因為綜觀來看，這些記憶體的用途都一樣，它就是給處理器做為運算時暫存資料的地方，只是隨著時代進步而改良規格，或因應他們輔助的對象不同，而特化成具備不同的屬性。


記憶體的外觀

在進一步講規格之前，先來瞧瞧現在常見的DDR跳舞機....嗯，DDR記憶體，雖然說也沒什麼好看的，就是一條長長的電路板，上面裝了幾顆小小黑黑的晶片。



普通記憶體的包裝盒，大多是一包兩支，上面密密麻麻寫滿數字，每個數字都有意義，因為記憶體的種類會有不同，下一篇再來解讀PC3-8500之類的數字。



1.散熱片：有些記憶體是針對超頻而設計，或單純只是為了美觀酷炫，所以加上散熱片。

2.記憶體顆粒：實際存放資料的記憶體晶片，上面會印生產顆粒的廠商，顆粒因晶片封裝方式不同，尺寸有大有小。一般記憶體兩面都有顆粒，當然也有只放一面的，不過常聽到的單面記憶體、雙面記憶體，跟顆粒實體放置的方式並沒有關係，並不是說顆粒兩面都有放就叫雙面記憶體。單雙面是指Rank數（以前叫Bank），這是記憶體邏輯上的配置，而非實體上的，下一篇再仔細討論。

3.SPD：Serial Presence Detect，這是一個小小的唯讀記憶體，記錄記憶體的廠牌和各項參數，讓電腦可以自動抓出記憶體的各項參數值，算是記憶體的隨插即用功能。

4.防呆凹槽：記憶體有不同的種類，有些金手指數目相同，為了避免裝錯，會設一個這樣的凹槽，以凹槽的位置來做安裝的防呆，主機板上的插槽也有對應的突起，硬塞是塞不進去的。（但真的用力硬塞還是可以，再次提醒，現在電腦裝置都有防呆設計，不能很順的插入，通常就是插錯，千萬別硬塞，別當一個連防呆設計都防不了的呆子。）

5.金手指：傳輸資料的金手指，資料進出記憶體就是靠這個。

6.安裝卡榫：主機板的記憶體插槽兩旁會有固定桿，扣上就會把記憶體鎖緊，而這也是另一個防呆裝置，不同種類的記憶體，卡榫的凹槽位置會不一樣。不過還是看金手指上的凹槽位置比較準。



附上一張之前用過的主機板照片，記憶體插槽中間有個突起就是對應防呆凹槽。



記憶體的用途

這裡先講系統記憶體就好，當你在Windows裡執行程式，軟體用到的資料就會載入到記憶體，因為硬碟的機械馬達結構太慢了，必須用晶片式的記憶體才足以跟上CPU的速度。但就算你軟體一直開、一直開，同時跑BT、eMule、10個Word、20個Excel、30個IE視窗、看A級好片、做3D繪圖還一邊聽音樂，把你的256MB的記憶體塞到爆炸，你電腦也不會突然就死掉（好像有語病，因為這樣玩的話Windows可能真的會突然死掉），只是會變超慢，因為超過記憶體容量的部分就會進入硬碟，成為「虛擬記憶體」，劃分硬碟空間當成記憶體的延伸，而硬碟的速度相對於記憶體實在太慢了（每秒數GB vs. 每秒數十MB）。所以才說增加記憶體是C/P值很高的升級方案，因為這讓你可以很順的看A...咳！很順的執行大量程式。

我們先不管記憶體的種類和DDR的實際/有效時脈的差別，只聊記憶體兩個最重要的規格：「時脈」（Clock）和「時序」（Timing），和它們各自衍生的兩個重要特性：「頻寬」（Bandwidth）和「延遲」（Latency），之後無論看到什麼記憶體，只要看這幾個規格就能知道它的特性。

至於容量，雖然理論上是越大越好，不過有時受到作業系統定址的限制，你裝過多的記憶體容量就會變得毫無意義了。舉例來說，在早期的DOS時代，當時的作業系統的記憶體定址能力雖然理論上可以達到2^16（16位元） = 64MB，但是受到DOS本身設計上的影響，必須要加掛另外的驅動程式，DOS（或軟體）才能使用超過1MB以上的記憶體。而現在的32位元作業系統（Windows XP或Vista的32位元版本），記憶體的定址能力理論上的最大值為2^32（32位元） = 4GB，所以你如果安裝超過這個容量的記憶體，實際上也是毫無意義的。如果你想要讓超過4GB容量的記憶體可以發揮效用的話，那只能轉換到64位元的作業系統了。

由於記憶體的特性沒有「照片」可看，所以下面一律用插圖表示，並以現在主流的DDR SDRAM做介紹，因為DDR記憶體目前廣泛用在系統主記憶和顯示卡上的記憶體，已經被淘汰、不常見、或特殊用途的記憶體就先省略了。


時脈與頻寬

記憶體也有時脈，但和CPU的意義不同。對於處理器來說，MHz或GHz時脈就是處理器在一秒內可以執行幾「百萬次」或「十億次」，但記憶體就像硬碟一樣，只是儲存資料的地方，差別只是記憶體無法永久儲存，必須不斷充電來維持資料，但相同的是它和硬碟一樣都沒有「運算能力」。記憶體的時脈，影響的是記憶體「資料進出的速度」和「內部找資料的時間」。

先談「資料進出的速度」，我們可以把記憶體的傳輸通道想像成一條高速公路，上頭的車子就是數位資料，如同下面的插圖。




資料進出記憶體時，公路只能橫排一定數量的車子，傳輸通道會有一定的寬度，也就是「每一次可傳的資料量」，就現在系統主記憶體來說是64位元的寬度。而時脈則是「每秒可以傳幾次」，800MHz的記憶體就是每秒800百萬次的傳輸，每次傳輸64位元的資料。因此我們就能計算出「記憶體頻寬」（Memory Bandwidth），也就是寬度乘上時脈，變成每秒的資料傳輸量，以800MHz為例就是每秒6.4GB的頻寬。

64位元（傳輸寬度）＊800MHz（時脈）／ 8 ＝ 每秒 6400 MB

註：1 Byte等於8 bit，除8是讓bit位元變成Byte位元組

無論哪種記憶體，頻寬都是這樣計算，系統記憶體和顯示卡上的記憶體都是一樣的算法，或許寬度或時脈不一樣，但頻寬的意義都是相同的，它就是處理器讀取或寫入記憶體時的資料傳輸速度。現在最新的系統記憶體標準是1333MHz，頻寬約10GB/s左右。


時序和延遲

如果常逛論壇，常會看到大大級玩家寫一些像密碼的記憶體規格，比如「DDR2-800MHz / 3-3-3-10」之類的，800MHz前面已經談過，而這個「3-3-3-10」指的是記憶體時序，也就是記憶體找資料所花的時間，從收到CPU的需求開始，到即將送出資料前各個步驟所花的時間。

記憶體是CPU暫存資料的地方，資料不可能像垃圾一樣亂丟，一定得有組織式的管理，而對人類來說，最直覺的整理方式就是像書架，記憶體裡資料排列的方式就像多層書架，如底下的插圖：



記憶體裡資料的排列就是直覺的行列式，分成橫排（Row，行）和縱排（Column，列），每一小塊就是1位元的資料。圖中是5行4列的排列，真實的記憶體有數千以上的行列，這裡取一小部分來解說。


當面對塞滿書的書架時要怎麼找書？一定是給一個精確的位置，比如第幾層、左邊數過來第幾本，而CPU讀寫記憶體資料也是一樣，CPU會送出一個記憶體位址，裡面有行和列的位址資訊，記憶體收到之後就要開始找資料了，而就像人找書要時間，記憶體找資料也要時間，這個時間就是「時序」，也就是記憶體找資料的「延遲」。

以下是記憶體找書...呃，找資料的過程：


1.行列位置解碼

記憶體的行和列各有一個位址解碼器，CPU送來的位址會拆成行和列，各自送到行與列的解碼器，由解碼器負責找資料。


2.行位址啟動

首先啟動的是行位址，解碼器會啟動整行的記憶體資料，啟動之後，這一行的資料都可以被存取。


3.列位址啟動

再來是啟動列位址，有了之前的行位址，加上列位址之後就能定位到資料的所在，而抓到的資料就會送出。


資料送出之後，以上的步驟就重來一次，但如果之後的資料還是在同一行裡，那只要再送出列位址就能抓到資料，不需要重新啟動行，原本被啟動的那一行裡面的資料可以不斷的被存取，直到CPU不需要那一行為止，這時記憶體就會關閉那一行，啟動另外一行找資料。而以上所有啟動、尋找通通都要時間，也就是記憶體的「時序」規格，因此從CPU送出指令要存取某個資料，直到資料真的送出為止，中間會有「延遲」。由於CPU得不斷存取記憶體當暫存空間，每一次存取產生的延遲會影響效能，所以低延遲的記憶體才會特別貴，而瘋狂玩家整天就想壓低延遲，來增進整體效能。

時序的單位是時間，也就是「時脈週期」（Clock Cycle），一個時脈週期就是晶片跑一次動作所需要的時間，就記憶體來說，如果實體時脈是800MHz（每秒跑800百萬次），那「每跑一次」所需的時間就是1/800000000秒，這時該記憶體就會被稱為1.25ns（奈秒，1/1000000000秒）的記憶體。


註：要快速計算記憶體的時脈週期，就拿1000除以MHz的實體時脈，得出來的數字單元就是ns，同理，有ns規格想知道實體時脈，拿1000除以ns值就是實體時脈。


四大時序值
記憶體有非常多的時序值，而像3-3-3-10這種達文西密碼，就是標示出記憶體最重要的四個時序值，意義如下：



一般記憶體的時序值，通常會標示成這樣的四個數字，每個數字都代表一種時序延遲。


1.tCAS（Column Address Select）：列位址送出，到資料取得之間的時間。
2.tRCD（RAS to CAS Delay）：送出行位址之後，到送出列位址之間的時間。
3.tRP（RAS Precharge）：關閉一行，到重新啟動另一行之間的時間。
4.tRAS（Row Address Select）：啟動一行需要的時間。

其中tCAS就是CAS Latency（CAS延遲），簡稱CL值，這是記憶體最最重要的時序值，很多玩家或廠商甚至只提記憶體的時脈和CL值。雖然存取記憶體需要啟動「行」和「列」，但某一行被啟動之後，該行所有的資料都可以被存取，因此tRAS頗重要，但多次下來CL值會最重要，因為同一行的資料通常都是CPU所需的，而CL值是每次抓列裡面的資料都會產生的延遲，累積下來相當於是CPU對記憶體的讀取延遲，非常非常重要。



拿CPU-Z看一下，在「Memory」的部分就會有系統記憶體目前的時脈與時序值，圖中的數值抄下來就是5-5-5-14。



「SPD」的部分則是顯示記憶體SPD的內容，一款記憶體通常會有幾種設定值可以選，高時脈配高時序，低時脈配低時序，「Timings Table」下面就是時脈所對應的時序值。


註：CPU-Z只會顯示記憶體的「實體時脈」，而非DDR後的「有效時脈」。

時脈和時序誰比較重要？

由於CPU架構是設計成超高速計算少量、一個接一個的資料，對記憶體的存取很頻繁，但一次的量並不大（相對於和CPU特性相反的顯示晶片而言），如果資料沒有立即進入CPU，CPU的運算單元就得等資料回來。當然，現在CPU都導入超級先進的機制來防止閒置的發生（運算單元一需要等待，就立刻換執行別的東西，等資料到了再切回來算；或是CPU內建大型快取保留住常用資料），但記憶體的延遲對CPU仍然非常重要，愈低愈好。

但這並不是說時脈就不重要，因為時序的單位是時脈週期，而不是時間，時脈愈高，一個時脈週期就愈短，1066MHz CL=4的記憶體，事實上比667MHz CL=3的延遲還要短，即使它的CL值比較大，但換算到時間後才是真正的延遲時間差。一條記憶體通常會有好幾組設定值存在SPD裡，高時脈就會有配上比較高的時序值，低時脈就配低時序，一增一減之下，可能高時脈的時序延遲還是比較長，但犧牲一點點延遲，換來的是時脈所直接影響的頻寬。而記憶體頻寬，在雙核心或多核心之後重要性會慢慢提升，因為多核心同時運作下，CPU一次要抓的資料量越來越大了。

頻寬和延遲對不同架構的處理器會有不同的影響，CPU對延遲比較敏感，依時脈不同，CL值也不同，但一般不會超過10；而顯示晶片則非常需要記憶體頻寬，時序就沒那麼重要，高速的顯示記憶體CL值都破2位數。在大家還沒頭昏腦脹之前，這篇就到此打住，下一篇來看現在主流的DDR記憶體種類，DDR1、DDR2、DDR3和雙通道的意義。