Повышение эффективности оперативной памяти компьютера с помощью многопараметрической оптимизации
Автор: Паязов М. М., Ахраров Б. С., Умарова Н. Р., Сабиржанов Р., Ахмедов А. М.
Журнал: Мировая наука @science-j
Рубрика: Естественные и технические науки
Статья в выпуске: 6 (99), 2025 года.
Бесплатный доступ
Эффективность оперативной памяти (RAM) играет критическую роль в повышении производительности вычислительных систем. В данной статье предлагается подход к оптимизации RAM на основе многопараметрической оптимизации с учетом ключевых факторов: частоты, таймингов, пропускной способности и энергопотребления. Разработана математическая модель оценки эффективности RAM и представлен алгоритм многопараметрической оптимизации.
Оперативная память, эффективность ram, алгоритмы оптимизации, кэширование данных, модели памяти, математическое подход
Короткий адрес: https://sciup.org/140312042
IDR: 140312042 | УДК: 004.22
Текст научной статьи Повышение эффективности оперативной памяти компьютера с помощью многопараметрической оптимизации
Оперативная память (RAM, от англ. Random Access Memory) - это один из ключевых компонентов компьютера или любого цифрового устройства. Она временно хранит данные и инструкции, которые центральный процессор использует в данный момент времени [1].
RAM (Random Access Memory) — это энергозависимая память, которая предоставляет временный и быстрый доступ к данным, необходимым процессору для выполнения задач. В отличие от постоянной памяти (жёсткий диск, SSD), RAM работает только пока устройство включено [2].
Существуют ключевые параметры оперативной памяти, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1. Физические и технические характеристики оперативной памяти.
Характеристика
Объём
Описание
Влияет на количество обрабатываемых данных
|
Тип памяти |
определяет поколение и скорость -DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5 |
|
Напряжение |
Влияет на энергопотребление и теплоотдачу. DDR4 обычно работает при 1.2 В, DDR5 – при 1.1 В. |
|
Стандартные форматы: |
DIMM – для настольных ПК. SO-DIMM – для ноутбуков и компактных устройств. |
RAM состоит из миллионов ячеек, каждая из которых хранит 1 бит данных - 0 или 1. Эти ячейки сгруппированы в строки и столбцы и доступны напрямую (random access) без необходимости последовательного прохода.[3]
Ячейка представляет собой конденсатор + транзистор (в случае DRAM).
Конденсатор хранит заряд (1 — если заряжен, 0 — если разряжен).
Производительность RAM зависит от параметров тактовой частоты, пропускной способности, тайминга и канальности (таблица 2).
Таблица 2. Параметры производительности RAM.
|
Характеристика |
Описание |
|
Тактовая частота |
Измеряется в MHz (например: 2400, 3200, 4800 MHz) |
|
Пропускная способность |
Кол-во данных в секунду (например, PC4-25600 = 25,600 MB/s) |
|
Тайминг |
Время задержки между подачей команды и началом её выполнения. |
|
Канальность |
Single, Dual, Quad Channel — влияет на ширину канала передачи данных |
Таблица 3. Сравнение типов DDR.
|
Тип DDR |
Частота |
Напряжение |
Пропускная |
Примечание |
|
(MHz) |
способность |
|||
|
DDR3 |
1066-2133 |
1.5 B |
До 17 ГБ/с |
Устаревший стандарт |
|
DDR4 |
2133-3200+ |
1.2 B |
До 25,6 ГБ/с |
Наиболее |
|
и выше |
распрастраненный |
|||
|
DDR5 |
4800-8400+ |
1.1 B |
До 51,2 ГБ/с и выше |
Современный высокая скорость |
Транзистор управляет доступом к конденсатору [4].
Когда процессору нужно прочитать данные, Контроллер памяти активирует нужную строку и столбец. Транзистор открывается, позволяя контроллеру прочитать заряд с конденсатора. Если заряд есть — это «1», если нет — «0». Результат передаётся в регистры процессора для дальнейшей обработки [4].
Повышение эффективности оперативной памяти
Современные вычислительные задачи требуют высокой производительности оперативной памяти. Эффективность оперативной памяти определяется её объемом и такими параметрами, как тактовая частота f, энергопотребление Р , пропускная способность B, плотность ошибок (ECC эффективность), тайминги tCL,tRCD,tRP,tRAS .
Нами была разработана модель, позволяющая оптимизировать эффективность оперативной памяти с учетом нескольких взаимосвязанных параметров.
Математическая модель эффективности оперативной памяти:
Чтобы найти эффективности путем математических расчётов в начале необходимо определить следующие параметры оптимизации:
f –частота в МГц;
Т = [t CL, t RCD, t RP , t RAS ] - вектор таймингов в наносекундах;
Р – энергопотребление в Вт;
В = f ¿ W ⋅ 2 - пропускная способность в Мб/с (где W – ширина шины, обычно 64 бита).
Далее найдём функции эффективности:
Предположим, что общая эффективность оперативной памяти = Е RAM. Напишем формулу для эффективности:
В
Eram = a-Z Т+в'Р далее, Z Т — tcL+IrCd + tRp+tRAs (2)
где a>P весовые коэффициенты, определяющие важность латентности и энергопотребления. Интерпретация: чем выше пропускная способность при меньших задержках и энергопотреблении, тем выше получится эффективность.
Приступаем к оптимизацию оперативной памяти. Самого начало надо максимизировать эффективность оперативной памяти - ЕRAM, подбирая оптимальные значения параметров f, Т, Р при ограничениях ниже формулы:
У f < lx/
здесь задача решается на основе ниже показанной формулы:
max f,T,P α
f - W - 2
- Z T + в ' P
Блок-схема процесса оптимизации представлена на рис.1.
Рис.1. Блок-схема процесса оптимизации.
На основе симуляции с начальными исходными параметрами: f = 2400 МГц;
Т = [15,15,15,35];
P = 4.5 Bт;
W = 64;
получены следующие значения параметров оптимизации:
f = 2666 МГц;
Т = [14,14,14,32];
P = 4.2 Bт.
Результат: эффективности оперативной памяти Е RAM улучшилось на 12.3% по сравнению с начальным состоянием.
Выводы
Многопараметрическая оптимизация позволяет находить сбалансированные решения между пропускной способностью, латентностью и энергопотреблением RAM. Представленная математическая модель и алгоритм оптимизации применимы в задачах компоновки систем, BIOS-тюнинга и автоматического подбора профилей RAM.
