大家好，我是飛哥！

在馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)里，內(nèi)存是除了CPU之外第二重要的設(shè)備。如果沒有內(nèi)存，服務(wù)器將完全無法運(yùn)行。在這一節(jié)中，我們來了解下內(nèi)存的物理結(jié)構(gòu)。如下圖的是一個(gè) 16 GB 的筆記本內(nèi)存條實(shí)物的正面和反面圖。其中的每個(gè)黑色顆粒也叫一個(gè) Chip。

注意下，在正面有著一串字符串標(biāo)識(shí)16 GB 2R\*8 PC4-3200AA-SE1-11。在這段標(biāo)識(shí)中，16 GB 很好理解，是內(nèi)存的容量大小。那么后面的 2R*8 是什么意思呢？

實(shí)際上，內(nèi)存標(biāo)識(shí)第二段中的 2R*8 非常重要，它直接簡(jiǎn)單清晰地把內(nèi)存的物理結(jié)構(gòu)給表示出來了。

• 2R：表示該內(nèi)存有 2 個(gè) Rank
• *8：表示每個(gè)內(nèi)存顆粒的位寬是 8 bit，

接下來我們分兩個(gè)小節(jié)，深入地看看 Rank、位寬與內(nèi)存顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

內(nèi)存的 Rank 與位寬

在內(nèi)存中，其中每一個(gè)黑色的內(nèi)存顆粒叫一個(gè) Chip。所謂 Rank 指的是屬于同一個(gè)組的 Chip 的總和。這些 Chip 并行工作，共同組成組成一個(gè) 64 bit 的數(shù)據(jù)，供 CPU 來同時(shí)讀取。

CPU 的內(nèi)存控制器能夠?qū)ν粋€(gè) rank 的 chip 進(jìn)行讀寫操作。通常一個(gè)通道（channel）能夠同時(shí)讀寫 64bit 的數(shù)據(jù)（ECC 功能的是 72 bit）。

內(nèi)存字符串標(biāo)識(shí)中的 2 R 表示該內(nèi)存有 2 個(gè) Rank。

2 R 后面的 * 4 表示每個(gè)內(nèi)存顆粒的位寬是 4 bit。因?yàn)?CPU 要同時(shí)讀寫 64 bit 的數(shù)據(jù)。所以

• 對(duì)于位寬為 4 的顆粒，需要 16 個(gè) Chip 來組成一個(gè) Rank
• 對(duì)于位寬為 8 的顆粒，需要 6 個(gè) Chip 來組成一個(gè) Rank
• 對(duì)于位寬為 16 的顆粒，需要 4 個(gè) Chip 來組成一個(gè) Rank

例如，下面的筆記本內(nèi)存條，是 1 R * 16。表示的是該內(nèi)存條只有 1 個(gè) Rank。每個(gè) Chip 內(nèi)存顆粒的位寬是 16 bit。

而一個(gè) Rank 需要提供 64 位的數(shù)據(jù)，則需要 64 / 16 = 4 個(gè) Chip 來組成一個(gè) Rank 來同步地工作。從實(shí)物圖中也確實(shí)可以看到，該內(nèi)存條正反面加起來只有 4 個(gè) Chip，

圖片

圖片

再比如，下面的筆記本內(nèi)存條，是 2 R * 8。表示的是該內(nèi)存條有 2 個(gè) Rank，每個(gè) Chip 內(nèi)存顆粒的位寬是 8 bit。

一個(gè) Rank 需要 64 / 8 = 8 個(gè) Chip 來組成一個(gè) Rank。則兩個(gè) Rank 總共需要 16 個(gè) Chip。從內(nèi)存條的實(shí)物圖中看到，該內(nèi)存條的正反面確實(shí)總共有 16 個(gè) Chip。

圖片

圖片

內(nèi)存顆粒 Chip 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一個(gè)內(nèi)存是由若干個(gè)黑色的內(nèi)存顆粒構(gòu)成的。每一個(gè)內(nèi)存顆粒叫做一個(gè) chip。在每個(gè) chip 內(nèi)部，又是由一層層的 bank 組成的。

圖片

在每個(gè) bank 內(nèi)部，就是電容的行列矩陣結(jié)構(gòu)了。

圖片

這個(gè)矩陣由多個(gè)方塊狀的元素構(gòu)成，這個(gè)方塊元素是內(nèi)存管理的最小單位，也叫內(nèi)存顆粒位寬。在一個(gè)位寬中。有若干小電容。

• 對(duì)于 1 R * 16 的內(nèi)存條，一個(gè)位寬有 16 個(gè) bit 位
• 對(duì)于 2 R * 8 的內(nèi)存條，一個(gè)位寬有 8 個(gè) bit 位

值得注意的是，由于內(nèi)存訪問太慢了。所以 CPU 每次向內(nèi)存請(qǐng)求數(shù)據(jù)的時(shí)候，并不只是請(qǐng)求一個(gè) 64 bit 的數(shù)據(jù)就完事了，而是會(huì)請(qǐng)求更多的數(shù)據(jù)然后用自己的 L1、L2、L3等模塊緩存起來。下次如果訪問的數(shù)據(jù)位于緩存中的話，就可以不用再發(fā)起內(nèi)存 IO 了。一次請(qǐng)求的數(shù)據(jù)大小是 64 * 8 bit = 64 字節(jié)，這也是一個(gè) Cache Line 的大小。

對(duì)于內(nèi)存來說，一次 Cache Line 64 字節(jié)的訪問屬于是一次 Burst IO，需要內(nèi)存連續(xù)工作多次，輸出多個(gè) 64 字節(jié)。所以，內(nèi)存在排列和組織二維矩陣結(jié)構(gòu)的時(shí)候，會(huì)按方便 Burst IO 的方式來組織，實(shí)際二維矩陣單元中存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)會(huì)比位寬要大。

例如下面是一個(gè)美光（Megon）內(nèi)存 Chip 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖片

在該 Chip 中，總共有 8 個(gè) bank，每個(gè) bank 是一個(gè) 32768 行 * 128 列的二維矩陣，每個(gè)二維矩陣單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)大小是 64 比特。

則該 Chip 總共可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)大小是 8 * 32768 * 128 * 64 = 2147483648 比特。換算成 MiB 2147483648 字節(jié)/(1024*1024*8) = 256 MiB

總結(jié)

內(nèi)存標(biāo)識(shí)字符串中的第二段是非常重要的表示內(nèi)存物理結(jié)構(gòu)的標(biāo)識(shí)。它清楚地寫明了當(dāng)前內(nèi)存條總共有幾個(gè) Rank，每個(gè) Chip 中的位寬是多少。進(jìn)而也能推算出 1 個(gè) Rank 中有多少個(gè) Chip 組成。例如

• 2R*4 表示的是內(nèi)存條有 2 個(gè) Rank，每個(gè) Chip 的位寬大小是 4?？梢酝扑愠雒總€(gè) Rank 需要 64/4 = 16 個(gè) Chip 顆粒。這種內(nèi)存常見于服務(wù)器內(nèi)存。內(nèi)存顆粒越多，就可以組成更大容量的內(nèi)存條。
• 2R*8 表示的是內(nèi)存條有 2 個(gè) Rank，每個(gè) Chip 的位寬大小是 8?？梢酝扑愠雒總€(gè) Rank 需要 64/8 = 8 個(gè) Chip 顆粒。這種規(guī)格常見于臺(tái)式機(jī)。
• 1R*16 表示的是內(nèi)存條有 1 個(gè) Rank，每個(gè) Chip 的位寬大小是 16?？梢酝扑愠雒總€(gè) Rank 需要 64/16 = 4 個(gè) Chip 顆粒。這種內(nèi)存常見于筆記本內(nèi)存條。因?yàn)閮?nèi)存顆粒越少，則體積越小。

至于每個(gè) Chip 內(nèi)存顆粒中有多少個(gè)二維矩陣元素，為了支持 Burst IO，也為了節(jié)約地址線數(shù)量。一般每個(gè)二維矩陣元素中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)要比位寬更大一些。