Iniciantes: entendendo a memória RAM

Publicado em 30/11/2009 – 14:29
por Carlos Morimoto

A memória RAM funciona como uma espécie de mesa de trabalho, armazenando arquivos e aplicativos em uso. A quantidade de memória RAM disponível tem um grande efeito sobre o desempenho, já que sem memória RAM suficiente o sistema é obrigado a usar memória swap, que é muito mais lenta. Na maioria das situações, ter uma quantidade suficiente de memória RAM instalada é mais importante que o desempenho do processador.

A memória RAM é um componente essencial não apenas nos PCs, mas em qualquer tipo de computador. Por mais que exista espaço de armazenamento disponível, na forma de um HD ou memória Flash, é sempre necessária uma certa quantidade de memória RAM e, naturalmente, quanto mais melhor.

Graças ao uso da memória swap, é possível rodar a maioria dos sistemas operacionais modernos com quantidades relativamente pequenas de memória. No caso do Linux, é possível inicializar uma instalação enxuta (em modo texto, com pouca coisa além do Kernel e o interpretador de comandos) com apenas 4 MB de memória. O problema é que com pouca memória o sistema fica extremamente lento (como qualquer um que já tentou usar o Windows 7 ou uma distribuição Linux recente em um PC com menos de 256 MB de memória pode atestar… :)

A sigla "RAM" vem de "Random Access Memory", ou "memória de acesso aleatório", indicando a principal característica da memória RAM, que é o fato de permitir o acesso direto a qualquer um dos endereços disponíveis e de forma bastante rápida.

Ao carregar um programa, ele é lido no HD (ou outra mídia de armazenamento) e é transferido para a memória RAM, para só então ser executado pelo processador. A memória RAM oferece tempos de acesso brutalmente mais baixos que o HD e trabalha com taxas de transferência muito mais altas, mas possui a desvantagem de perder os dados armazenados quando o micro é desligado, daí a necessidade de salvar os arquivos periodicamente.

É também por causa disso que o processo de boot é refeito cada vez que você liga o micro. Durante o boot, o sistema operacional, drivers, bibliotecas e aplicativos são novamente copiados para a memória, junto com suas configurações e preferências.

A única forma de evitar repetir o demorado processo de boot é manter a memória RAM ativa, ou salvar seu conteúdo no HD, recuperando-o no próximo boot. Essas são as estratégias usadas pelas opções de suspender e hibernar, disponíveis tanto no Windows quanto na maioria das distribuições Linux.

Ao suspender (dormir), a maioria dos componentes do sistema são desligados, incluindo o HD, a placa de vídeo e a maior parte dos componentes da placa-mãe. Mesmo o processador entra em um estágio de baixo consumo, onde a maior parte dos componentes internos são desativados e o clock é reduzido. Praticamente, os únicos componentes que continuam realmente ativos são os módulos de memória. Graças a isso o PC acaba consumindo (geralmente) menos de 20 watts de energia e pode voltar ao estágio original muito rapidamente.

Ao hibernar, o conteúdo da memória RAM é copiado para uma área reservada do HD e o micro é desligado. Ao ligar novamente, o conteúdo da memória é restaurado e temos o sistema de volta, sem precisar passar pelo processo normal de boot. O problema da hibernação é que a restauração demora muito mais tempo, já que é necessário ler 512 MB, 1 GB ou mesmo 4 GB de dados (equivalentes à quantidade de memória RAM instalada) a partir do HD, o que muitas vezes demora mais do que um boot completo.

Além dos diferentes tipos de memória RAM, existem também outras tecnologias de memórias de acesso aleatório, como as SRAM e, mais recentemente, as Phase-change. Temos ainda as onipresentes memórias Flash, que concorrem com os HDs como mídia de armazenamento.

O tipo mais comum de memória RAM, aquela que compramos na forma de módulos e instalamos na placa-mãe, é chamada de DRAM, ou "dynamic RAM". A memória DRAM passou a ser usada apenas a partir do final da década de 70, substituindo os chips de memória SRAM, que eram muito mais caros. Com o passar do tempo, as memória DRAM viraram o padrão, de forma que geralmente dizemos apenas "memória RAM" e não "memória DRAM".

Dentro de um chip de memória DRAM, cada bit é formado pelo conjunto de um transístor e um capacitor. O transístor controla a passagem da corrente elétrica, enquanto o capacitor a armazena por um curto período. Quando o capacitor contém um impulso elétrico, temos um bit 1 e quando ele está descarregado, temos um bit 0.

Quando falo em "capacitor", tenha em mente que não estamos falando em nada similar aos capacitores eletrolíticos da placa-mãe. Os "capacitores" usados nos chips de memória são extremamente pequenos e simples, basicamente dois pequenos blocos de metal ligados ao transístor, que conservam o impulso elétrico por apenas uma fração de segundo.

Para evitar a perda dos dados, a placa-mãe inclui um circuito de refresh, que é responsável por regravar o conteúdo da memória várias vezes por segundo (a cada 64 milessegundos ou menos), algo similar ao que temos em uma TV ou monitor CRT, onde o canhão de elétrons do monitor precisa atualizar a imagem várias vezes por segundo para evitar que as células de fósforo percam seu brilho.

O processo de refresh atrapalha duplamente, pois consome energia (que acaba sendo transformada em calor, contribuindo para o aquecimento do micro) e torna o acesso à memória mais lento. Apesar disso, não existe muito o que fazer, pois a única solução seria passar a usar memória SRAM, que é absurdamente mais cara.

Mesmo utilizando um único transístor por bit, os módulos de memória RAM são formados por um número assustador deles, muito mais que os processadores e outros componentes. Um módulo de memória de 4 GB, por exemplo, é formado geralmente por 16 chips de 2 gigabits cada um (2 gigabits = 256 megabytes). Com isso, cada chip possui mais de 2 bilhões de transistores e capacitores e o módulo inteiro acumula mais de 32 bilhões de conjuntos.

Apesar dessa brutal quantidade de transistores, os chips de memória são relativamente simples de se produzir, já que basta repetir a mesma estrutura indefinidamente. É muito diferente de um processador, que além de ser muito mais complexo, precisa ser capaz de operar a frequências muito mais altas.

Com a evolução nas técnicas de fabricação, os módulos de memória foram ficando cada vez mais baratos com o passar das décadas. Na época dos micros 486, chegava-se a pagar 40 dólares por megabyte de memória, valor que hoje em dia compra um módulo de 1 GB ou mais.

O problema é que os requisitos dos sistemas operacionais e aplicativos também aumentaram, quase que na mesma proporção. Enquanto o MS-DOS rodava bem com 2 ou 4 MB de memória, o Windows 95 já precisava de pelo menos 16 MB. O Windows XP (assim como a maioria das distribuições Linux atuais) não roda bem com menos de 512 MB, enquanto no Windows 7 o ideal é usar 1 GB ou mais.

Naturalmente, estes são apenas os requisitos básicos para rodar aplicativos leves. Muitos jogos e aplicativos pesados precisam de 2 GB de memória para rodar bem e o hábito de manter vários aplicativos abertos simultaneamente faz com que o valor suba rapidamente.

Salvo raras exceções, a capacidade dos módulos de memória é duplicada regularmente, conforme os fabricantes introduzem novas técnicas de fabricação. Por bizarro que possa parecer, os primeiros chips de memória (produzidos no final da década de 60) tinham apenas 64 bits (ou seja, meros 8 bytes), que com o tempo se transformaram em 128 bits, 256, 512, 1024 e assim por diante, até chegar aos chips de 2 gigabits ou mais usados atualmente.

Conforme módulos de maior capacidade são introduzidos, os módulos de capacidade mais baixa são retirados de produção, já que não faz sentido manter a produção de chips de baixa capacidade, cujo custo por megabyte é mais alto. É por isso que módulos de memória de tecnologias obsoletas (como os módulos de memória SDR usados até poucos atrás) são tão caros e difíceis de achar.

Os micros 486 usavam memórias FPM, que foram substituídas pelas memórias EDO na época do Pentium. O lançamento do Pentium II e do K6-2 marcou a migração para as memórias SDRAM, que podem ser consideradas o início da era moderna.

Existem 4 tipos de memória SDRAM: as SDR (uma transferência por ciclo), as DDR (duas transferências por ciclo), as DDR2 (4 transferências por ciclo) e as DDR3 (8 transferências por ciclo).

Os módulos de memória SDR são usados em micros antigos: Pentium II e Pentium III e os primeiros Athlons e Durons soquete A. As memórias DDR passaram a ser usadas a partir do Athlon Thunderbird e do Pentium 4, enquanto as DDR2 foram adotadas a partir das placas soquete 775 (no caso da Intel) e a partir dos modelos Athlon 64 para placas AM2, no caso da AMD.

Mais recentemente, temos assistido a uma nova migração, com a introdução dos módulos de memória DDR3, que foram adotados a partir dos processadores Core i7 e i5 no caso da Intel e a partir dos Phenom II destinados a placas AM3, no caso da AMD.

Infelizmente, cada nova tecnologia de memória é incompatível com a antiga, o que elimina a possibilidade de aproveitar os módulos antigos ao fazer upgrade. Entretanto, a queda nos preços das memórias tem reduzido esse problema. Antigamente, se gastava 500 reais ou mais para ter uma quantidade aceitável de memória no PC, enquanto hoje em dia pode-se passar muito bem com apenas um ou dois módulos de 80 reais cada.

Algumas placas (geralmente modelos de baixo custo) possuem dois tipos de soquete, permitindo usar módulos SDR e DDR, DDR e DDR2 ou DDR2 e DDR3 de acordo com a conveniência, mas sem misturar os dois tipos. Elas são relativamente comuns durante os períodos de transição, quando uma tecnologia de memória é substituída por outra e podem ser uma opção em alguns casos.

Nos micros XT, 286 e nos primeiros 386, ainda não eram utilizados módulos de memória. Em vez disso, os chips de memória eram instalados diretamente na placa-mãe, encaixados individualmente em colunas de soquetes (ou soldados), onde cada coluna formava um banco de memória.

Esse era um sistema antiquado, que trazia várias desvantagens, por dificultar upgrades de memória ou a substituição de módulos com defeito. Imagine você, fazendo um upgrade de memória numa placa como esta:

Não é só você que não achou muito atraente a ideia de ficar catando chips de memória um a um. Foi questão de tempo até que alguém aparecesse com uma alternativa mais prática, capaz de tornar a instalação fácil até mesmo para usuários inexperientes.

Os módulos de memória são pequenas placas de circuito onde os chips DIP são soldados, facilitando o manuseio e a instalação. Os primeiros módulos de memória criados são chamados de módulos SIMM, sigla que significa "Single In Line Memory Module", justamente porque existe uma única via de contatos, com 30 vias. Apesar de existirem contatos também na parte de trás do módulo, eles servem apenas como uma extensão dos contatos frontais, de forma a aumentar a área de contato com o soquete. Examinando o módulo, você verá um pequeno orifício em cada contato, que serve justamente para unificar os dois lados:

Os módulos de 30 vias possuíam sempre 8 ou 9 chips de memória. Cada chip fornecia um único bit de dados em cada transferência, de forma que 8 deles formavam um módulo capaz de transferir 8 bits por ciclo. No caso dos módulos com 9 chips, o último era destinado a armazenar os bits de paridade, que melhoravam a confiabilidade, permitindo identificar erros. Hoje em dia os módulos de memória são mais confiáveis, de forma que a paridade não é mais usada. No lugar dela, temos o ECC, um sistema mais avançado, usado em módulos de memória destinados a servidores.

Os módulos de 30 vias foram utilizados em micros 386 e 486 e foram fabricados em várias capacidades. Os mais comuns foram os módulos de 1 MB, mas era possível encontrar também módulos de 512 KB, 2 MB e 4 MB. Existiram também módulos de 8 e 16 MB, mas eles eram muito raros devido ao custo.

Apesar de serem muito mais práticos do que manipular diretamente os chips DIP, os módulos SIMM de 30 vias ainda eram bastante inconvenientes, já que era preciso usar 4 módulos idênticos para formar cada banco de memória. Eles foram desenvolvidos pensando mais na questão da simplicidade e economia de custos do que na praticidade.

Para solucionar o problema, os fabricantes criaram um novo tipo de módulo de memória SIMM, de 32 bits, que possui 72 vias. Os módulos de 72 vias substituíram rapidamente os antigos nas placas para 486 e se tornaram o padrão nos micros Pentium, sendo em seguida substituídos pelos módulos de 168 vias.

Finalmente, temos os módulos DIMM, usados atualmente. Ao contrário dos módulos SIMM de 30 e 72 vias, os módulos DIMM possuem contatos em ambos os lados do módulo, o que justifica seu nome, "Double In Line Memory Module" ou "módulo de memória com dupla linha de contato".

Todos os módulos DIMM são módulos de 64 bits, o que eliminou a necessidade de usar 2 ou 4 módulos para formar um banco de memória. Muitas placas-mãe oferecem a opção de usar dois módulos (acessados simultaneamente) para melhorar a velocidade de acesso. Esse recurso é chamado de dual-channel e melhora consideravelmente o desempenho, sobretudo nas placas-mãe com vídeo onboard, onde a placa de vídeo disputa o acesso à memória RAM com o processador principal. De qualquer forma, mesmo nas placas dual-channel, usar os módulos em pares é opcional; você pode perfeitamente usar um único módulo, mas neste caso o suporte a dual-channel fica desativado.

Existem três formatos de memória DIMM. Os mais antigos são os módulos de memória SDR, de 168 vias, que substituíram os antigos módulos de memória EDO, mas logo deram lugar às tecnologias mais recentes. Em seguida, temos os módulos de memória DDR, que possuem 184 contatos, os módulos DDR2, que possuem 240 e os módulos DDR3, que também possuem 240 contatos, mas utilizam tensões e sinalizações diferentes.

Apesar do maior número de contatos, os módulos DDR, DDR2 e DDR3 são exatamente do mesmo tamanho que os módulos SDR de 168 vias, por isso foram introduzidas mudanças na posição dos chanfros de encaixe, de forma que você não consiga encaixar os módulos em placas incompatíveis.

Os módulos SDR possuem dois chanfros, enquanto os DDR possuem apenas um chanfro, que ainda por cima é colocado em uma posição diferente. Temos aqui um módulo DIMM SDR (em cima) e um módulo DDR:

Os módulos DDR2 também utilizam um único chanfro, mas ele está posicionado mais próximo do canto do módulo que o usado nos módulos DDR, de forma que é novamente impossível encaixar um módulo DDR2 numa placa antiga. Temos aqui um módulo DDR2:

Isso é necessário, pois além das mudanças na forma de acesso, os módulos DDR2 utilizam tensão de 1.8V, enquanto os módulos DDR usam 2.5V. Se fosse possível instalar um módulo DDR2 em uma placa antiga, a maior tensão queimaria o módulo rapidamente.

Outra característica que torna os módulos DDR2 diferentes é a presença de um terminador resistivo dentro de cada chip de memória. O terminador é necessário para "fechar o circuito", evitando que os sinais elétricos retornem na forma de interferência ao chegarem ao final do barramento. Nos módulos DDR os terminadores são instalados na placa-mãe, o que torna a terminação menos eficiente. Como os módulos DDR2 operam a frequências muito mais altas, a presença do terminador dentro dos próprios chips se tornou uma necessidade, já que torna o sinal mais estável e livre de ruídos.

Em seguida temos os módulos DDR3. Como comentei, eles utilizam os mesmos 240 contatos dos módulos DDR2 e mantém o mesmo formato. A única diferença visível (fora etiquetas e códigos de identificação) é a mudança na posição do chanfro, que passou a ser posicionado mais próximo do canto do módulo. O chanfro serve justamente para impedir que os módulos sejam encaixados em placas incompatíveis:

Como os módulos DDR2 e DDR3 trabalham a frequências mais altas, o uso de dissipadores se tornou mais comum. Eles não são realmente necessários, mas a melhor dissipação do calor permite que o módulo trabalhe a frequências mais altas, por isso eles se tornaram norma nos módulos de alto desempenho e, principalmente, nos módulos "premium", destinados a overclock. Alguns fabricantes chegam a utilizar heat-pipes ou a oferecer coolers ativos, que podem ser instalados sobre os módulos, mas nesse caso o efeito é mais estético do que prático.

Outra diferença é que os chips DDR2 e DDR3 utilizam o encapsulamento BGA (Ball Grid Array), no lugar do encapsulamento TSOP (Thin Small-Outline Package), usado nos chips SDR e DDR. A grande diferença é que no BGA os pontos de solda são posicionados diretamente na parte inferior dos chips, em vez de serem usadas as "perninhas" laterais. Isso reduz a distância que o sinal elétrico precisa percorrer, além de reduzir o nível de interferências, permitindo que os módulos sejam capazes de operar a frequências mais altas.