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在馮諾依曼體系結構里，內存是除了CPU之外第二重要的設備。如果沒有內存，服務器將完全無法運行。在這一節中，我們來了解下內存的物理結構。如下圖的是一個 16 GB 的筆記本內存條實物的正面和反面圖。其中的每個黑色顆粒也叫一個 Chip。

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

實際上，內存標識第二段中的 2R*8 非常重要，它直接簡單清晰地把內存的物理結構給表示出來了。

• 2R：表示該內存有 2 個 Rank
• *8：表示每個內存顆粒的位寬是 8 bit，

接下來我們分兩個小節，深入地看看 Rank、位寬與內存顆粒的內部結構。

內存的 Rank 與位寬

在內存中，其中每一個黑色的內存顆粒叫一個 Chip。所謂 Rank 指的是屬于同一個組的 Chip 的總和。這些 Chip 并行工作，共同組成組成一個 64 bit 的數據，供 CPU 來同時讀取。

CPU 的內存控制器能夠對同一個 rank 的 chip 進行讀寫操作。通常一個通道（channel）能夠同時讀寫 64bit 的數據（ECC 功能的是 72 bit）。

內存字符串標識中的 2 R 表示該內存有 2 個 Rank。

2 R 后面的 * 4 表示每個內存顆粒的位寬是 4 bit。因為 CPU 要同時讀寫 64 bit 的數據。所以

• 對于位寬為 4 的顆粒，需要 16 個 Chip 來組成一個 Rank
• 對于位寬為 8 的顆粒，需要 6 個 Chip 來組成一個 Rank
• 對于位寬為 16 的顆粒，需要 4 個 Chip 來組成一個 Rank

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

而一個 Rank 需要提供 64 位的數據，則需要 64 / 16 = 4 個 Chip 來組成一個 Rank 來同步地工作。從實物圖中也確實可以看到，該內存條正反面加起來只有 4 個 Chip，

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

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

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內存顆粒 Chip 內部結構

一個內存是由若干個黑色的內存顆粒構成的。每一個內存顆粒叫做一個 chip。在每個 chip 內部，又是由一層層的 bank 組成的。

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在每個 bank 內部，就是電容的行列矩陣結構了。

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這個矩陣由多個方塊狀的元素構成，這個方塊元素是內存管理的最小單位，也叫內存顆粒位寬。在一個位寬中。有若干小電容。

• 對于 1 R * 16 的內存條，一個位寬有 16 個 bit 位
• 對于 2 R * 8 的內存條，一個位寬有 8 個 bit 位

值得注意的是，由于內存訪問太慢了。所以 CPU 每次向內存請求數據的時候，并不只是請求一個 64 bit 的數據就完事了，而是會請求更多的數據然后用自己的 L1、L2、L3等模塊緩存起來。下次如果訪問的數據位于緩存中的話，就可以不用再發起內存 IO 了。一次請求的數據大小是 64 * 8 bit = 64 字節，這也是一個 Cache Line 的大小。

對于內存來說，一次 Cache Line 64 字節的訪問屬于是一次 Burst IO，需要內存連續工作多次，輸出多個 64 字節。所以，內存在排列和組織二維矩陣結構的時候，會按方便 Burst IO 的方式來組織，實際二維矩陣單元中存儲的字節數會比位寬要大。

例如下面是一個美光（Megon）內存 Chip 的內部結構。

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在該 Chip 中，總共有 8 個 bank，每個 bank 是一個 32768 行 * 128 列的二維矩陣，每個二維矩陣單元存儲的數據大小是 64 比特。

則該 Chip 總共可存儲的數據大小是 8 * 32768 * 128 * 64 = 2147483648 比特。換算成 MiB 2147483648 字節/(1024*1024*8) = 256 MiB

總結

內存標識字符串中的第二段是非常重要的表示內存物理結構的標識。它清楚地寫明了當前內存條總共有幾個 Rank，每個 Chip 中的位寬是多少。進而也能推算出 1 個 Rank 中有多少個 Chip 組成。例如

• 2R*4 表示的是內存條有 2 個 Rank，每個 Chip 的位寬大小是 4。可以推算出每個 Rank 需要 64/4 = 16 個 Chip 顆粒。這種內存常見于服務器內存。內存顆粒越多，就可以組成更大容量的內存條。
• 2R*8 表示的是內存條有 2 個 Rank，每個 Chip 的位寬大小是 8。可以推算出每個 Rank 需要 64/8 = 8 個 Chip 顆粒。這種規格常見于臺式機。
• 1R*16 表示的是內存條有 1 個 Rank，每個 Chip 的位寬大小是 16。可以推算出每個 Rank 需要 64/16 = 4 個 Chip 顆粒。這種內存常見于筆記本內存條。因為內存顆粒越少，則體積越小。

至于每個 Chip 內存顆粒中有多少個二維矩陣元素，為了支持 Burst IO，也為了節約地址線數量。一般每個二維矩陣元素中存儲的數據要比位寬更大一些。