DRAMатургия рынка памяти

Дело было вечером… нет, дело было в конце 1998 года - именно тогда Intel приняла стратегическое решение о поддержке технологии Rambus (RDRAM) в своих будущих наборах микросхем для ПК на базе микропроцессоров архитектуры х86. Это решение лишний раз подчеркнуло, сколь важной стала уже тогда подсистема оперативной памяти в ПК: вероятно, иначе Intel и не стала бы поддерживать столь революционный переход к новой технологии, кардинально отличающейся от обычной DRAM.

Cобственно, такое внимание к оперативной памяти даже в мире ПК легко объяснить. Тактовая частота (и производительность) процессоров за последние годы многократно выросла, в то время как пропускная способность оперативной памяти стала отставать: DRAM перешла от PC66 к PC100 (частота увеличилась на треть), ну и теперь еще к PC133 (еще на треть по частоте, с соответствующим увеличением пропускной способности).

Этого явно мало. Несложная прикидка (см. таблицу) показывает, что пропускной способности обычной памяти SDRAM уже сегодня недостаточно, чтобы одновременно обслужить все запросы, которые могут возникнуть при работе с современной материнской платой: для PC133 c 64-разрядной шиной пропускная способность памяти вдвое ниже требуемой. А ведь в таблице мы не учли возможности выcокопроизводительных процессоров AMD Athlon, для которых пропускная способность системной шины уже равна 1,6 Гбайт/с!

У многих RISC-процессоров потребности в пропускной способности еще выше, но в компьютерах на их базе применяются специальные архитектурные решения, в том числе увеличение ширины шины памяти, позволяющие сгладить дисбаланс. Поскольку производительность процессоров продолжает расти, вопрос о том, как строить память, удовлетворяющую современным требованиям к ПК, сегодня крайне актуален.

Было предпринято множество попыток улучшить характеристики оперативной памяти. Можно указать, например, на схему ESDRAM — кэширование с обычной памятью SDRAM с помощью кэша SRAM, или на VCM (Virtual Channel Memory) SDRAM — оригинальную разработку компании NEC. Последняя технология предполагает образование нескольких виртуальных каналов доступа к оперативной памяти — одного для процессора, другого для графического адаптера, третьего для PCI. При таком подходе в каждом канале память кэшируется независимо, а разные каналы работают с перекрытием обработки запросов, поэтому удается уменьшить эффективные задержки при обращении к памяти. Автору известны лишь три набора микросхем, поддерживающих VCM, все — производства VIA Technologies: AppoloPro 133, AppoloPro 133A и KX133. Увеличение пропускной способности памяти по сравнению с обычной SDRAM cоставляет, по некоторым данным, до 10-30%. «Лобовой» путь повышения пропускной способности путем увеличения тактовой частоты SDRAM до 166 МГц (PC166) также не обещает ее кардинального роста, а сама такая память должна стоить весьма дорого. Поэтому фактически мы имеем сегодня только две серьезные альтернативы — Direct Rambus DRAM (DRDRAM, причем часто первая буква D опускается) и Double Data Rate (DDR) DRAM. Именно данные технологии будут задавать магистральное направление развития памяти в компьютерах на ближайшие несколько лет.

Речь идет о компьютерах любой архитектуры — от ПК до суперкомпьютеров. Практика последних лет показывает, что в суперкомпьютерах применяется оперативная память того же типа, что и в ПК. Более того, технология памяти в ПК отличается бо`льшим динамизмом: cроки разработки и эксплуатации суперкомпьютеров во много раз больше, и их подсистемы памяти «не успевают» за прогрессом технологий. Более высокая пропускная способность оперативной памяти в суперкомпьютерах обычно обеспечивается, как мы уже говорили выше, за счет специальных архитектурных решений, а не применения новейших технологий памяти. Поэтому, хотя тема технологий оперативной памяти актуальна для компьютеров всех типов, далее мы обращаем особое внимание на ПК: именно на этом рынке в силу его динамики в первую очередь должна появиться память нового типа.

Direct Rambus DRAM

Микросхемы RDRAM размещаются в модулях, называемых RIMM. Эти модули имеют 184 контакта и работают с напряжением 2,5 В (против 3,3 В у SDRAM).

Мы рассматриваем данный тип оперативной памяти первым (до анализа DDR DRAM). Это соответствует реалиям сегодняшнего дня: ПК с DRDRAM вы можете купить уже сегодня, а вот с DDR — пока еще нет.

Контроллер памяти RDRAM и все микросхемы памяти подсоединяются к 16-разрядной шине Direct Rambus Channel. В числе преимуществ этой шины можно отметить то, что сигналы управления не мультиплексируются с данными, а передаются фактически по отдельной шине.

В оперативной памяти может применяться несколько таких одновременно работающих каналов. Поскольку ширина шины невелика (в четыре раза меньше, чем у обычной шины SDRAM в ПК), проще поднять ее тактовую частоту. Она составляет обычно 400 МГц, но так как данные передаются дважды за такт (по переднему и заднему фронтам сигнала), то эффективную частоту можно считать равной 800 МГц, что нашло свое отражение в обозначении PC800. Пропускная способность канала Rambus на этой тактовой частоте составляет 1,6 Гбайт/с. Кроме того, доступна RDRAM с более низкими частотами — 600 и 700 МГц — и соответственно с более низкой пропускной способностью.

Микросхемы RDRAM размещаются в модулях, называемых RIMM. Эти модули имеют 184 контакта и работают с напряжением 2,5 В (против 3,3 В у SDRAM). Память RDRAM достаточно сложна в изготовлении и обычно производится по 0,18-микронной технологии, так как при большем типоразмере площадь микросхем становится слишком большой.

Собственно микросхемы работают на частоте 100 МГц, однако они содержат 16 банков памяти, то есть имеют 16-кратное расслоение, что и обеспечивает необходимую пропускную способность при обработке перекрывающихся транзакций. При 32 банках памяти возможна одновременная обработка до четырех транзакций. Контроллер RDRAM обеспечивает преобразование сигналов обычного формата 64-разрядной шины в сигналы, передаваемые по каналам Rambus и обратно.

Есть факты, подтверждающие, что такое преобразование приводит к дополнительным задержкам по сравнению с традиционной памятью SDRAM. Таким образом, большая пропускная способность DRDRAM сочетается с повышенными задержками. Последнее, очевидно, особенно нехорошо, если данные выбираются из памяти достаточно случайно и небольшими порциями (это часто бывает в экономических программах).

Еще одним недостатком RDRAM является высокая стоимость изготовления (низкий выход годных) и соответственно высокая продажная цена. Так, стоимость RIMM-модуля от Samsung емкостью 128 Мбайт с кодами ECC на сегодня где-то 400-460 долл. против 110-120 долл. для модуля DIMM PC100 ECC той же емкости (приведены цены в Москве).

Типичная емкость микросхем RDRAM cоставляет 128/144/288 Мбит, а модулей RIMM — 64/128/256 Мбайт. Модули RIMM выпускаются как с поддержкой ECC, так и без нее.

На настоящий момент RDRAM поддерживается двумя наборами микросхем от Intel — i810 и i840. В наборе микросхем i820 поддерживается DRDRAM типа PC800/700/ 600 и один канал Rambus, то есть обеспечиваемая пропускная способность равна 1,6 Гбайт/с. Первоначально предполагалась поддержка трех модулей RIMM, что при максимальной на сегодня емкости RIMM в 256 Мбайт обеспечило бы максимальную емкость памяти в 768 Мбайт. Уже само по себе это немного: материнские платы с набором микросхем 440BX поддерживают и до 1 Гбайт памяти SDRAM, а ведь i820 ориентирован на использование более быстродействующих микропроцессоров. Более того, из-за технологических проблем было принято решение о поддержке не более двух модулей RIMM, что позволило уменьшить длину шины и тем самым увеличить надежность. Это ограничило емкость памяти 512 Мбайт

Высокая стоимость RIMM вызвала к жизни вопрос о применении вместе с i820 и памяти SDRAM. Например, пользователь хочет подождать, что модули RIMM подешевеют, и приобрести пока PC100. Для этой цели Intel выпустила специальную микросхему MTH (Memory Transfer Hub), которая обеспечивает преобразование запросов к RDRAM в запросы к SDRAM PC100. Однако при этом не поддерживается контроль четности и ECC-коррекция и на 10% уменьшается пропускная способность по сравнению с набором микросхем i440BX. С точки зрения автора, такой подход в большинстве случаев может оказаться неоправданным.

Более высокую производительность ПК обеспечивает набор микросхем i840, позволяющий иметь двухпроцессорные SMP-конфигурации и поддерживающий уже два канала Rambus и соответственно пропускную способность 3,2 Гбайт/с. Кроме того, поддерживается четыре модуля RIMM при общей емкости оперативной памяти до 2 Гбайт.

DDR SDRAM

В настоящее время о производстве DDR SDRAM, в том числе PC266, объявила не только Samsung Electronics, но и NEC, Hyundai и другие ведущие производители микросхем памяти

Основным соперником DRDRAM в ближайшем будущем станет, очевидно, DDR DRAM. Интрига такова, что если Intel поддержала Rambus, то ее соперники на рынке процессоров архитектуры x86 — AMD со своим Athlon — и известная компания-производитель наборов микросхем (а с недавнего времени — и процессоров) VIA Technologies планируют предлагать вместе с x86-cовместимыми процессорами память типа DDR DRAM. Основным плюсом DDR является сохранение в ее основе технологии SDRAM, что позволяет держать уровень цен чуть выше, чем для аналогичной памяти SDRAM. Собственно, DDR SDRAM отличается от SDRAM лишь тем, что за такт передается два пакета данных (по обоим фронтам сигнала).

При использовании частоты SDRAM 100 МГц достигается пропускная способность 1,6 Гбайт/с, а при частоте микросхем SDRAM 133 МГц — 2,1 Гбайт/с при использовании 64-разрядной шины памяти. Для DDR SDRAM применяются обозначения как типа PC266 (указывается «эффективная» частота), так и типа PC1600/PC2100 (то есть указывается пиковая пропускная способность).

Технология DDR используется не только при построении оперативной памяти, но и в высокопроизводительных графических платах. При этом возможно применение 128-разрядных шин и более высоких тактовых частот — 150 и 160 МГц, чему отвечает пропускная способность 4,8/5,2 Гбайт/с соответственно. Впоследствии возможно появление микросхем на 183 МГц (366 МГц эффективной частоты, пропускная способность 6 Гбайт/с), а в 2001 году — 200-мегагерцевых микросхем (6,4 Гбайт/с).

Индустриальный стандарт на DDR пpинят советом Joint Electronics Device Engineering Council. Открытая спецификация DDR SDRAM, в создании которой активно участвовали, в частности, VIA и IBM, специфицирующая 184-контактные DIMM-модули (против 168 контактов у DIMM SDRAM), во многом способствовала успешному продвижению DDR.

Темпы развития технологии DDR SDRAM иллюстрируют следующие сведения о разработках Samsung Electronics, одного из ведущих мировых производителей памяти. В феврале 1999 года Samsung объявила о разработке 128-мегабитных микросхем DDR SDRAM с эффективной частотой 266 МГц и рабочим напряжением 2,5 В. Было объявлено и о 1-гигабитных микросхемах с частотой 333 МГц и тем же рабочим напряжением, построенных по 0,14-микронной технологии. В июне 1999 года компания объявила о разработке 1-гигабитных микросхем, обрабатывающих данные на частоте 350 МГц, с рабочим напряжением 1,8 В и построенных уже по 0,13-микронной технологии.

Применение все более низких напряжений позволяет уменьшить тепловыделение, что особенно важно при использовании памяти большой емкости. В настоящее время о производстве DDR SDRAM, в том числе PC266, объявила не только Samsung Electronics, но и NEC, Hyundai и другие ведущие производители микросхем памяти. Кроме графических плат, DDR уже реально используется в качестве оперативной памяти в ПК, но пока еще не в массовых количествах. Если в 2000 году доступными будут DDR DIMM емкостью 64/128/256 Мбайт, то в 2001 году ожидаются модули емкостью 512/1024 Мбайт.

Нетрудно видеть, что по пиковой пропускной способности DDR оказывается вполне конкурентоспособной по сравнению с Direct Rambus: пропускная способность (на 64-разрядной шине) 1,6 Гбайт/с и даже 2,1 Гбайт/с — реалии практически сегодняшнего дня, а 200-мегагерцевые микросхемы позволят довести пропускную способность до 3,2 Гбайт/с и составить конкуренцию двухканальной DRDRAM, поддерживаемой i840.

В 2003 году возможно создание DDR-II c частотами от 100 МГц и выше, но уже с передачей до четырех пакетов за такт. Частотам 100/150/200 МГц будет отвечать пропускная способность 3,2/4,8/6,4 Гбайт/с соответственно.

Производительность

Несомненно, необходимым является знание реальной производительности памяти, а не формальных показателей пиковой пропускной способности, которые мы обсуждали до сих пор. Результаты тестов зависят также от процессора и набора микросхем. Так, благодаря высокой эффективности работы с памятью PC100 набора микросхем i440BX он не уступает по производительности набору микросхем VIA AppoloPro 133A c более быстрой памятью PC133 (естественно, при использовании одинаковых процессоров).

Пожалуй, наиболее подробное исследование производительности при работе с DDR SDRAM и DRDRAM было выполнено компанией Inquest Market Research. Оно показало, что DDR SDRAM не уступает Rambus по производительности, а зачастую и превосходит ее.

Приведем некоторые известные интегральные результаты сравнения производительности. В тестах использовались одни и те же процессоры Pentium III/733 МГц, работающие на материнской плате Intel с набором микросхем i840 (PC800 RDRAM) и на материнской плате с набором микросхем Micron Samurai в операционных средах Windows 98 и NT. Почти во всех случаях небуферизированная DDR PC266 оказалась впереди: на тестах STREAM (пропускная способность памяти) — примерно на 20%, на тестах Linpack — на 5-16%. На «стандартных» для ПК тестах (типа CPUMark99, SysMark2000, Quake и др.) PC266, как пpавило, опережает i840/PC800, хотя в некотоpых случаях PC800 оказывается немного быстрее.

Однако к полученным результатам надо относиться с достаточной осторожностью. Многие из проведенных тестов (это видно и из самих результатов) слабо зависят от пропускной способности памяти. Но сопоставлять следует прежде всего пропускную способность (это дают тесты STREAM) и задержки при обращении к памяти (например, тесты lmbench). С точки зрения автора, при работе с данными векторного характера (c длинными вектоpами) наилучшую пропускную способность должны иметь ПК на базе i840 c двухканальной памятью Rambus. Однако это пpотивоpечит pезультатам тестов Inquest Market Research.

В любом случае можно пpедположить, что если модули DRDRAM до конца года не подешевеют, DDR имеет шансы вытеснить Rambus в самом широком диапазоне систем на базе x86-cовместимых процессоров.

Михаил Кузьминский — старший научный сотрудник Центра компьютерного обеспечения химических исследований РАН. С ним можно связаться по телефону (095) 135-6388

Рядовых пользователей перестала волновать производительность ПК