Головоломка с памятью

Если на протяжении последних лет неизменным стандартом в этой области считалась синхронная память SDRAM (Synchronous DRAM), то сейчас появились такие конкурентоспособные технологии, как DDR (Double Date Rate) SDRAM и SLDRAM (Synchronous-Link DRAM), а также DRDRAM, или просто RDRAM (Direct Rambus DRAM), и Concurent Rambus, разработанные компанией Rambus inc.

Рождение SDRAM

Изначально SDRAM создавалась в качестве менее дорогой альтернативы видеопамяти VRAM (Video RAM), которая использовалась для графических подсистем. Она стала широко применяться и оказалась первым претендентом на роль всеобщего стандарта памяти для ПК. До некоторого времени память не развивалась столь динамично, сколь микропроцессоры. Все производители пошли скорее по эволюционному пути, поэтому синхронная SDRAM стала очередным этапом в усовершенствовании технологии DRAM.

Невысокое быстродействие подсистемы памяти с модулями DRAM было обусловлено тем, что невозможно точно синхронизировать частоту процессора и скорость обработки данных в ячейках памяти, так как при считывании оттуда нельзя было сказать, откуда в следующий раз будет браться информация — из другого банка или из соседней ячейки — и сколько времени на это потребуется. К тому же во время обращения к памяти ЦП не может работать с другими компонентами системы, что, естественно, снижает производительность.

Рис. 1. Память DRAM и SDRAM. Сравните — и почувствуете разницу.Синхронная SDRAM, в отличие от стандартной асинхронной DRAM, имеет таймер ввода данных. С его помощью системный таймер, который пошагово контролирует деятельность процессора, может управлять работой SDRAM. Значит, контроллер точно знает момент времени, в который запрошенная информация будет обработана. Это освобождает процессор от необходимости находиться в состоянии ожидания

В SDRAM задержки эффективно устраняются за счет синхронного функционирования блоков ячеек. На схеме показано, что работа ОЗУ и процессора согласуется через системный таймер (рис. 1). Значит, в конце каждого такта на выводах модуля памяти появляется сигнал готовности данных, т. е. процессорное время тратится лишь на циклы чтения/записи. Кроме того, в SDRAM имеет место конвейерная адресация, обеспечивающая доступ к следующему блоку запрошенной информации до завершения обработки предыдущего.

Таким образом, время ожидания было снижено в несколько раз. SDRAM стала первой DRAM, где была внедрена технология синхронизации работы памяти с тактами ЦП и с внешней шиной данных. Памяти SDRAM доступны частоты, на которых DRAM неработоспособна. Технология SDRAM стала отправной точкой для создания новых высокопроизводительных типов ОЗУ.

Перевоплощение SDRAM

Одна из первых ее разновидностей — синхронная память с виртуальными каналами. Virtual Channel VC SDRAM работает быстрее и стоит лишь незначительно больше. Она увеличивает пропускную способность шины c 0,8 до 1 Гбайт/с при работе на частоте 100 МГц.

Эта технология предназначена для многозадачных систем, где чередуются обращения различных программ к разным участкам памяти. Контроллер VC SDRAM выделяет каждому процессу свой канал памяти — 1-Кбайт кэш. Поступающие данные находятся там до тех пор, пока основная память не будет готова для записи. При этом разгружается процессор (он быстро записывает информацию в кэш, а потом передает контроль над ней набору микросхем) и снимаются пиковые нагрузки при передаче информации. Чтобы при одновременном обращении к ОЗУ нескольких программ не снижалась производительность системы, число каналов было доведено до 16. В результате возросло общее быстродействие подсистемы ЦП — оперативная память.

Таким образом, изменения в VC SDRAM коснулись в основном только принципа размещения данных, который был использован при создании других видов памяти, например DDR SDRAM.

У DDR SDRAM 1=2!

Следующее поколение SDRAM — память DDR SDRAM с удвоенной пропускной способностью, базирующаяся на тех же принципах, что и предыдущая, но с некоторыми технологическими доработками. Например, добавлена описанная выше ассоциация каналов памяти с процессами системы. Главная особенность новой технологии заключается в том, что можно передавать по два бита данных за такт. Это повышает пиковую пропускную способность до 1,6 Гбайт/с при 100-МГц шине. Используется технология DLL (Delay-Locked Loop — цикл с фиксированной задержкой), при которой один сигнал DataStrobe, определяющий, доступны ли данные на выходных контактах, подается одновременно на 16 выводов. Благодаря этим нововведениям DDR SDRAM фактически удваивает скорость доступа по сравнению с обеспечиваемой SDRAM, хотя частота кристалла остается прежней.

Следует также отметить, что DDR SDRAM стоит лишь незначительно дороже, чем SDRAM. Однако предполагается, что уже в I квартале будущего года их цены сравняются. Это объясняется тем, что лицензии и спецификации на DDR SDRAM можно получить бесплатно, и потому производители заинтересованы в развитии новой технологии.

К новому поколению принадлежит и SLDRAM (SyncLink DRAM) — продукт DRAM-консорциума (объединение 12 производителей различных DRAM). Здесь использована основательно переделанная архитектура синхронной памяти: служебная информация передается пакетами по однонаправленной шине, а данные также пакетами пересылаются по двунаправленной DataLink, причем за один такт передается по два бита. Частота шины — 400 МГц, а ее пропускная способность — свыше 1 Гбайт/с. Сейчас SLDRAM стоит дорого, поэтому такая память в ПК пока не применяется.

Rambus. Это наше будущее?

Ближайший конкурент DDR SDRAM и SLDRAM — память с использованием технологии RDRAM. Ее создатели предпочли использовать новый подход и внедрение революционных решений, а не модернизацию традиционных.

Память Rambus DRAM разработала одноименная компания Rambus inc., основанная в начале 90-x годов профессорами Майклом Фармволдом и Марком Горовицем. Сначала фирма Rambus inc. входила в JEDEC (Объединенный совет разработчиков электронных компонентов), который придерживался консервативных позиций по вопросу развития памяти, желая развивать устаревающую SDRAM, а не вкладывать средства в более перспективную с технологической точки зрения RDRAM. Чтобы самостоятельно продвигать свои идеи, Rambus заручилась поддержкой Intel, обещавшей выпустить набор микросхем для новой памяти, вышла из совета и приступила к завоеванию рынка.

Tехнология фирмы Rambus впервые была применена в графических рабочих станциях в 1995 г. Благодаря использованию технологии RSL (Rambus Signal Logic — сигнальная логика Rambus) частоты передачи данных достигали 600 MГц.

Сейчас созданы два вида памяти Rambus — RDRAM (Direct RDRAM) и Concurent RDRAM. Вторая отличается высокой эффективностью (отношение средней пропускной способности к пиковой), что делает приоритетным ее использование в графических станциях и серверах. В 1998 г. стала возможной передача данных с эффективной частотой 800 MГц, и это еще не предел. Но в ПК она не используется из-за высокой стоимости. В Direct Rambus реализована шина, у которой сигналы управления передаются отдельно от данных (рис. 2). При этом тактовая частота достигает 400 МГц, но поскольку данные передаются дважды за такт, эффективная частота составляет 800 МГц (код спецификации — PC800).

Естественно, потребовались модули нового типа, названные RIMM (Rambus In-line Memory Module). Они имеют 184 контакта и рассчитаны на 2,5 В ( SDRAM — 3,3 В ), а их емкость составляет 64/128/256 Мбайт. Цена этих модулей пока достаточно высока, например, один RIMM PC800 стоит около 260 долл., модуль DDR SDRAM PC1600 — 170 долл., а DIMM PC133 — 130 долл.

Первоначально планировалась поддержка трех модулей RIMM, каждый емкостью до 256 Мбайт, что обеспечило бы максимальный объем памяти 768 Мбайт. Это, конечно, небольшая величина, если вспомнить, что системные платы с набором микросхем 440BX могут поддерживать до 1 Гбайт SDRAM. Впрочем, затем из-за технологических проблем было принято решение о поддержке двух модулей RIMM, что уменьшило физическую длину шины и повысило ее надежность, однако ограничило память 512 Мбайт.

DDR против RDRAM

В настоящее время и Direct Rambus, и Double Data Rate DRAM претендуют на то, чтобы вместо SDRAM стать основной оперативной памятью ПК. Кто же из них победит?

Главный козырь DDR DRAM — удвоение производительности при незначительном повышении стоимости. Ее широкое производство только началось, но уже сейчас ее цена ниже, чем у микросхем-конкурентов на основе технологии Direct Rambus DRAM. Кроме того, при имеющихся наборах микросхем на системные платы нельзя устанавливать более 512 Мбайт DRDRAM. Зато ee выпуск уже отлажен.

Сейчас, видимо, оптимальный вариант для производителей ПК и элементов памяти — DDR SDRAM. И хотя «карьера» этой памяти в качестве системного ОЗУ только начинается, на рынке графических ускорителей она уже завоевала популярность. Так, фирмы Nvidia и ATI широко используют DDR SDRAM и выпускают видеоускорители, снабженные этой памятью, благодаря чему их производительность значительно выше, нежели у подобных устройств с обычной синхронной.

Приятно, что разработчики DDR планируют не столько получение сиюминутной прибыли, сколько завоевание рынка памяти в будущем. Например, Комитет по технологическим стандартам организации производителей запоминающих устройств (JEDEC Solid State Technology Association) бесплатно распространяет спецификацию по DDR, а модель лицензирования и вовсе отсутствует.

С технологической же точки зрения более совершенной следует считать DRDRAM и она имеет большие перспективы для развития, хотя процесс ее производства достаточно сложен.

Пока еще рано судить о том, какая память в конце концов победит — Rambus или DDR. Возможно, RDRAM приживется на рынке высокоэффективных дорогих систем, а вот DDR в перспективе подвластны все рынки. Однако следует уточнить, что это относится лишь к основной ОЗУ. Очевидно, что производители видеоплат для ПК однозначно сделали выбор в пользу DDR SDRAM. Важную роль в борьбе двух технологий будут играть и наборы микросхем. Например, i820 не реализует все возможности памяти Rambus, его «старший брат» i820E еще не очень популярен у производителей плат, а i840 не предназначен для домашних ПК. Если цены на Rambus понизятся, то эта память станет популярной. Пока же главный козырь RDRAM — поддержка ее компанией Intel. В то же время стоимость DDR SDRAM невысока и с точки зрения сочетания цена/быстродействие она явно идет впереди. Однако наборы микросхем для нее только начали выпускаться, и еще неизвестно, не возникнет ли у производителей с памятью DDR SDRAM таких же трудностей, как у Intel с RDRAM. Но в любом случае, похоже, рано или поздно DDR (а может, и RDRAM) вытеснит привычную SDRAM с рынка высокопроизводительных ПК и компьютеров средней мощности.

А. Савкин

C автором можно связаться по e-mail: alex_sv@aport.ru

Очень просто о DRAM

А. Баулин