KT-p22
.pdfметры синхронизации. Наличие схемы последовательного детектирования на модуле памяти избавляет производителей системных плат от необходимости вносить оптимальные значения основных временных параметров в системный BIOS, поскольку вся необходимая информация для нормальной настройки подсистемы и ее стабильного функционирования содержится в микросхеме SPD. Кроме этого,механизм SPD может настроить систему и гарантировать более-менее устойчивую работу при использовании в подсистеме памяти модулей разной организации,разного объема и имеющих разные значения одноименных параметров,для чего контроллер памяти при инициализации системы считывает записанные в SPD данные.
Тайминги. Время пересылки данных измеряют в тактах микропроцессора для чего используется четыре числа, записанные через дефис, например 4-2-2-8.
1.CAS Latency — это число тактов от момента запроса данных (выдачи CAS) до их считывания из модуля памяти.
2.RAS to CAS Delay (tRCD) - задержка между сигналами RAS и CAS.
3.Row Precharge Delay (tRP) - задержка,необходимая для регенерации ячеек памяти.
4.Active to Precharge (tRAS) - время активности строки. Минимальное количество циклов между командой активации строки (RAS) и командой регенерации (Precharge).
Чем ниже эти тайминги, тем соответственно лучше: с малыми за
держками память будет работать быстрее.
Развитие оперативной памяти
DRAM (Dynamic Random Access Memory) - динамическая память с произвольным доступом основана на асинхронном принцыпе работы. Для этого предусматрено специальное устройство в контроллере памяти для генерации управляющих сигналов. Для операций чтения/записи определяется продолжительность,величина которой зависит от технологии изготовления микросхемы,ширины шины данных,наличия буфера и других параметров.
Внутри каждого типа операций устанавливаются параметры сигналов стробирования различных команд и необходимых задержек с таким расчетом, чтобы сигнал любой команды обязательно прошел до завершения операции в целом. Таким образом,каждый цикл внутри операции имеет продолжительность,отличную от других циклов. Никакая последующая операция не может быть начата до получения сигнала об окончании предыдущей.
Для генерации необходимых импульсов контроллер асинхронной памяти должен иметь делитель, вырабатывающий сигналы необходимой частоты для каждой операции внутри цикла. Очевидно, что указанные параметры работы асинхронной памяти не способствуют повышению ее
быстродействия.
FPM DRAM. Микросхемы DRAM, реализующие страничный режим
61
памяти,называют FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM). Этот тип микросхем памяти появился начиная с PC, оснащенных процессором 80486, и получил очень широкое распространение. Время доступа процессора к памяти при использовании микросхем FPM DRAM сокращается на 50% по сравнению
с обычными DRAM.
MDRAM (Multibank DRAM). В данном типе памяти все адресное пространство делится на 10 маленьких банков,время доступа к которым существенно меньше времени доступа к одному большому: 15 нс против
50 нс.
EDO RAM. В ПК с процессором Pentium широко применяется память типа EDO DRAM - память с расширенным выводом данных (Extended Data Output DRAM). За счет дополнительных регистров для хранения данных увеличивается объем информации,выводимой изпамяти в единицу времени. Это происходит благодаря тому,что в этих дополнительных регистрах данные могут удерживаться даже в течение следующего запроса к микросхеме, поэтому следующий цикл обращения процессора к RAM может начинаться до того,как закончится предыдущий. Быстродействие модулей EDO RAM на 1015% выше,чем FPM DRAM. Особенно заметно преимущество EDO RAM перед DRAM в пакетном режиме работы.
BEDO DRAM. Микросхемы BEDO DRAM (Burst EDO) являются разновидностью EDO RAM. В этих микросхемах выборка четырех операндов, требующихся для передачи,происходитавтоматически. Кроме того,добавлен специальный счетчик слов.
CDRAM, EDRAM. Процессор,работающий с тактовой частотой 100 МГц,выполняет одну или более операций за каждые 10 нс. Микросхемы EDO RAM и FPM DRAM имеют время доступа к информации 60 нс. CDRAM (Cache DRAM) и EDRAM (Enhanced DRAM) основаны на интеграции неболь-
шого количества ячеек быстрой памяти SRAM (Static RAM - статическая RAM), применяющихся при организации кэш-памяти PC и имеющих время доступа 10-15 нс. Например, на одном кристалле могут располагаться 4 Мбайт DRAM и 16 Кбайт SRAM. Интегрированные элементы SRAM в данном случае можно рассматривать как буферную память,объединенную с оперативной. Использование подобного типа памяти позволяет повысить быстродействие компьютера.
SDRAM (Sychronous DRAM) - синхронная динамическая память.
Основное отличие этого типа памяти от остальных заключается в том,что все операции в микросхемах памяти синхронизированы с тактовой частотой центрального процессора,то есть память и процессор работают синхронно. Это достигается благодаря использованию внутренней трехступенчатой конвейерной архитектуры микросхемы памяти и чередования адресов. Все типы современной памяти являются синхронной динамической памятью, причем основной принцип организации памяти остается неизменным. В
62
синхронной памяти заложена идеология страничного доступа с пакетной обработкой данных. Она базируется на том,что повторения сигнала RAS можно избежать,если адреса столбцов выбираемых ячеек памяти лежат в пределах одной страницы,то есть имеют один и тот же строковый адрес. Поскольку в микросхеме динамической памяти считывание в статический буфер происходит сразу для целой строки,а конкретный бит выбирается адресом столбца,то в вышеописанном случае повторная запись строки в буфер не требуется.
Современные процессоры используют режим обращения к памяти, называемый burst mode (пакетный режим). При чтении одного слова микропроцессор считывает вместе с ним еще три,расположенные рядом. Это позволяет ускорить пакетную передачу данных,но только в случае,когда весь блок данных или его часть находится внутри одной строки матрицы. Для этого в микросхеме SDRAM-памяти имеется счетчик для наращивания адресов столбцов ячеек памяти с целью обеспечения быстрого доступа к ним. Длина пакета (Burst Length, BL) может варьироваться и достигать длины всей страницы.
Кроме организации страничного доступа с пакетной обработкой данных, в SDRAM-памяти используется деление всей памяти на четыре независимых банка (Вапк0, Bank1,Bank2,Вапк3), что позволяет совмещать выборку данных из одного банка с установкой адреса в другом банке,то есть одновременно могут быть открытыми несколько страниц. Доступ к этим страницам чередуется (Bank Interleaving), что приводит к устранению задержек и обеспечивает создание непрерывного потока данных.
DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) - память с удвоенной скоростью передачи данных. В этом типе памяти каждая команда чтения приводит к передаче за один такт двух бит в буфер ввода-вывода. Далее в режиме мультиплексирования по времени эти биты передаются на шину данных,но уже с удвоенной частотой,то есть за каждый такт передается по два бита. Фактически передача по шине данных происходит по положительному
иотрицательному фронтам тактирующих импульсов,что в итоге и приводит к удвоенной скорости передачи. Для передачи двух бит за такт используют две разделенные линии передачи данных отпервичных усилителей к буферам ввода-вывода. После этого биты данных мультиплексируются по времени
ипередаются на удвоенной частоте на шину данных,причем именно в том
порядке,в: котором они поступили в буфер ввода-вывода. При этом команды тактируются так же,как и прежде (то есть как в обычной SDRAM-памяти), по положительному фронту тактового импульса.
Так как данные могут передаваться два раза за такт, то величина задержек CAS может оказаться не целой величиной,а кратной половинке такта. К примеру,на модуле памяти может использоваться обозначение CL- 2,5, то есть CAS Latency составляет 2,5 такта системной частоты. С учетом
63
высокой частоты шины памяти для повышения точности синхронизации сигналов в памяти DDR предпринят ряд мер. Так,сигналы синхронизации (прямой и инверсный) задаются в дифференциальной форме,что позволяет снизить влияние смещения уровней на точность синхронизации. Кроме того, для синхронизации данных используется специальный двунаправленный стробирующий сигнал DQS, который генерируется источником данных: при операциях чтения - чипом памяти,а при операциях записи - контроллером памяти.
DDR2 SDRAM подразумевает передачу данных в пакетном режиме доступа четыре раза за один такт. Ядро памяти по-прежнему работает на тех же тактовых частотах,что и память SDR и DDR. Для получения учетверенной скорости выборки данных,кроме основного и инверсного синхронизирующего сигнала,добавляются еще два сигнала (прямой и инверсный), сдвинутые на полтакта относительно первого синхронизирующего сигнала. Биты, поступающие за каждый такт ядра памяти в буфер ввода-вывода, мультиплексируются по времени и затем, уже на учетверенной скорости, поступают на шину данных. В памяти DDR2 используется архитектура из четырех банков с такой же длиной строки (страницы), как и в памяти DDR, Набор команд DDR2 совместим с набором команд DDR.
Альтернативная память
Память SL DRAM. В 1998 г. фирма Siemens выпустила модули памяти емкостью 64 Мбайт,основанные на технологии SyncLink DRAM. Этот продукт является эволюционным развитием SDRAM и DDR SDRAM. Главное усовершенствование заключается в применении пакетного режима не только
к данным,но и к адресам. Для этого шина данных сужена до 16 бит для каждой микросхемы памяти.
В пакетном режиме с одной микросхемы пиковая пропускная способность достигает 400 Мбайт/с. То есть на 64-битной шине памяти пиковая пропускная способность составляет 1,6 Гбайт/с. Модули SL DRAM использовались в компьютерах производства Siemens.
Память VCM DRAM. Архитектура Virtual Channel Memory DRAM
разработана фирмой NEC в 1998 г. Главными задачами при создании новой технологии считалось: уменьшение времени задержек и снижение энергопотребления динамической памяти. Первая задача решена путем выделения каждому устройству,напрямую работающему с памятью,виртуального канала, учитывающего специфические характеристики запроса потребителя. Причем устройству при необходимости может быть выделено несколько каналов.
Например,видеоускоритель с интерфейсом AGP (в отличие от видеокарты PCI) обладает правом прямого доступа к памяти и ему выделяется три виртуальных канала: первый - для получения данных о координатах вершин
треугольников трехмерной сцены,второй - для загрузки текстур,находящихся в оперативной памяти,третий — для обмена системными данными.
64
Каждый канал обладает функцией кэширования,реализованной следующим образом. Системное устройство,сформировав и отправив запрос на чтение/запись,обращается к другому каналу. В это время кэш первого канала определяет параметры запроса и приступает к его выполнению с необходимыми параметрами задержек между циклами поиска и инициализации блоков данных и т. д. Таким образом,операции каналов независимы друг от друга и могут выполняться параллельно.
За счет того,что в период передачи результатов запроса системному устройству опять же используется кэш,а память в это время «отдыхает», значительно снижается ее энергопотребление (в среднем на треть).
Сравнение производительности модулей VCM SDRAM и обычной памяти SDRAM на частоте системной шины 133 МГц показывает преимущество первых на реальных задачах в 10-30%. Причем модули VCM SDRAM полностью совместимы с обычными модулями DIMM. За счет использования SPD модули VCM SDRAM легко распознаются BIOS системной платы. Дополнительным преимуществом новой технологии является ее независимость от типа используемой памяти,поэтому она может быть встроена и в модули DDR SDRAM, и в SLDRAM, и в другие современные архитектуры. С развитием памяти DDR и DDR2 преимущества VCM SDRAM потеряли привлекательность.
Память ESDRAM. Enhanced SDRAM (ESDRAM - улучшенная SDRAM)
является более быстрым вариантом архитектуры SDRAM. С точки зрения времени доступа,производительность ESDRAM примерно в два раза выше. В большинстве приложений,благодаря более быстрому времени доступа к основному массиву памяти и наличию кэша,ESDRAM обеспечивает даже большую производительность,чем DDR SDRAM, по крайней мере,на частоте системной шины 100 МГц. Высокая скорость работы ESDRAM достигается за счет дополнительных функций, которые используются в архитектуре этой памяти. ESDRAM имеет блок кэш-регистров (выполнены на памяти типа SRAM), в которых хранятся данные,к которым уже было обращение. Доступ к данным в строке кэша осуществляется быстрее,чем к ячейкам SDRAM, так как не требует обращаться к данным в строке через адресацию в основном блоке памяти. При этом скорость передачи данных из ячеек также увеличена и составляет 22 нс. Память ESDRAM полностью совместима со стандартными модулями SDRAM на уровне компонентов по количест-
ву контактов и функциям. Однако на системной плате требуется наличие контроллера, поддерживающего функции ESDRAM, а подобных чипсетов практически не выпускалось.
Память FCRAM. Fast Cycle Random Access Memory (FCRAM - ОЗУ с быстрым циклом). Разработчик этой архитектуры компания Fujitsu положила в основу принципиально иную концепцию по сравнению с DRAM. Время выполнения цикла составляет всего 20 нс. Это достигнуто благодаря
65
двум принципиальным новшествам. Во-первых,в отличие от обычных чипов памяти,где сначала выясняется адрес строки (RAS), а потом,после некоторой задержки,адрес столбца (CAS), где находится нужная ячейка,в FCRAM мгновенно выясняются обе координаты. Во-вторых,в памяти типа DRAM время выполнения цикла увеличивается из-за того,что после выполнения каждой операции с ячейкой должна пройти команда сброса. В FCRAM встроена цепь автоматического сброса,благодаря чему возможна конвейерная обработка команд,где следующая команда начинает выполняться еще до завершения предыдущей. В результате получился очень интересный гибрид. По скорости работы FCRAM близка к SRAM, а по объему не отличается от модулей SDRAM. В настоящее время системные наборы материнских плат с поддержкой FCRAM не выпускаются.
Память DR DRAM. Технология Direct Rambus DRAM предусматривает совершенно новый подход к построению архитектуры подсистемы памяти. Во-первых,разработан специальный интерфейс Rambus для подключения модулей памяти к контроллеру. Во-вторых, модули памяти соединены с контроллером специальными каналами с шириной шины данных 18 (16+2) бит и шины управления 8 бит. В третьих,разработаны новые модули памяти
RIMM.
Каждый канал Rambus способен поддерживать до 32 банков и теоретически может работать на частоте до 800 МГц. Рабочая частота канала задается собственным генератором подсистемы памяти. Таким образом, часть подсистемы памяти работает независимо от тактовых частот остальных компонентов материнской платы. К контроллеру можно подключить несколько каналов Rambus. Сам контроллер работает на частоте до 266 МГц,которая определяется частотой системной шины. Тактовая частота DR DRAM составляетдо 800 МГц,однако данные передаются по обоим фронтам сигнала,поэтому можно считать,что скорость обмена удвоена и достигает 1600 МГц. Если к контроллеру подключены два канала,теоретически пиковая пропускная способность достигает 6,4 Гбайт/с. Но этот показатель достижим только в теории и для огромных массивов данных.
На практике начинают проявляться недостатки технологии Rambus связанные с ее архитектурой. Например,если операция записи данны: должна следовать за операцией чтения,контроллер вынужден генерировать задержку, величина которой зависит от физической длины проводников канала
Rambus. Если канал короткий,задержка составит всей один такт (на частоте 400 МГц около 2,5 нс). В худшем случае,при мак симально длинном канале, величина задержки достигает 12,5 нс. К этому следует прибавить задержки, генерируемые в самих циклах чтения/записи,поэтому общий итог выглядит уже не столь радужно даже в сравне нии с модулями SDRAM.
Микросхемы памяти на модулях RIMM вынуждено закрыты защитным кожухом из-за проблем с электромагнитной индукцией и интенсивным
66
тепловыделением. Rambus рекомендует накрывать группу разъемси RIMM на материнской плате специальной конструкцией, призванной обеспечить правильное направление обтекающих потоков воздуха.Фирма Intel сделала надлежащие выводы изопыта эксплуатации первых систем с памятью Rambus DRAM и практически свернула использование этой памяти в настольных системах.
Перспективная память
Память FB-DIMM. Важным этапом в развитии технологий оперативной памяти стало постепенное внедрение технологии FB-DIMM (fully buffered DIMM или «полностью буферизованная память») в платформах Intel. Если говорить точно,речь идет о варианте перехода к последовательному интерфейсу между контроллером памяти и чипами памяти.
Технология FB-DIMM использует установленный на модуле памяти специальный буфер (хаб), в котором хранятся и команды,и данные. Этот, хаб распределяет обращения к каждому из чипов памяти таким образом, что одновременно могут обрабатываться два запроса. Поэтому предельную пропускную способность шины «чипсет – модуль памяти» можно увеличить минимум в два раза,а так же поднять верхний предел использования модулей паияти до 8 на канал.
Таким образом, на первом этапе платформа Intel будет сочетать параллельную системную шину и шину памяти FB-DIMM, где происходит двойное преобразование формата данных. Очевидно,что следующим шагом станет комбинация последовательной системной шины и модулей FB-DIMM. Конечной целью является использование последовательной системной шины
и последовательного типа памяти Serial DIMM.
Память FeRAM. Ферроэлектрическая память - Ferroelectric RAM (FeRAM) является энергонезависимой (аналогично флэш-памяти), что обеспечивает хранение данных без использования источников энергии (научное название - сегнетоэлектрическая энергонезависимая память с произвольным доступом к ячейкам). Известно четыре варианта архитектуры ячеек памяти FeRAM: однотранзисторная ячейка IT FeRAM, одноконденсаторная ячейка IС FeRAM, наиболее распространенная транзисторно-конденсаторная ячейка IT-IС FeRAM и наиболее стабильная из всех вышеперечисленных двойная ячейка 2Т-2С FeRAM. Разработчики считают,что к 2010 г. память FeRAM вытеснит все остальные типы оперативной памяти.
Память MRAM. Архитектура памяти типа MRAM {Magnetic RAM - магниторезистивное ОЗУ) разработана компаниями Toshiba, Infenion и IBM. Выпущенные образцы ядра памяти продемонстрировали выдающиеся скоростные качества — цикл чтения занял всего 6 нc.
Технология хранения информации в чипе MRAM заключается в раз-
67
мещении ячейки памяти,содержащей молекулы платины и кобальта,между двумя магнитопроводящими слоями. Запись и чтение происходят путем изменения магнитного поля (спина) в управляющих слоях. То есть для хранения бита информации используется не электрический заряд,а магнитное состояние. Принцип действия новой технологии основан на особенностях так называемых спиновых характеристик электрона. Спин каждой частицы ведетсебя как крохотный магнитс северным и южным полюсами. Существуют спины с поляризацией (направлением) «вверх» и «вниз». У многих металлов поляризация спина их электронов в среднем нулевая: одна половина частиц направлена «вверх», а другая «вниз». У магнита поляризация спина достигает 40 процентов: 40 процентов электронов поляризованы иначе,чем остальные шестьдесят. Полностью контролируя поляризацию спина материала и применяя так называемый магнитно-туннельный переход,можно управлять электронами и хранить состояние частиц после выключения устройства из электросети. Данное свойство магниторезистивной памяти позволит,в частности,практически мгновенно загружать компьютеры.
Спецификация оперативной памяти
Спецификация памяти менялась при смене поколения и типов элементов памяти. При использовании синхронной памяти SDRAM указывалась частота работы памяти,например PC100, устанавливает набор требований к модулям памяти SDRAM для гарантированного обеспечения их работы на частоте 100 МГц. При появлении DDR SDRAM понятие частоты работы памяти перестало быть основным показателем ее быстродействия,так ка данные пересылались по положительному и отрицательному фронту,а при
DDR2 - 4 пакета данных за такт. В результате производители стали указывать пиковую пропускную способность шины памяти (Мб/с), например,для памяти DDR SDRAM: РС1600, РС2100, РС2700, РС3200, а для DDR2 - 3,2
Гбайт/с; 4,2 Гбайт/с и 5,3 Гбайт/с.
Маркировка микросхем и модулей оперативной памяти
Корпус микросхемы или модуль памяти всегда имеют специальные обозначения,включающие наименование или знак фирмы-изготовителя,дату выпуска и т. д. Наибольший интерес представляет информация о емкости
модуля,времени выборки и прочие технические параметры. Обычно информация о микросхеме состоит из трех полей: префикса,корня и суффикса. Префикс можетсодержать тип отбраковки при изготовлении микросхемы. В поле корня одна из цифр обычно указывает на то,что это микросхема ОЗУ, следующая за ней,как правило,характеризует количество информационных разрядов. Группа цифр,следующая за ней,обозначает емкость в килобитах каждого информационного разряда. В поле суффикса можетприсутствовать
68
буква,обозначающая тип корпуса,а далее через дефис — время выборки
внаносекундах. Таким образом,обозначение МК44256Р-80 указывает на то,что это микросхема ОЗУ емкостью 4 разряда по 256 Кбит каждый,в пластмассовом корпусе,с временем выборки 80 нс. В некоторых случаях форма записи параметров может отличаться от приведенных,но зная,какие именно параметры должны присутствовать в маркировке микросхемы,в ней
впринципе можно разобраться.
Маркировка модулей памяти тесно связана с особенностями их производства и тестирования. Все произведенные чипы в зависимости от применяемой технологии и результатов тестов делятся на три класса: А,В
69
и С - в порядке понижения результатов.
Микросхемы класса А гарантированно работают в соответствии с заявленными характеристиками и имеют существенный запас по параметрам. То есть,в принципе они могут работать и на более высоких тактовых частотах,не теряя производительности. Кроме того,могут быть выставлены задержки доступа меньше стандартных.
Микросхемы класса В гарантированно отвечаютзаданным параметрам, но имеют меньший «запас прочности».
Микросхемы класса С могут обеспечить работу с заявленными показателями,но иногда способны выдавать ошибки,поэтому их рекомендуют использовать в менее ответственной, чем компьютеры, технике (бытовые приборы и пр.).
Фирмы-поставищики модулей памяти можно разделить на несколько групп,например такие,которые обладают полным производственным циклом:
отметим Samsung, Hynix (Hyundai), Fujitsu, LG Semiconductor, NEC, Infineon;
компании,занимающихся сборкой модулей изготовых микросхем,отличают-
ся качественной продукцией: Viking, Transcend JetRam, Corsair, Crucial, Simple Technology, Kingston, Kingmax, TwinMOS; и менее качественные сборщики: Mtec, NCP, Winbond.
1.3.3. Кэш-память
Функционально кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств,таких,на пример,как динамическая память,с относительно быстрым микропроцессором. Быстродействие
ячеек кэш-памяти существенно выше, нежели элементов динамической памяти. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе,которые снижают производительность всей системы. Кэш-память используется в таких устройствах,как модуль оперативной памяти,различные накопители (винчестер,CD, DVD накопители и др.), и,в первую очередь, цетральный процессор. Кэш-память процессора является самой сложной по организации и функционированию,поэтому в дальнейшем рассматривается именно она.
70