Учебники 80389

(DRAM - Dynamic Random Acсess Memory), где в качестве запоминающего элемента (ЗЭ) используется простейшая сборка, состоящая из одного транзистора и одного конденсатора. Основными причинами широкого применения этой памяти является высокая плотность интеграции (увеличение числа ЗЭ на чип и сокращение числа чипов, необходимых для одного модуля), малое потребление энергии (тратится минимум энергии на хранение одного бита, уменьшается потребляемая системой мощность, снижается стоимость) и т. д. Но имеются и недостатки: каждый ЗЭ представляет, по сути дела, разряжаемый со временем конденсатор, поэтому чтобы предотвратить потерю хранящейся в конденсаторах информации, микросхема RAM постоянно должна регенерироваться.

Имеется другой вид памяти, который лишен этого недостатка. Эта память называется статической (Static RAM - SRAM), где в качестве ЗЭ используется так называемый статический триггер (состоящий из 4-6 транзисторов). Из-за сложности ЗЭ плотность упаковки микросхем SRAM меньше, чем для DRAM. Следовательно, если бы SRAM устанавливалась в качестве оперативной памяти, то это привело бы к увеличению быстродействия ПК, однако при этом существенно изменилась бы его стоимость, поскольку стоимость микросхемы SRAM значительно выше стоимости DRAM. Для повышения быстродействия в настоящее время применяются различные архитек- турно-логические решения. Сейчас имеется множество различных типов памяти, отличающихся друг от друга своими основными характеристиками.

Основная память соединяется с процессором посредством адресной шины и шины данных. Каждая шина состоит из множества электрических цепей (линий или бит). Ширина (разрядность) адресной шины определяет, сколько адресов может быть в ОЗУ (адресное пространство), а шины данных - сколько данных может быть передано за один цикл.

Каждая передача данных между процессором и памятью называется циклом шины. Количество бит, которое процессор может передать за один цикл шины, влияет на производительность компьютера и определяет, какой тип памяти требуется.

Для описания характеристик быстродействия оперативной памяти применяются так называемые циклы чтения/записи (или временные схемы пакета). Дело в том, что при обращении к памяти на считывание или запись первого машинного слова расходуется больше тактов, чем на обращение к трем последующим словам. Так, для асинхронной SRAM чтение одного слова выполняется за 3 такта, запись - за 4 такта, чтение нескольких слов определяется последовательностью 3-2-2-2 такта, (что означает, что чтение 1-го элемента данных занимает 3 такта ЦП, включая 2 такта ожидания, а чтение последующих - по 2 временных такта), а запись - 4-3-3-3.

5.2. Динамическая память

Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а также как память для

101

видеоадаптера. Из применяемых в современных и перспективных ПК типов динамической памяти наиболее известны DRAM и FPM DRAM, EDO DRAM

и BEDO DRAM, EDRAM и CDRAM, Synchronous DRAM, DDR SDRAM и SLDRAM, видеопамять MDRAM, VRAM, WRAM и SGRAM, RDRAM и не-

которые другие(табл. 5.1).

Таблица 5.1. Некоторые характеристики различных типов динамической памяти

Микросхема памяти этого типа представляет собой прямоугольный массив ячеек со вспомогательными логическими схемами, которые используются для чтения или записи данных, а также цепей регенерации, поддерживающих целостность данных. Массивы памяти организованы в строки (raw) и столбцы (column), ячеек памяти, именуемые соответственно линиями слов (wordlines) и линиями бит (bitlines). Специальный вход «Выбор кристалла» позволяет запретить запись и чтение, а также служит для увеличения адресов в памяти. Каждая ячейка памяти имеет уникальное размещение, задаваемое пересечением строки и столбца. Цепи, поддерживающие работу памяти (рис. 5.4), включают:

•усилители, считывающие сигнал, обнаруженный в ячейке памяти;

•схемы адресации для выбора строк и столбцов;

102

•схемы выбора адреса строки (Row address select - /RAS) и столбца (Column address select - /CAS), чтобы открывать и закрывать адреса строк и столбцов, а также начинать и заканчивать операции чтения и записи;

•цепи записи и чтения информации;

•внутренние счетчики или регистры, следящие за циклами регенерации данных;

•схемы разрешения вывода (Output enable - ОЕ).

Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Конденсатор управляет транзистором. Если транзистор открыт и ток идет, это означает «1», если закрыт - «0». С течением времени конденсатор разряжается, и его заряд нужно периодически восстанавливать. Между периодами доступа к памяти посылается электрический ток, обновляющий заряд на конденсаторах для поддержания целостности данных (вот почему данный тип памяти называется динамическим ОЗУ). Этот процесс называется регенерацией памяти. Интервал регенерации измеряется в наносекундах (нс) и это число отражает «скорость» ОЗУ. Большинство ПК на основе процессоров Pentium используют скорость 60 или 70 нс. Процесс регенерации снижает скорость доступа к данным, поэтому доступ к DRAM обычно осуществляется через кэш-память. Однако когда быстродействие процессоров превысило 200 МГц, кэширование перестало существенно влиять на присущую DRAM низкую скорость и возникла необходимость использования других технологий ОЗУ.

Рассмотрим модификации систем динамической оперативной памяти. FPM DRAM (Fast page mode DRAM) - представляет собой стандартный тип памяти, быстродействие которой составляет 60 или 70 нс. Система управления памятью в процессе считывания активирует адреса строк, столбцов, осуществляет проверку данных и передачу информации в систему. Столбцы после этого деактивируются, что приводит к нежелательному состоянию ожидания процессора в некоторых сочетаниях операций с памятью. В наилучшем случае данный режим реализует временную схему

пакета вида 5-3-3-3.

EDO RAM (RAM с расширенным выходом). Обращение на чтение осуществляется таким же образом, как и в FPM, за исключением того, что высокий уровень /CAS не сбрасывает выходные данные, а использование триггера позволяет сохранять данные до тех пор, пока уровень CAS снова не станет низким. Тем самым не происходит сброса адреса столбцов перед началом следующей операции с памятью.

Теоретически быстродействие памяти на 27 % выше, чем для FPM DRAM. Наибольшая скорость EDO RAM в циклах процессора - это 5-2-2-2 для пакета чтения из четырех величин (байт/слово/двойное слово). Память выпускается в трех вариантах - 70, 60 и 50 нс. EDO RAM не может работать при частоте шины, превышающей 66 МГц.

103

BEDO RAM (Burst extended data out DRAM - пакетная с расширенным выходом), как это видно из названия, читает данные в виде пакета, что означает, что после получения адреса каждая из следующих трех единиц информации читается за один цикл таймера, а процессор считывает данные в виде пакета 5-1-1-1. Быстродействие системы на 100 % превосходит FPM и на 50 % - EDO DRAM.

Обращение к BEDO на чтение имеет два отличия от доступа к EDO. Первое из них - это то, что в первом цикле /CAS данные не попадают на выходы. Преимущество такого внутреннего конвейерного звена состоит в том, что во втором цикле время появления данных после выдачи переднего фронта /CAS будет меньше. Другое отличие состоит в том, что системы ВEDO содержат внутренний счетчик адреса, т. е. они получают извне только первый из четырех последовательных адресов. Первый цикл /CAS, загружающий внутреннее конвейерное, звено, не приводит к задержке при получении первого элемента данных.

Основным недостатком BEDO RAM является также невозможность работы на частоте шины, превышающей 66 МГц.

SDRAM (Synchronous DRAM - синхронная динамическая память). Этот тип памяти существенно отличается от других тем, что использует тот факт, что большинство обращений к памяти являются последовательными и спроектирован так, чтобы передать все биты пакета данных как можно быстрее (когда начинается передача пакета, все последующие биты поступают с интервалом 10 нс). SDRAM содержит в своем составе счетчик пакетов, который автоматически увеличивает адреса и обеспечивает быструю последовательную выборку. Контроллер памяти обеспечивает локализацию требуемого блока памяти с максимальной скоростью (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Организация SDRAM

104

Данная система памяти может превосходить по быстродействию EDO RAM на18 %.

Как видно из названия, этот тип памяти обеспечивает синхронизацию всех входных и выходных сигналов с системным таймером. Наибольшая скорость SDRAM в циклах процессора - это 5-1-1-1 для пакета чтения четырех единиц информации (байт/ слово/двойное слово), что делает ее такой же быстродействующей, как и BEDO RAM; однако самое большое достоинство SDRAM - то, чтооналегкоподдерживает частотушиныдо100 МГц.

SDRAM PC100. Для материнских плат, поддерживающих внешние частоты в 100 МГц и выше, необходима память (SDRAM), которая сможет нормально и без сбоев работать с такими частотами, обеспечивая оптимальную скорость. Такие модули памяти должны иметь время доступа не более 8 нс, но самого быстродействия как такового недостаточно. Память, способная устойчиво работать на внешних частотах 100 МГц и выше, должна удовлетворять специальномустандартуPC 100.

SDRAM РС133 - память, соответствующая стандарту PC 133. Спецификация PC 133 SDRAM DIMM разработана группой компаний VIA Technologies, IBM Microelectronics, Micron Semiconductor Products, NEC Electronics, Samsung Semiconductor (Revision 0.4, 7 июня 1999 г.). Было уста-

новлено, что память будет совместима с более ранними технологиями, стоить дешевле, хотя и не сможет работать на частотах выше 133 МГц. Память РС133 - этолучшиеобразцыпамятистандартаРС100, ускоренныедо133 МГц.

СпецификацияРС133 почтиничемнеотличаетсяотPC 100 (табл. 5.2). Требования к конструктивному исполнению были заложены в спецификацию РС100 с большим запасом, поэтому в их изменении не было необходимости. Пиковая пропускная способность РС133 SDRAM приблизительно равна 1 Гбайт/с и средняя пропускная способность около 250 Мбайт/с, что соответствует пропускной способности AGP 4-х (1 Гбайт/с - пиковая и 200 Мбайт/с - средняя). Пиковая пропускная способность РС100 SDRAM прибли-

зительно800 Мбайт/с, чтоменьше, чемупортаAGP 4-х.

Таблица 5.2. Сравнительные характеристики стандартов РС100 и РС133

DDR SDRAM (SDRAM II). Это еще один тип конкурирующих технологий. Традиционно, по логике устройств с синхронизацией, данные передаются по фронту импульса синхронизации (clock tick). Так как сигнал генератора импульсов изменяется между «1» и «0», данные могут передаваться как по переднему фронту импульса (изменение с «0» на «1»), так и по

105

заднему (с «1» на «0»).

Следующим шагом в развитии Synchronous DRAM (SDRAM) может стать предложенная компанией Samsung DDR (Double Data Rate) SDRAM или SDRAM II, в которой передача данных осуществляется по обоим фронтам тактовых импульсов одновременно, чем достигается удвоение скорости передачи при той же тактовой частоте. DDR позволяет выполнить две операции доступа к данным из двух разных модулей, находящихся в одном банке памяти, за время одного обращения стандартной SDRAM благодаря более точной внутренней синхронизации. Это есть дальнейшее развитие принципа чередованияданныхдляувеличенияскоростидоступакним.

Кроме того, DDR использует DLL (delay-locked loop - цикл с фиксированной задержкой) для выдачи сигнала DataStrobe, означающего доступность данных на выходных контактах. Используя один сигнал DataStrobe на каждые 16 выводов, контроллер может осуществлять доступ к данным более точно и синхронизировать входящие данные, поступающие из разных модулей, находящихся в одном банке. DDR фактически увеличивает скорость доступа вдвое по сравнению с SDRAM, используя при этом ту же частоту;

В случае с 64-битовой шиной - это два 8-байтных пакета, 16 байт за такт. Или в случае с шиной на 133 МГц - не 1064, а 2128 Мбайт/с.

Цена, энергопотребление и площадь микросхемы DDR отличаются не более чем на несколько процентов от соответствующих DRAM. Следует отметить, что первые чипы DDR использовали производители видеокарт GeForce 256. Производительность карт на системах с мощным центральным процессором при использовании приложений, оказывающих заметную нагрузку именнонашинупамяти(например, 32-битцвет), возрастаетв1,5 раза.

DDR-II SDRAM. К числу основных отличий технологии DDR-II от предыдущего варианта (DDR-I) относится то, что в ней размер выборки данных увеличен вдвое с 2 до 4 бит, а значит, во столько же раз возрастает и скорость передачи данных. Например, при 100 МГц она составит 400 Мбайт/с. Кроме этого, в DDR-II используют новую схему синхронизации.

Также память DDR-II отличается от DDR-I более низким напряжением питания 1,8 вместо 2,5 В. Изменена схема компоновки, как на уровне отдельных микросхем, так и на уровне модулей.

SLDRAM (Synchronous linked DRAM). Этот тип устройств разработан консорциумом крупнейших производителей модулей памяти — SLDRAM Consortium. Применение SLDRAM экономически выгодно при объеме ОЗУ не менее 256 Мбайт. Этот тип памяти включает основные прогрессивные технологии, заложенные в его предшественниках — SDRAM и DDR RAM. Повышение производительности достигается за счет распространения пакетного протокола передачи данных на сигналы управления (отчего и пошло название этого типа памяти — Linked SDRAM). В SLDRAM адреса, команды, а также сигналы управления передаются в пакетном режиме по однонаправленной шине Command Link.

Одновременно с ними по другой, двунаправленной шине Data

106

Link, и тоже в пакетном режиме передаются данные, причем передача происходит на обоих фронтах тактовых импульсов, как и в случае с DDR SDRAM. Величина всего пакета данных может равняться целой странице (строке памяти). Поскольку пропускная способность обеих шин (команд и данных) одинакова, можно переключаться на любую страницу памяти без потери производительности.

По сравнению со SDRAM набор команд у SLDRAM значительно увеличен, что очень облегчает работу контроллера. Команда представляет собой четыре 10-битных пакета и содержит всю информацию для проведения операций. Максимальная достижимая SLDRAM скорость передачи превышает 1 Гбайт/с на каждый разряд при частоте 400 МГц.

ESDRAM (Enhanced SDRAM — улучшенная SDRAM) — более бы-

страя версия SDRAM, сделанная в соответствии со стандартом JEDEC компанией Enhanced Memory Systems (EMS). С точки зрения времени доступа производительность ESDRAM в 2 раза выше по сравнению со стандартной SDRAM. В большинстве приложений ESDRAM, благодаря более быстрому времени доступа к массиву SDRAM и наличию кэша, обеспечивает даже большую производительность, чем DDR SDRAM.

Сначала появился EDRAM (с асинхронным интерфейсом), а затем с появлением SDRAM был разработан ESDRAM (с синхронным). Основными отличиями являются более быстрое время доступа (27 нс вместо стандартных 60 нс); производительность, повышенная почти до уровня статического ОЗУ, по ценединамического; кэш-память, связанная скаждымбанкомпамяти; скрытая регенерация; гибкое использование кэш-памяти для обеспечения максимальнойпроизводительностиприразличныхтипахобращений.

Принцип работы ESDRAM в том, что из динамической в кэш-память целиком переносится вся строка, в которой находится считываемая ячейка. После этого считывание производится уже из кэш-памяти, а в основной памяти в это время можно выбирать нужную строку или производить регенерацию. Перенос почти не сказывается на быстродействии, поскольку длится один такт.

ESDRAM может работать в режиме «упреждающего обращения» к массиву SDRAM, в результате следующий цикл записи или чтения может начаться в момент, когда выполнение текущего цикла не завершено. Возможность использовать такой режим напрямую зависит от центрального процессора, управляющего работой конвейера адресации.

Операция записи, в отличие от чтения, происходит в обход кэшпамяти, что увеличивает производительность ESDRAM при возобновлении чтения из ранее уже загруженной в кэш строки. При этом скорость работы ячеек ESDRAM составляет 22 нс в отличие от стандартной скорости работы ячеек, SDRAM, имеющей значения 50-60 нс.

Недостаток ESDRAM - усложнение контроллера: он должен учитывать возможность подготовки к чтению новой строки памяти. Кроме того, при произвольных адресах чтения кэш-память используется крайне неэффективно, поскольку чтение строки памяти целиком происходит очень

107

редко. Этого недостатка нет у другого типа памяти — CDRAM.

CDRAM (Cached DRAM — DRAM с кэш-памятью). Этот тип ОЗУ разработан в корпорации Mitsubishi и представляет собой улучшенный вариант ESDRAM. Изменения коснулись кэш-памяти - ее объема, принципа размещения данных, средств доступа. Cached DRAM имеет раздельные адресные линии для статического кэша и динамического ядра памяти. Необходимость управлять разнородными типами памяти усложняет контроллер, однако эффективность кэш-памяти, размещенной «внутри» микросхемы, выше, чем при традиционной архитектуре ПК, так как перенос в кэш осуществляется блоками, в восемь раз большими, чем при выдаче «наружу» из микросхемы обычной DRAM.

Direct Rambus (DRDRAM). Обычная архитектура DRAM достигает своего практического потолка при частоте ЦП в 300 МГц. Появление концепции Direct Rambus DRAM (1999 г.) дает долговременное решение этой проблемы.

DRDRAM — высокоскоростная динамическая память с произвольным доступом, разработанная Rambus Inc. Она обеспечивает высокую пропускную способность по сравнению с большинством других DRAM. Direct Rambus DRAMs представляет интегрированную на системном уровне технологию.

Основные отличия от памяти предыдущих поколений: увеличение тактовой частоты за счет сокращения разрядности шины; одновременная передача номеров строки и столба ячейки; увеличение количества банков для усиления параллелизма;

Повышение тактовой частоты вызывает резкое усиление всевозможных помех и в первую очередь электромагнитной интерференции, интенсивность которой в общем случае пропорциональна квадрату частоты, а на частотах свыше 350 мегагерц вообще приближается к кубической. Это обстоятельство налагает чрезвычайно жесткие ограничения на топологию и качество изготовления печатных плат модулей микросхемы, что значительно усложняет технологию производства и себестоимость памяти. С другой стороны, уровень помех можно значительно понизить, если сократить количество проводников, т.е. уменьшить разрядность микросхемы. Именно по такому пути компания Rambus и пошла, компенсировав увеличение частоты до 400 MHz (с учетом технологии DDR эффективная частота составляет 800 MHz) уменьшением разрядности шины данных до 16 бит (плюс два бита на ECC). Таким образом, Direct RDRAM в четыре раза обгоняет DDR-1600 по частоте, но во столько же разотстаетотнеев разрядности! АотDDR-2100, Direct RDRAM дажеотстает, притом, чтосебестоимостьDDR заметнодешевле!

Конструктивной особенностью является одновременная передача номеров строки и столбца ячейки. Из спецификации RDRAM следует, что время доступа составляет 38,75 нс. (для сравнения время доступа 100 MHz SDRAM составляет 40 нс.). Производительность памяти реально ощущается лишь при обработке гигантских объемов данных, например редактировании изображенийполиграфическогокачествавPhotoShop.

108

Таким образом, использование RDRAM в домашних и офисных компьютеров, не оправдано. Целесообразно использовать для высокопроизводительныхрабочихстанций

VCM (Virtual Channel Memory) — разработанная NEC и Siemens тех-

нология, позволяющая оптимизировать доступ к оперативной памяти нескольких процессов (запись данных центральным процессором, перенос содержимого оперативной памяти на жесткий диск, обращения графического процессора и т. п.) таким образом, что переключение между процессами не приводит к падению производительности. В отличие от традиционной схемы, когда все процессы делят одну и ту же шину ввода-вывода, в технологии VCM каждый из них использует «виртуальную» шину. Организованное на уровне чипа взаимодействие «виртуальных» и реальной шины позволяет достичь прироста производительности системы до 25 %. Схема VCM может быть реализована в рамках уже существующей технологии.

Фирма определила новый протокол и схемные решения, разрешающие подсистемам, обращающимся к памяти, управлять виртуальными каналами (VC) - независимыми интерфейсными блоками DRAM. Любой прибор, скажем, L2-контроллер или графический процессор, должен иметь свой виртуальный канал. Каждый канал содержит статический буфер страниц. Прибор может читать или писать в буферы, копировать их или загружать из накопителя DRAM. Операционная система, распознающая архитектуру VCM, может назначить собственный виртуальный канал.

По данным NEC увеличение эффективности может достичь 90 %, а по тестам VCM133 SDRAM превосходит РС133 на 10-30 %. Это включает уменьшившиеся задержки, и более высокую пропускную способность, и уменьшение энергопотребления (примерно на те же 30 %) за счет того, что в тот момент, когда происходит передача результатов запроса системному устройству, вся фоновая активность по другую сторону виртуального канала может быть приостановлена.

Active Link — разработка NEC, которая использует в DRAM архивацию (сжатие информации). Чтобы не загружать этой работой процессор, функции компрессии/декомпрессии данных возлагаются на микросхемы DRAM. В результате несколько расширилось обрамление кристалла, но получен двойной выигрыш - нужна меньшая по количеству ячеек микросхема DRAM, и доступ к информации происходит быстрее, чем обычно. Поскольку все больше информации в компьютерах имеет мультимедийную природу, то может быть выбран соответствующий алгоритм компрессии. Процессор будет иметь возможность управлять DRAM (например, для выбора алгоритма компрессии) не только обычным образом (через контроллер памяти), но и непосредственно. По сведениям NEC, видеоданные сжимаются в чипе ActiveLink в 4 раза.

IRAM (Intellectual Random Access Memory). Главная идея технологии

IRAM заключается в размещении процессора и DRAM в одном чипе. Это дает возможность считывания и записи данных длинными словами (в пределах 12816 384 бит), обеспечиваявысокуюпропускнуюспособностьпамяти. Раньшеэто

109

было невозможно - все упиралось в неприемлемо большое число выводов микросхемы. Средняя скорость RAC/CAS равна приблизительно 10-30 нс для мо- дулейемкостью64-256 МбайтIRAM. Приэтомснижаетсяэнергопотреблениеи уменьшаетсяместо, занимаемоемикросхемамипамяти.

Магнитная оперативная память. Следует отметить, что первые образцы ОЗУ были построены на магнитных ферритовых сердечниках, которые пронизывали адресные и информационные шины (провода). Емкость таких ЗУ обычно не превосходила 64 Кбайт. В последующем длительный период времени устройства ОЗУ выполнялись на кремниевых полупроводниковых элементах.

В 2000 г. IBM и немецкая фирма по производству полупроводников Infineon Technologies AG объявили программу разработки MRAM (Magnetic Random Access Memory). Принцип организации элементов памяти - магнитная среда, заключенная между металлическими пленками, образующими линии записи и чтения данных (рис. 5.6)

Рис. 5.6. Принцип функционирования MRAM:

а – запись данных; б - считывание

Преимущества технологии - высокая емкость и скорость, низкая стоимость, возможность применения как в форме статической, так и динамической памяти, более низкое энергопотребление.

5.3. Статическая память

Статическая память (SRAM) обычно применяется в качестве кэшпамяти второго уровня (L2) для кэширования основного объема ОЗУ. Статическая память выполняется обычно на основе ТТЛ, КМОП или БиКМОП микросхем и по способу доступа к данным может быть как асинхронной, так и синхронной. Асинхронным называется доступ к данным, который можно осуществлять в произвольный момент времени. Асинхронная SRAM применялась на материнских платах для третьего - пятого поколений процессоров. Время доступа к ячейкам такой памяти составляло от 15 нс (33 МГц) до 8 нс (66 МГц).

В настоящее время на одном кристалле скомпонованы матрица запоминающих элементов, вспомогательные схемы управления, включая дешифраторы. Кроме того, имеется специальный вход «Выбор кристалла», по которому можно запретить запись и чтение. Типичная структура стати-

110