DDR SDRAM: удвоение скорости

Андрей Борзенко

Эксперты из корпорации Dataquest полагают, что в 2001 г. объем продаж микросхем памяти достигнет 220 млрд. долл., - это по сравнению со 153 млрд. в 1999-м и около 190 млрд. в 2000 г. По прогнозам компании Semico Research (http://www.semico.com), занимающейся исследованиями и анализом рынка полупроводниковых устройств, в 2001 г. доля памяти типа SDRAM (Synchronous DRAM) снизится до 74,6%, DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) вырастет до 17%, а RDRAM (Rambus DRAM) упадет до 2,5%. Другие аналитики дают еще более оптимистичный прогноз для DDR SDRAM, доля которой на рынке динамической памяти в следующем году должна вырасти до 25%. Так что ожидаемой войны стандартов памяти скорее всего не будет. В недалеком будущем DDR SDRAM станет не только основным решением для настольных ПК и серверов, но и проникнет на рынок мобильных устройств.

Технологии динамической памяти

По мере дальнейшего увеличения быстродействия микропроцессоров эффективное быстродействие элементов памяти становится узким местом компьютерных систем. Если частоты микропроцессоров давно превысили частоты системной шины, то шина памяти до самого последнего времени работала синхронно с последней. Значения этих частот явно указывались в спецификации на типы синхронной динамической памяти SDRAM: PC66, затем PC100 и наконец PC133. Однако в то время как частота шины памяти увеличилась на треть и соответственно на столько же возросла ее пропускная способность (с 800 Мб/с до 1064 Мб/с), частоты микропроцессоров повысились в два с половиной раза - с 400 МГц до 1 ГГц. Действительно, если пропускная способность PC133 SDRAM составляет лишь 1064 Мб/с, то современным ПК требуется вдвое большая полоса пропускания (1 Гб/с для микропроцессора с частотой системной шины 133 МГц, столько же для графической шины AGP 4x и 132 Мб/с для 33 МГц шины PCI, что в сумме составляет более 2 Гб/с).

Системная плата на базе набора AMD 760
с микропроцессором Athlon и памятью DDR SDRAM

Однако дальнейшее повышение тактовой частоты для микросхем SDRAM было неперспективным. Уже с тактовой частоты 166 МГц память SDRAM получается слишком дорогой, особенно с учетом объемов ОЗУ современных компьютеров. Требовалось найти простое технологическое решение, которое и воплотилось в DDR SDRAM. Попутно отметим, что корпорация Intel (http://www.intel.com) первоначально отнеслась к памяти SDRAM, работающей на частоте 133 МГц, отрицательно. Высшие руководители корпорации неоднократно заявляли о своей позиции по этому вопросу. Действительно, стратегические планы Intel предусматривали переход от спецификации PC100 для модулей с частотой 100 МГц к архитектуре Rambus DRAM, способной обеспечить качественный скачок в быстродействии памяти. Впервые эта технология увидела свет в 1995 г. в графических рабочих станциях. Ее ключевыми элементами являются ячейки Rambus, схема соединения микросхем (Rambus Channel) и модули памяти Rambus. В 1996 г. консорциум RDRAM получил поддержку со стороны корпорации Intel.

Практически одновременно, в начале осени 1998 г., три крупнейшие японские компании - производители микросхем памяти: Fujitsu (http://www.fujitsu.com), Hitachi (http://www.hitachi.com), Mitsubishi (http://www.mitsubishi.com) - анонсировали 64-мегабитные микросхемы DDR SDRAM. Первое время подобные устройства часто называли SDRAM II, поскольку они являются следующим поколением существующих микросхем синхронной памяти SDRAM и основаны примерно на тех же принципах. В свою очередь, для обычных элементов памяти SDRAM привилось название SDR (Single Data Rate).

Напомним, что микросхемы синхронной памяти используют конвейерную архитектуру и, кроме того, внутренний доступ типа "пинг-понг" к нескольким (обычно четырем) блокам памяти с чередованием адресов. Синхронизация работы SDRAM позволяет контроллеру памяти точно знать время готовности данных.

Память DDR SDRAM сохранила архитектуру, количество банков, тонкие малогабаритные корпуса типа TSOP (Thin Small-Outline Package) и сам технологический процесс производства SDRAM, однако включает некоторые схемотехнические усовершенствования, которые позволяют существенно увеличить ее быстродействие. В частности, здесь применена еще более жесткая синхронизация работы устройства. В функциональную структуру введены схемы DDL (Delay Locked Loop), обеспечивающие для сигналов стробирования данных цикл с фиксированной задержкой. Используя эти сигналы, контроллер памяти более точно осуществляет синхронизацию данных, поступающих от разных модулей памяти одного банка. Микросхемы DDR SDRAM по сравнению с SDRAM фактически увеличивают скорость доступа к данным вдвое при одной и той же частоте. Дело в том, что применение DDR SDRAM дает возможность читать информацию как по переднему, так и по заднему фронту сигнала таймера. Кроме того, частота работы повышается за счет применения интерфейсных логических схем с еще более пониженным уровнем питания. Если для SDRAM обычно используются схемотехнические решения на базе LVTTL (Low Volt Transistor-to-Transistor Logic) с напряжением питания 3,3 В, то в DDR SDRAM - на базе SSTL (Stub Series Terminated Logic) с напряжением 2,5 В (а в перспективе и SSTL-2 с напряжением 1,25 В). Емкость современных микросхем DDR SDRAM составляет 64, 128 и 256 Мб. В следующем году ожидается выпуск кристаллов, хранящих 512 Мб и 1 Гб.

Форм-фактор модулей DDR SDRAM изменился, число контактов увеличилось со 168 до 184, а иное положение ключа не позволяет вставить модули DIMM DDR в разъемы для SDRAM.

В декабре 1998 г., когда Intel уже продолжительное время поддерживала Rumbus DRAM, была одобрена открытая спецификация DDR SDRAM, не требующая от использующих ее производителей никаких лицензионных отчислений. Несколько месяцев спустя получил одобрение стандарт на 184-контактные модули DIMM, а также была закончена работа над спецификацией графической памяти DDR SGRAM. Дело в том, что первыми микросхемами DDR воспользовались фирмы - производители графических ускорителей.

Как и в случае с PC133 SDRAM, основным сторонником новой спецификации выступила корпорация VIA Technologies (http://www.via.com.tw), к тому времени четко ориентировавшаяся на архитектуры, альтернативные Rambus DRAM. Свой вклад в продвижение DDR SDRAM внесла и корпорация IBM (http://www.ibm.com), объявившая о намерении применить эту технологию ко всем своим серверам. Но IBM заинтересована не только в DDR SDRAM для серверов: ее подразделение IBM Microelectronics разрабатывает DIMM-модули памяти DDR SDRAM и для ПК. Аналитики отмечают, что элементы памяти Rambus DRAM в довольно крупных объемах использует лишь компания Dell Computer. Такие компьютерные гиганты, как Hewlett-Packard и Compaq Computer, хотя и объявили о поддержке этой технологии, применяют ее пока мало.

В отличие от спецификации Rambus DRAM, где за основу берется результирующая частота (тактовая частота, помноженная на два пакета данных за такт), например, PC600, PC700, PC800, компании, разрабатывавшие DDR SDRAM, выбрали для ее обозначения пиковую пропускную способность. Таким образом, в настоящее время существует два типа модулей памяти DDR SDRAM - PC1600 для тактовой частоты 100 МГц (8 байтx200 МГц = 1600 Мб/с) и PC2100 для 133 МГц (8 байт x 266 МГц = 2100 Мб/с). Все устройства DDR SDRAM соответствуют спецификации JEDEC (Joint Electron Devices Engineering Council, http://www.jedec.org).

На выставке Computex, которая летом этого года прошла на Тайване, представители ряда крупнейших фирм - производителей устройств памяти (в том числе Hyundai Electronics Industries, Micron Technology и Samsung Electronics) объявили о своем намерении поддерживать технологию DDR SDRAM. По мнению многих экспертов, поддержка архитектуры DDR SDRAM - вполне естественный шаг как для производителей микросхем памяти, так и для поставщиков компьютеров, поскольку в данном случае в производство достаточно внести минимальные изменения, не требующие больших затрат, а пропускная способность по сравнению с технологией SDRAM удвоится. Ожидается, что на начальном этапе микросхемы DDR SDRAM будут стоить примерно на 3-5% дороже современных микросхем, но уже скоро эти различия исчезнут. Расходы производителей системных плат возрастут приблизительно на несколько долларов за счет установки дополнительных компонентов. Между тем технология Rambus DRAM предусматривает смену всей инфраструктуры производства модулей памяти и оборудования, предназначенного для тестирования. Кроме того, производители памяти должны оплатить лицензионный сбор компании Rambus.

DDR SDRAM - это прежде всего открытый стандарт, который предоставляет существенную свободу в разработке решений под этот тип памяти. При этом печатные платы для DDR-модулей практически полностью повторяют их аналоги, используемые для SDR-модулей, а следовательно, в коренном переоборудовании производственных линий нет необходимости. В итоге это не только сэкономит время и средства, но и даст возможность осуществлять гибкое планирование производства.

До недавнего времени представители Intel активно защищали технологию Rambus, отмечая, что она обеспечивает достаточную производительность для перспективных микропроцессоров, которые будут работать на тактовой частоте 1,5 ГГц. Впрочем, уже в начале осени, по данным CNET (http://www.news.com), президент и главный исполнительный директор Intel Крейг Баррет в интервью газете Financial Times признал, что концентрация компании исключительно на Rambus DRAM является ошибкой. А поскольку Intel особенно не акцентировала внимания на Rambus DRAM на своем форуме разработчиков IDF 2000, есть все основания ожидать коренных перемен в позиции корпорации по этому вопросу.

В массовое производство DDR SDRAM уже запущена, и появления компьютеров, оснащенных этим типом памяти, в широкой продаже следует ожидать в начале будущего года. Как уже отмечалось, на сегодняшний день максимальная частота DDR SDRAM составляет 133 МГц (эффективная - 266 МГц), что обеспечивает пропускную способность шины памяти до 2,1 Гб/с. Однако это далеко не предел. В середине 2001 г. могут быть выпущены DDR SDRAM 150 МГц (эффективная частота 300 МГц) с пропускной способностью до 2400 Мб/с (PC2400), а затем, в конце того же года, фирмы-производители планируют представить DDR SDRAM 167 МГц, работающую на эффективной частоте 333 МГц и обеспечивающую пропускную способность до 2700 Мб/с (PC2700).

Стандарт модулей DIMM DDR SDRAM предполагает использование кристаллов, работающих на частотах до 200 МГц (эффективная частота 400 МГц), с пропускной способностью до 3200 Мб/с. Для более производительных решений предназначен новый стандарт памяти, называемый DDR-II, который появится не ранее 2003 г. В модулях с обновленным форм-фактором будет задействовано уже 230 контактов. Предполагается, что тактовая частота микросхем DDR-II начнется со 100 МГц, но за счет того, что за один такт будет передаваться четыре пакета данных, их пропускная способность должна сразу составить 3200 Мб/с. Следовательно, можно ожидать четырехкратного роста производительности кристаллов DDR-II при увеличении тактовой частоты (32 байта за такт): 150 МГц обеспечат пропускную способность 4800 Мб/с, а 200 МГц - 6400 Мб/с.

Новые наборы микросхем

По понятным причинам появление нового типа памяти без соответствующей поддержки в наборе микросхем мало чего стоит. Кстати, свою "ложку дегтя" в нынешнее положение Rambus DRAM внесла сама корпорация Intel, неоднократно задерживая выпуск чипсета i820 (Camino), поддерживающего эту технологию. К счастью, с DDR SDRAM все обошлось более благополучно.

Нынешней осенью корпорации AMD (http://www.amd.com) и VIA Technologies объявили о выпуске наборов микросхем, одной из отличительных особенностей которых стала поддержка DDR SDRAM. Судя по активному маркетингу, у корпорации VIA Technologies просто наполеоновские планы. По оценкам ее руководителей, она уже вплотную приблизилась к Intel, захватив около 45% рынка чипсетов, и неуклонно движется вперед. Эта корпорация вообще собирается покорять рынок, во многом сделав ставку на DDR SDRAM: в частности, ею представлены высокопроизводительные и недорогие наборы микросхем как для микропроцессоров Intel (Socket370), так и для микросхем AMD (Socket A). Причем речь идет не только о настольных системах среднего уровня, но и о серверах и рабочих станциях, а также об интегрированных мобильных решениях, массовое появление которых ожидается в IV квартале 2001 г. В настоящее время VIA Technologies уже анонсировала два чипсета с поддержкой DDR SDRAM: Apollo Pro266 (для платформ с Intel Pentium III и Celeron) и KT266 (для платформ с AMD Athlon и Duron).

Оба чипсета обладают поддержкой всех современных технологий: 133 МГц FSB, AGP 4x, ATA-100 - и обеспечивают при использовании 4 Гб DDR SDRAM 266 МГц пропускную способность шины памяти до 2,1 Гб/с. Впервые для соединения северного (VT8633) и южного (VT8233) моста VIA Technologies отказалась от шины PCI в пользу более скоростной 66-мегагерцовой шины V-Link с пропускной способностью 266 Мб/с. Напомним, что в наборах Intel начиная с i810 реализована архитектура АНА (Accelerated Hub Architecture), которая также обеспечивает полосу пропускания 266 Мб/с - в два раза больше, чем шина PCI.

В обоих чипсетах VIA Technologies, производимых с соблюдением проектных норм 0,22 мкм, применяется новая микросхема южного моста VT8233 со встроенным шестиканальным аудиокодеком AC-97, модемом MC-97 и 10/100Base-T Ethernet-контроллером.

Корпорация AMD также оказывает всяческое содействие внедрению DDR SDRAM на компьютерном рынке. Через год с небольшим после набора AMD 750 был объявлен чипсет AMD 760, поддерживающий 266-мегагерцовую системную шину и PC1600/PC2100 DDR SDRAM, а также новые процессоры AMD Athlon с частотами 1; 1,13 и 1,2 ГГц, рассчитанные на новую шину (266 МГц). Данный набор состоит из микросхемы северного моста (AMD 761), контроллер памяти которой обеспечивает работу с 4 Гб DDR SDRAM и графической шиной AGP 4x, а также кристалла южного моста (AMD 766), включающего поддержку интерфейса ATA-100 и четырех USB-портов. По своим возможностям AMD 760 во многом аналогичен чипсетам, производимым VIA Technologies. Хотя в набор не входят аудиокодек AC-97 и модем MC-97, он все же является первым набором логики с поддержкой DDR SDRAM, ставшим доступным в массовых количествах. Новую продукцию AMD сразу поддержали крупнейшие фирмы - производители системных плат, в том числе ABIT, FIC, Gigabyte, ASUS, MSI, Biostar, Aopen, DFI, EpoX, SuperMicro и др.

Стоит отметить, что AMD уже анонсировала и двухпроцессорную версию чипсета AMD 760 - AMD 760MP. Системы на его основе появятся не ранее 2001 г.

Что касается планов Intel, то, по предварительным данным, DDR SDRAM будет поддерживаться наборами микросхем Brookdale, предназначенных для Pentium 4, и Almador, которые должны стать последователями i815.

В заключение отметим, что наиболее активную позицию в производстве элементов памяти DDR SDRAM заняли такие компании, как Micron, Samsung Electronics, Infineon Technologies, Elpida, Hyundai, IBM, Mitsubishi и Toshiba.

Статья опубликована в PC Week/RE № (268)46 от 12/12/00, стр. 24
Перепечатывается с разрешения автора.