ОБЗОРЫ

Современные микропроцессоры требуют новых типов оперативной памяти

Развитие производства полупроводниковых приборов подошло к рубежу, за которым подавляющее число микропроцессоров, используемых в настольных ПК, работают на скоростях свыше 1 Ггц. Но в этом случае к параметрам оперативной памяти предъявляются довольно жесткие требования. Две новые технологии - DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous DRAM) и DRDRAM (Direct Rambus DRAM) - состязаются сегодня за благосклонность фирм - производителей компонентов и ПК. Несмотря на то что технология, предложенная компанией Rambus (www.rambus.com), известна уже довольно давно, на рынке ПК она по-прежнему остается темной лошадкой. Впрочем, такое положение вещей должно измениться к концу этого года, когда микропроцессоры Pentium III практически уйдут из сектора настольных ПК. Хотя в третьем квартале выйдет новая версия этих кристаллов с кодовым названием Tualatin, выполненная с учетом проектных норм 0,13 мкм, ее активное продвижение на рынке настольных компьютеров не планируется. Pentium III - самый, пожалуй, популярный микропроцессор Intel. Его уход с рынка настольных ПК свидетельствует об активизации усилий компании по продвижению Pentium 4 и связан с определенными последствиями. В частности, довольно остро встанет вопрос о технологии оперативной памяти.

Модуль RIMM

Хотя многие эксперты предрекали скорый уход технологии Rambus и чуть ли не полное ее забвение, похоже, что этим предсказаниям не суждено сбыться. На весеннем Форуме для разработчиков Intel представители корпорации довольно четко обозначили свою позицию по отношению к этому типу памяти. Если DRDRAM - это “лучшее решение”, то DDR SDRAM - это всего лишь “другая возможность уменьшения показателя цена/производительность”. Intel будет продолжать делать упор на использование этого типа памяти не только в высокопроизводительных системах класса high-end, но и в средних - типа mainstream, мотивируя такое решение тем, что цены на модули памяти Rambus не могут вечно оставаться высокими и должны в конце концов снизиться до приемлемого уровня. Фирмы - производители системных плат также не собираются раньше времени прощаться с DRDRAM. По их оценкам, этот тип памяти удержит за собой 20-30% рынка, однако область его использования неизбежно сместится в сектор высокопроизводительных машин. По мнению ряда аналитиков, если разница в ценах между конкурирующими технологиями памяти составит 5-10%, то заказчики предпочтут DRDRAM.

Стоит отметить, что производство микросхем DRDRAM наращивают многие крупные полупроводниковые компании, такие, например, как NEC, Hitachi, Toshiba и Samsung Electronics. В частности, на Форуме их представители много говорили о необходимости снижения производственных расходов при выпуске новых микросхем. К концу года доля этого типа памяти в продукции Toshiba должна вырасти до 60% (сейчас она составляет 20%).

+юристом быть обязан

Компания Rambus была организована в 1990 г. Майком Фармволдом (Mike Farmwald) и Марком Горовицем (Mark Horowitz), специалистами в области компьютерного проектирования, для воплощения в жизнь идей по созданию высокоскоростной памяти нового типа. И уже через два года, в июне 1992 г., корпорация Toshiba реализовала концепцию Rambus в виде первого рабочего образца микросхемы емкостью 4 Мбит. Возможности этой технологии заинтересовали компанию SGI. И еще через два года другой известный японский производитель микроэлектроники корпорация NEC начала выпуск кристаллов памяти 16 Мбит, которые использовались Silicon Graphics в ее графических станциях Indigo2. Следующей вехой в эволюции нового типа памяти стало начало его применения в конце 1995 г. в игровых приставках Nintendo64 и Playstation2. Ну а, пожалуй, самым важным событием явилось заключение в декабре 1996 г. соглашения с Intel о развитии технологии Rambus DRAM, с тем чтобы данный стандарт памяти стал основным в области ПК. Сегодня компания владеет более чем 80 патентами.

Вообще, надо отметить, что за последнее время компания Rambus куда больше отличилась не в технологическом, а в юридическом плане. Напомним, что в середине 1992 г. она вступила в Совет по совместной разработке электронных компонентов JEDEC (Joint Electronic Devices Engineering Council) и принимала активное участие в работе комитета JC-42, занятого разработкой новых стандартов памяти. В июне 1996 г. компания вышла из JEDEC, ссылаясь на то, что бизнес-план Rambus противоречит политике этой организации в отношении ряда патентов. Кстати, в настоящее время первые лица Rambus утверждают, что еще до первого участия в заседаниях JEDEC компания предоставила участникам комиссии свои изобретения и разработки на условиях неразглашения информации.

В начале 2000 г. Rambus потребовала от крупных фирм - производителей памяти лицензирования своих запатентованных технологий, использованных в PC 100 SDRAM, PC 133 SDRAM и DDR SDRAM. В итоге Toshiba и Oki Electric не выдержали давления со стороны Rambus и согласились на лицензирование. Hitachi продержалась дольше других, подготовила несколько исков, но, неожиданно для многих, к лету 2000 г. пошла на попятную. Правда, позже появилась информация, что этим компаниям удалось выторговать себе весьма выгодные условия, но ряды производителей памяти были расколоты. Платить стали также Mitsubishi, NEC, Samsung Electronics. В самом конце прошлого года о лицензировании объявило совместное предприятие NEC и Hitachi - Elpida Memory.

Однако нашлись компании, которые решили сопротивляться “интеллектуальному рэкету” до конца и ответили Rambus предъявлением встречных исков. Сейчас они пытаются доказать, что патенты этой компанией были получены с нарушением законодательства и должны быть отозваны или лишены правовой защиты. В частности, Hyundai, Micron и Infineon обвиняют Rambus в том, что последняя украла идеи, обсуждаемые на заседаниях JEDEC, и тайно ото всех включила их в заявки на получение патентов, поданные как дополнительные к первоначальной заявке, датированной 1990 г.

В начале мая федеральный суд шт. Виргиния отклонил претензии Rambus к Inifineon. Тем не менее аналитики шутят, что пока комиссионных должно вполне хватать на безбедное существование такой небольшой компании, как Rambus.

Технология Direct Rambus

Известно, что существует только два альтернативных способа повышения пропускной способности любой подсистемы - это либо повышение частоты работы шины, либо увеличение ее разрядности. Одновременное увеличение данных параметров довольно проблематично. Именно это обстоятельство вынуждает разработчиков идти на компромисс. В противовес технологии SDRAM, где используется 64-разрядная магистраль и частоты до 133 МГц, технология Rambus предоставляет 16-разрядную шину данных и частоты до 800 МГц соответственно. Узкая шина и высокая частота значительно увеличивают эффективность использования памяти и загрузку, максимально освобождая протокол от временны/х задержек. Вообще, существует три разновидности памяти Rambus DRAM, представляющие собой эволюцию развития этой технологии: Base, Concurrent и Direct. Последняя - это высокоскоростная система со своей адаптированной логикой управления и точно рассчитанными параметрами. Direct Rambus позволяет достичь очень больших скоростей передачи данных: до 1,6 Гб/с на один канал и до 6,4 Гб/с при четырех каналах. Вся подсистема состоит из следующих компонентов: основной контроллер (RMC, Rambus Memory Controller), канал (RC, Rambus Channel), разъем для модулей (RRC, Rambus RIMM Connector), модуль памяти (RIMM, Rambus In-line Memory Module), генератор дифференциальных импульсов (DRCG, Direct Rambus Clock Generator) и микросхемы памяти (DRDRAM, Direct Rambus DRAM). Физические, электрические и логические интерфейсы, применяемые в системе, определены компанией Rambus и должны строго выполняться всемипроизводителями для соблюдения абсолютной совместимости ее частей, так как она функционирует на очень большой частоте 600/711/800 МГц, синхронизируясь сигналом 300/350/400 МГц соответственно.

Сигнальный протокол Direct Rambus основан на электрическом интерфейсе RSL (Rambus Signaling Levels), дающем возможность с помощью технологии удвоенной передачи данных (DDR, Double Data Rate) получить результирующую частоту 600/711/800 МГц и работать со стандартным КМОП-интерфейсом сигналов ввода-вывода ядра ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Высокоскоростной протокол сигналов RSL использует низковольтные напряжения логических уровней.

Запоминающее ядро микросхем имеет многобанковую организацию. Причем каждый банк может иметь как выделенные, так и совместно применяемые усилители считывания, благодаря чему в микросхеме можно активизировать несколько банков одновременно. Стоит отметить, что на смену архитектурам 16D и 2x16D в следующем году должна прийти 4i. Ядро микросхемы работает на 1/8 частоты канала, а взаимодействие между ними осуществляется по внутренним сигналам синхронизации.

Современные микросхемы памяти DRDRAM обычно имеют емкость 64/72 или 128/144 Мбит. Их внутренние организации практически совпадают, однако в кристаллах большей емкости весь объем поделен на большее количество банков. Следует иметь в виду, что бо/льшие значения емкости соответствуют памяти с коррекцией ошибок (ECC), где байт содержит дополнительный девятый разряд четности. Микросхемы третьего поколения, появившиеся в прошлом году, имеют емкость 256/288 Мбит.

Канал DRDRAM представляет собой синхронную последовательно-параллельную шину. Он содержит 35 активных линий. Из них можно выделить две раздельные шины: шину управления и шину данных. Первая - шириной восемь бит, пять из которых соответствуют адресу столбца, а три бита - адресу строки ячейки памяти; вторая шина включает 16 разрядов. Передача всех сигналов в канале происходит в направлении распространения тактовых импульсов, которые от генератора вначале поступают на дальний от контроллера модуль памяти. По достижении контроллера направление их движения меняется на обратное. Все сигнальные шины проходят через модули и заканчиваются на терминаторе. Нормальное функционирование системы памяти не допускает наличия пустых разъемов, поэтому они заполняются специальными заглушками. Данные и адрес передаются по каналу пакетами. Функции по их обработке возложены на контроллер, в состав которого входит мультиплексор/демультиплексор. Он производит операции упаковки/распаковки между узким последовательным потоком данных в канале и более широким синхронным параллельным в самом контроллере.

Совершенно новым в технологии памяти стало использование четырех режимов энергопотребления: активного (Active), ожидания (Standby), экономного (Nap) и сна (PowerDown). В первом DRDRAM может мгновенно обработать запрос на передачу данных. Естественно, в этом режиме объем потребления выше. Standby является обычным состоянием ожидания запроса. В нем находятся все устройства, не принимающие участия в передаче. В отличие от обычных систем памяти на основе DRAM, где все устройства, входящие в банк, потребляют энергию во время операций записи/чтения, в памяти типа Rambus это происходит только с одним. Остальные устройства переходят в режим ожидания, и он является основным. Два оставшихся режима (Nap и PowerDown) являются еще более экономными и между собой разнятся потреблением и скоростью перехода в активное состояние.

Увеличивая скорость

Весной этого года инженеры Rambus объявили о создании самой быстрой на сегодняшний день шинной архитектуры - QRSL (Quad Rambus Signaling Level). Технология, позволяющая увеличить пропускную способность памяти, была продемонстрирована на конференции ISSCC (International Solid-State Circuits Conference), прошедшей в Сан-Франциско. Пропускная способность новой архитектуры более чем вдвое превышает соответствующие показатели технологии RSL, которая применяется в большинстве современных модулей памяти DRDRAM, устанавливаемых сегодня в ПК. Она сочетает в себе достоинства технологии DDR и многоуровневой сигнальной системы, позволяющей пересылать четыре бита за один такт. При этом данные, поступающие одновременно сразу из четырех источников, обрабатываются контроллером системной памяти, и суммарная пропускная способность выводится на рубеж 2 Гбит/с. По словам представителей Rambus, подобная память должна найти применение в первую очередь в телевизорах высокой четкости, игровых консолях и различных электронных приставках. В общем случае это будут продукты для конечного потребителя, отличающиеся повышенной производительностью и минимальным числом составляющих компонентов. Речь идет о бытовой технике, в которой нет разъемов и модулей памяти. Данные микросхемы памяти появятся на рынке к концу 2001 г. В настоящее время DRDRAM используется более чем в двух сотнях изделий, в том числе в настольных компьютерах, рабочих станциях и серверах, HDTV-телевизорах и ТВ-приставках, сетевых продуктах и игровых консолях.