1.4.3. Синхронные микросхемы оперативной динамической памяти

Основным недостатком асинхронных элементов является их низкая помехоустойчивость, проявляющаяся в сбоях при работе компьютера. Сигнал на выходе появляется с некоторой задержкой, которая не регламентируется и может изменяться в зависимости от температуры окружающей среды и от старения полупроводниковых структур.

Для срабатывания синхронных элементов памяти необходим дополнительный тактирующий сигнал, подаваемый на соответствующий вход. В качестве такового здесь выбран тактовый сигнал системной шины, который задает частоту смены информации в определенные моменты времени. Следовательно, процессы записи и считывания строго привязаны к тактам CPU или шины.

Микросхема SDRAM (Synchronous DRAM) синхронизирована частотой системной шины. Метод доступа к ячейкам памяти (строкам и столбцам) здесь такой же, как и в стандартной схеме DRAM. Отличие заключается в синхронизации всех операций, проводимых микросхемой синхронно с тактовой частотой CPU, т.е. исключая цикл ожидания. За счет этого сокращается время выполнения команд и передачи данных.

Кроме того, для сокращения времени выборки данных в микросхемах SDRAM предусмотрено чередование адресов, а также пакетный режим. Здесь используется трехступенчатая конвейерная адресация, позволяющая осуществлять доступ к запрошенным данным до завершения обработки предыдущих. Для микросхем памяти, работающих с системными шинами, у которых тактовая частота превышает 100 МГц, корпорация Intel разработала семейство микросхем РС 100 – PC 100 SDRAM. Так, расширением SDRAM является полностью совместимая с PC 100 SDRAM микросхема ESDRAM, в которую интегрированы элементы статической памяти SRAM. Это позволило работать с системными шинами, имеющими тактовые частоты 66, 100 и 166 МГц. Время рабочего цикла сократилось до 8 нс.

Микросхема SDRAM II или DDR SDRAM (Double Date Rate – удвоенная скорость передачи данных) имеет ряд усовершенствований, позволяющих повысить ее быстродействие в 2 раза. Использование технологии DDR позволяет считывать данные по фронту и спаду тактового сигнала системной шины, что дает возможность выполнять 2 обращения к памяти за время одного цикла.

Дальнейшее развитие микросхем памяти связано с решением проблемы повышения пропускной способности элементов.

Под пропускной способностью памяти понимают объем информации, пересылаемый в по системной шине за 1 с между CPU и микросхемой памяти (Мб или Гб / с).

Под пропускной способностью вывода памяти понимают объем информации, пересылаемый по одной линии данных системной шины за 1 с между CPU и выводом микросхемы памяти (Мбит / с / контакт).

За период 1989 – 1999 гг. производительность CPU была увеличена в сотни раз, а пропускная способность элементов памяти лишь в 10 – 12 раз. Следовательно, элементы памяти стали тормозить работу вычислительной системы в целом. Так специалисты Intel рассчитали, что для обработки видеоизображений в реальном масштабе времени при работе с 3D-изображениями и использованием DVD недостаточно пропускной способности памяти на основе SDRAM (800 Мб/с).

Для повышения пропускной способности памяти необходимо или увеличить разрядность системной шины с 64 до 128 бит, или повысить тактовую частоту системной шины. Увеличение разрядности приведет к значительному увеличению выводов микросхемы контроллера памяти (до 200 – 300) и, соответственно, к увеличению количества проводников на материнской плате между контроллером и слотами памяти.

Просто повысить тактовую частоту системной шины также невозможно, поскольку длительность обращения к ячейке памяти при существующей технологии считывания составляет ~ 10 нс.

Альтернативным вариантом является 16-разрядная шина с тактовой частотой 400 МГц и усовершенствованная микросхема DRAM, которая при сохранении ядра стала напоминать сложное конвейерное микропроцессорное устройство с собственной скоростной шиной. Таких микросхем – две: Direct DRAM и SLDRAM.

Микросхема Direct DRAM использует т.н. технологию Rambus (по имени фирмы, разработавшей ее). Последняя подразумевает наличие усовершенствованных микросхем Base R-DRAM и Rambus-канала, включающего высокоскоростную шину (700 МГц) и специальный контроллер памяти.

Шина данных Rambus-канала 16-разрядная, а шина управления 8-разрядная. Тактовая частота шин составляет 400 МГц. Поскольку данные пересылаются по переднему и заднему фронтам синхроимпульса, пропускная способность памяти составляет 16 бит х 400 МГц х 2 = 1,6 Гб/с. Передача адреса ячейки происходит в силу высокой тактовой частоты по отдельным шинам (по одной – адрес строки, по другой – адрес столбца) последовательными пакетами.

В микросхеме Direct DRAM сохранены старые принципы записи и считывания данных в ячейки матрицы, изменилась лишь организация банков выборки данных из памяти. В процессе работы микросхемы осуществляется конвейерная выборка из памяти, причем, адрес может передаваться одновременно с данными.

Микросхемы Direct DRAM имеют емкость 16, 32, 64, 128, 256, 512 и 1024 Мб.

Микросхема SLDRAM (Sync Link DRAM) была создана рядом фирм как более дешевая память, чем Direct DRAM, для установки в РС стоимостью до $1000. Здесь также использовано классическое ядро DRAM, 16-разрядная шина данных с тактовой частотой 400 МГц, и передача данных осуществляется по восходящему и нисходящему сигналам. Пропускная способность микросхемы SL-DRAM также равна 1,6 Гб/с. Стандарт SLDRAM имеет ряд преимуществ стандартов S-DRAM и DDR DRAM, предусматривает протокол пакетной передачи адреса.