2.2 Призначення модуля озп Kingston ddr3-1600. Технічні характеристики модуля озп та принцип дії
Призначення ОЗП: 1. Зберігання даних і команд для подальшої їх передачі процесору для обробки. Інформація може надходити з оперативної пам'яті не відразу на обробку процесору, а в більш швидку, ніж ОЗУ, кеш-пам'ять процесора. 2. Зберігання результатів обчислень, зроблених процесором. 3. Зчитування (або запис) вмісту осередків.
Особливості побудови і основні параметри типових ОЗУ Мікросхеми пам'яті виготовляють по напівпровідникової технології на основі кремнію з високим ступенем інтеграції на кристалі, що визначає їх приналежність до БІС. Для самої загальної характеристики БІС пам'яті беруть до уваги, перш за все, їх інформаційну ємність, швидкодія, енергоспоживання. Основною складовою частиною мікросхем ОЗП (рисунок 2.2) є масив елементів пам'яті, об'єднаних в матрицю накопичувача. Елемент пам'яті (ЕП) може зберігати 1 Біт (0 Біт) інформації. Кожен ЕП має свою адресу. Для звернення до ЕП необхідно його вибрати за допомогою коду адреси. ОЗУ яке допускає звернення за адресою до будь-якого ЕП в довільному порядку, називається ОЗУ з довільним доступом. Послідовний доступ передбачає звернення до окремих ЕП тільки в порядку зростання або зменшення їх адрес.
Рисунок 2.2 - Модуль ОЗП Kingston DDR3-1600
Розрядність коду адреси т, дорівнює числу двійкових одиниць на ньому, визначає інформаційну ємність мікросхеми ОЗУ, тобто число ЕП в матриці накопичувача, який можна адресувати (2 т). Для введення і виведення інформації служить вхід і вихід мікросхеми. Для управління режимом мікросхеми пам'яті необхідний сигнал "Запис / зчитування", значення 1 визначає режим запису біта інформації в ЕП, а 0 - режим зчитування. Таку організацію матриці накопичувача, коли одночасно ведеться запис і зчитування, називають однорозрядною. Існують і матриці з многоразрядной організацією, інакше званої "словникової". У таких мікросхем кілька інформаційних входів і стільки ж виходів, і тому вони допускають одночасний запис (зчитування) багаторозрядного коду, який прийнято називати словом. Оперативна пам'ять призначена для порівняно короткочасного зберігання інформації та її прийнято називати RAM (Random Access Memory). Постійна пам'ять звичайно містить таку інформацію, яка не повинна мінятися протягом тривалого часу. Постійна пам'ять має власну назву - ROM (Read Only Memory), яке вказує на те, що нею забезпечуються лише режими зчитування та зберігання. Довгий час підсистема ОЗУ не розвивалася: збільшувався обсяг пам'яті, в РС і великих ЕОМ прийшов кеш, дещо зросла швидкодія мікросхем. 10
2.2.1 Технічні характеристики модуля озп та принцип дії
У пам'яті по зовнішній шині даних здійснюється по обох напівперіодах синхросигнала (висхідному - «фронту», і низхідному - «зрізу»). У цьому і полягає суть технології «Double Data Rate», саме тому «ефективна» частота пам'яті DDR завжди є подвоєною (наприклад, DDR-400 при 200-мгц частоті зовнішньої шини даних). Отже, «ефективна» частота зовнішньої шини даних пам'яті DDR-400 складає 400 Мгц, тоді як її дійсна частота, або частота буферів введення-виводу, складає 200 Мгц. У пристроях пам'яті першого покоління DDR внутрішня частота функціонування мікросхем пам'яті прирівняна до дійсної частоти зовнішньої шини (частоті буферів вводу-виводу) і складає 200 Мгц для даної мікросхеми пам'яті DDR-400. При цьому абсолютно очевидно, що для того, щоб передавати по 1 біту даних за такт (по кожній лінії даних) по зовнішній шині з «ефективною» частотою 400 Мгц, за один такт внутрішньої 200-мгц шини даних необхідно передати 2 біта даних. Іншими словами, можна сказати, що за інших рівних умов внутрішня шина даних повинна бути удвічі ширше в порівнянні із зовнішньою шиною даних. Така схема доступу до даних називається схемою «2n-передвибірки» (2n-prefetch).
Рисунок 2.2.1 - Схематичне зображення передачі даних в мікросхемі пам'яті DDR2-800
Найбільш природним чином вирішення проблеми досягнення вищих тактових частот при переході від DDR до DDR2 є зниження тактової частоти внутрішньої шини даних удвічі по відношенню до реальної тактової частоти зовнішньої шини даних (частоті буферів введення-виводу). Так, в даному прикладі мікросхем пам'яті DDR2-800 (рисунок 2.2.1) частота буферів введення-виводу складає 400 Мгц, а «ефективна» частота зовнішньої шини даних - 800 Мгц (оскільки суть технології Double Data Rate залишається в силі - дані як і раніше передаються як по висхідному, так і по низхідному напівперіоді синхросигналу). При цьому частота внутрішньої шини даних складає всього 200 Мгц, тому для передачі 1 біта (по кожній лінії даних) за такт зовнішньої шини даних з ефективною частотою 800 Мгц на кожному такті 200-мгц внутрішньої шини даних потрібно передати вже 4 бітів даних. Іншими словами, внутрішня шина даних мікросхеми пам'яті DDR2 повинна бути в 4 рази ширше в порівнянні з її зовнішньою шиною. Така схема доступу до даним, реалізована в DDR2, називається схемою «4n-передвибірки» (4n-prefetch). Її переваги перед схемою 2n-prefetch, реалізованою в DDR, очевидні. З одного боку, для досягнення рівної пікової пропускної спроможності можна використовувати удвічі меншу внутрішню частоту мікросхем пам'яті (200 Мгц для DDR-400 і всього 100 Мгц для DDR2-400, що дозволяє значно понизити енергоспоживання). З іншого боку, при рівній внутрішній частоті функціонування мікросхем DDR і DDR2 (200 Мгц як для DDR-400, так і DDR2-800) останні характеризуватимуться удвічі більшою теоретичною пропускною спроможністю. Але очевидні і недоліки - функціонування мікросхем DDR2 на удвічі меншій частоті (в умовах рівності теоретичної пропускної спроможності пристроїв DDR і DDR2) і використання складнішої схеми перетворення «4-1» приводить до відчутного зростання затримок, що і спостерігалося на практиці в ході дослідження перших зразків модулів пам'яті DDR2.
Подальший розвиток технології пам'яті DDR2 з'явився істотно аналогічним розвитку її попереднього покоління, пам'яті DDR. А саме, були досягнуті частоти в 333 і 400 Мгц (тобто реалізовані офіційні стандарти DDR2-667 і DDR2-800). Були значно понижені затримки, навіть офіційно з'явилася нова версія стандарту JEDEC (Jesd79-2b), що допускає зниження схеми таймінгів від 4-4-4 до 3-3-3, - для DDR2-533, від 5-5-5 до 4-4-4 - для DDR2-667, від 6-6-6 до 5-5-5 і навіть 4-4-4 - для DDR2-800. Звичайно ж, услід з'явилися і «нестандартні» різновиди DDR2, що по своїй частоті виходять далеко за межі специфікації JEDEC - аж до 625 Мгц («DDR2-1250») при схемі таймінгів 5-5-5, або «стандартні» DDR2-800, але з екстремально низькими схемами таймінгів на зразок 3-3-3. Як і раніше, для досягнення таких рекордів було потрібно значне підняття живлячої напруги модулів із стандартного рівня 1.8 В до екстремально високих рівнів порядка 2.4 В (що зовсім трохи поступається стандартному значенню попереднього покоління пам'яті DDR - 2.5 В). Зрозуміло, це потребувало застосування складніших способів відведення тепла від мікросхем пам'яті - як оригінальних, патентованих фірмових конструкцій тепловідводів, так і застосування зовнішнього активного охолоджування.
Проте, як і у випадку з минулим поколінням пам'яті DDR, на сьогоднішній день межа технології пам'яті DDR2 (по частоті, затримках і значно збільшеному тепловиділенню внаслідок значного збільшення живлячої напруги) практично досягнута. Тому вже сьогодні цілком закономірно чекати черговий «еволюційний стрибок» технології пам'яті DDR SDRAM - перехід від пам'яті стандарту DDR2 до нового стандарту DDR3.
Рисунок 2.2.2 - Схематичне зображення передачі даних в мікросхемі пам'яті DDR3-1600
Неважко здогадатися, що основний принцип, який лежить в основі переходу від DDR2 до DDR3, в точності повторює розглянуту вище ідею, закладену при переході від DDR до DDR2. А саме, DDR3 - це все та ж DDR SDRAM, тобто передача даних як і раніше здійснюється по обох напівперіодах синхросигнала на подвоєній «ефективній» частоті щодо власної частоти шини пам'яті. Тільки рейтинги продуктивності зросли в 2 рази, в порівнянні з DDR2 - типовими швидкісними категоріями пам'яті нового стандарту DDR3 будуть різновиди від DDR3-800 до DDR3-1600 (а можливо, і вище). Чергове збільшення теоретичної пропускної спроможності компонентів пам'яті в 2 рази знов пов'язане із зниженням їх внутрішньої частоти функціонування в стільки ж раз. Тому відтепер, для досягнення темпу передачі даних із швидкістю 1 біт/такт по кожній лінії зовнішньої шини даних з «ефективною» частотою в 1600 Мгц (як в прикладі, розглянутому на рис.2.2.2 використовувані мікросхеми 200 Мгц повинні передавати по 8 біт даних за кожен такт. Тобто ширина внутрішньої шини даних мікросхем пам'яті опиниться вже в 8 разів більше в порівнянні з шириною їх зовнішньої шини. Очевидно, така схема передачі даних з розглянутим перетворенням типу «8-1» називатиметься схемою «8n-передвибірки» (8n-prefetch). Переваги при переході від DDR2 до DDR3 будуть тими ж, що і при переході, що відбувся раніше, від DDR до DDR2: з одного боку, це зниження енергоспоживання компонентів в умовах рівності їх пікової пропускної спроможності (DDR3-800 проти DDR2-800), з іншого боку - можливість подальшого нарощування тактової частоти і теоретичної пропускної спроможності при збереженні колишнього рівня «внутрішньої» частоти компонентів (DDR3-1600 проти DDR2-800). Тими ж будуть і недоліки - подальший розрив між «внутрішньою» і «зовнішньою» частотою шин компонентів пам'яті приводитиме до ще більших затримок. Відносне збільшення останніх, при переході від DDR2 до рівночастотної DDR3, буде приблизно таким же, як і при переході від DDR до рівночастотної DDR2.
Що ж, перейдемо до дещо детальнішого розгляду нового покоління мікросхем і модулів пам'яті DDR3, що прийшли на зміну DDR2.
Стандарт DDR3 на сьогоднішній день ще не прийнятий JEDEC, його ухвалення очікується ближче до середини поточного року (імовірно, він носитиме ім'я Jesd79-3). Тому представлена нижче інформація про мікросхеми і модулі пам'яті DDR3 поки що носить попередній характер.
Перші прототипи з мікросхем пам'яті DDR3, яких були оголошені ще в 2005 році. Доступні сьогодні зразки мікросхем DDR3 засновані на 90-нм технологічному процесі і характеризуються рівнем живлячої напруги 1.5 В, що само по собі вносить приблизно 30% внесок в зниження потужності, що розсіюється цими мікросхемами пам'яті в порівнянні з мікросхемами DDR2 (що мають стандартну напругу живлення 1.8 В). Повне зниження енергоспоживання в порівнянні з рівночастотної DDR2 досягає приблизно 40%, що особливо важливе для мобільних систем. Ємкості компонентів, передбачені попередніми специфікаціями JEDEC, варіюються від 512 Мбіт до 8 Гбіт, тоді як типові мікросхеми, що випускаються на сьогодні, мають ємкість від 1 до 4 Гбіт. Теоретична пропускна спроможність мікросхем DDR3 удвічі вище в порівнянні з DDR2 завдяки використанню розглянутої вище схеми 8n-prefetch (проти 4n-prefetch в DDR2). Кількість логічних банків в мікросхемах DDR3 також збільшена удвічі в порівнянні з типовим значенням для DDR2 (4 банки) і складає 8 банків, що теоретично дозволяє збільшити «паралелізм» при зверненні до даних по схемі чергування логічних банків і приховати затримки, пов'язані із зверненням до одного і того ж рядка пам'яті. Мікросхеми DDR3 монтуються в FBGA-упаковку, що володіє рядом покращень в порівнянні з DDR2, а саме:великою кількістю контактів живлення і заземлення; вдосконаленим розподілом живлячих і сигнальних контактів, що дозволяє досягти кращої якості електричного сигналу (необхідне для стійкішого функціонування при високих частотах); повним заповненням масиву, що збільшує механічну міцність компоненту.
Перейдемо до розгляду модулів пам'яті DDR3. Як і модулі пам'яті DDR2, вони випускаються у вигляді 240-контактної друкарської плати (по 120 контактів з кожного боку модуля), проте не є електрично сумісними з останніми, і з цієї причини мають інше розташування «ключа»
Природно, що на кожну операцію зчитування даних з пам'яті потрібний час. Тут ми стикаємося з так званими таймінгами, або затримками, які характеризують швидкодію модуля і вимірюються в тактах або наносекундах.
Після видачі команди RAS для вибору потрібного рядка потрібний час на її активацію, який зазвичай складає 2-5 тактів. Дану затримку прийнято називати Ras-to-cas Delay (RCD). Після цього очікування контролер пам'яті ініціалізує команду вибору стовпця і після часу, рівного затримці CAS, прочитує дані. Цей параметр прийнято називати CAS Latency (CL), на практиці він зазвичай так само варіюється від 2 до 5 тактів. Після отримання інформації відбувається відновлення заряду на прочитаних комірках вибраного рядка, на що потрібний час, рівний RAS Precharge (RP). Ще один важливий параметр - це RAS Active to Precharge Delay (TRAS), який означає кількість тактів, протягом яких рядок повинен бути активним, перш ніж буде видана команда на заряджання.
Всі ці величини впливають в першу чергу на так звану латентність пам'яті, тобто на сумарний час очікування процесором передачі даних, що знаходяться в оперативній пам'яті. Латентність вимірюється в тактах або в наносекундах, як і таймінги.
Очевидно, що чим менша затримки, тим нижча і латентність, тим швидше відбувається робота з пам'яттю, тим більше загальна продуктивність комп`ютера. Проте надмірне зниження таймінгів може спричинити за собою нестабільність роботи системи.
Продуктивність залежить не тільки від латентності, оскільки часто здійснюється пакетна передача даних, при якій вплив затримок не так відчутно. Тут основну роль грає інший параметр, що характеризує кількість даних, які пам'ять здатна передавати (читати або записувати) за одиницю часу. Він називається пропускною здатністю пам'яті (ПЗП). Зрозуміло, що чим більше ПЗП, тим краще даний модуль. У виробників є два шляхи поліпшення цього параметра: збільшення розрядності шини і підвищення тактової частоти. Перший спричиняє за собою більше число провідних контактів, що значно ускладнює розводку друкарських плат і вимагає серйозних матеріальних вкладень. Другий шлях менш ресурсоємний, і саме з його допомогою виробники пам'яті добиваються кращих результатів. 10