3. Тенденции развития
Рассмотрим теперь общие принципы функционирования синхронных динамических ОЗУ – SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) и тенденцию их развития до настоящего времени. Первой и наиболее простой синхронной динамической памятью является память SDR SDRAM (Single Data Rate – с одиночной скоростью выборки данных), в которой синхронизация всех входных и выходных сигналов обеспечивается положительными фронтами импульсов тактового генератора.
Обобщенная структура памяти SDR SDRAM, приведенная на рис.VIII.10a, состоит из двух основных блоков: ядра памяти и буферных регистров ввода/вывода. Основу ядра памяти составляет матрица запоминающих ячеек, а обмен информацией с системной шиной осуществляется через буфер ввода/вывода. Работа ядра памяти, буфера ввода/вывода и обмен информацией между буфером и системной шиной осуществляется на одной и той же тактовой частоте, причем обмен с системной шиной производится по переднему фронту тактирующих импульсов. Для увеличения пропускной способности SDRAM весь массив памяти обычно разделен на два независимых банка. Такое решение позволяет совместить выборку данных из одного банка с установкой адреса в другом банке, т.е. одновременно иметь две открытые страницы. Доступ к этим страницам чередуется и соответственно устраняются задержки, что обеспечивает создание непрерывного потока данных.
В 1999 году появились новый тип синхронной памяти – DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM – SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных). Принцип их построения основан на том, что быстродействие ядра памяти, которое представляет собой матрицу запоминающих емкостей, требующих периодической регенерации состояния, а также восстановления состояния после каждой операции считывания, существенно меньше быстродействия буферных регистров ввода/вывода, реализуемых на статических элементах – электронных триггерах.
На рис.VIII.10б приведена структура памяти типа DDR SDRAM. В DDR – памяти из ядра памяти каждый такт в регистры буферной памяти ввода/вывода передается не 64, а 128 разрядное слово. А поскольку регистровая буферная память ввода-вывода обладает быстродействием значительно большим, чем ядро, то с нее на 64 разрядную системную шину это 128 разрядное слово считывается по 64 бита два раза за один такт, т.е. фактически работает на удвоенной тактовой частоте, оставаясь при этом полностью синхронизированной с ядром памяти.
Для того чтобы осуществить синхронизацию работы ядра памяти и буфера ввода/вывода, используется одна и та же тактовая частота. Однако если в самом ядре синхронизация осуществляется по положительному фронту тактового импульса, то в буфере ввода/вывода, выполняющем функцию мультиплексора, для синхронизации используется как положительный, так и отрицательный его фронт.
Рис. VIII.10 Обобщенные структуры памяти SDRAM
Таким образом, передача данных из ядра памяти в буфер ввода/вывода осуществляется по положительному фронту тактирующего импульса одновременно по двум 64 разрядным каналам словами шириной 128 бит, а их выдача из буфера ввода/вывода на шину данных происходит 64 разрядными словами. Однако выдача кодов осуществляется, как по положительному, так и по отрицательному фронту тактирующих импульсов, т.е. как бы с удвоенной частотой. Это дает возможность получить вдвое большую пропускную способность памяти DDR по сравнению с обычной синхронной памятью.
На рис.VIII.10в приведена структура памяти типа DDR2 SDRAM. В данном типе памяти ядро памяти синхронизируется, по-прежнему, положительным фронтом тактовой частоты, и с приходом каждого положительного фронта в буфер ввода-вывода, по 4 независимым 64 разрядным каналам, передается параллельно 256 бит. Сам же буфер ввода-вывода работает на удвоенной частоте ядра памяти, и на системную шину данных выдает 64 разрядные слова, как по положительному, так и по отрицательному фронту этой удвоенной частоты. Таким образом, за каждый такт работы ядра памяти на шину данных выдается четыре 64 разрядных слова и, следовательно, пропускная способность памяти типа DDR2 в 4 раза превышает пропускную способность обычной синхронной памяти. В памяти DDR2 реализована схема разбиения массива памяти на четыре логических банка, а для модулей емкостью 1 и 2 Гбайт – на восемь логических банков.
К концу 2008 года начала внедряться память DDR3, а в 2009 – 2010 году этот тип памяти стал основным типом памяти, используемым для создания оперативной памяти компьютеров. Принцип его работы аналогичен рассмотренным случаям (см. рис VIII.11).
Рис VIII.11 Обобщенная структура памяти DDR3 SDRAM
Но в DDR3 из ядра памяти информация в буфер ввода/вывода выдается 64 разрядными словами параллельно по восьми каналам, Таким образом, в буфер памяти в каждом такте заносится одновременно 512 разрядное слово. При этом в DDR3 буфер ввода-вывода (он же мультиплексор) работает на частоте в четыре раза большей частоты ядра памяти. И поскольку обмен информацией между буфером ввода-вывода и шиной данных 64 разрядными словами осуществляется и по положительному и по отрицательному фронту тактирующих импульсов буфера памяти, то пропускная способность памяти DDR3 в восемь раз выше, чем у обычной синхронной памяти. Заметим, что кроме увеличения пропускной способности, память DDR3 выгодно отличается и уменьшенным энергопотреблением, что в настоящее время приобретает особое значение. Если модули DDR-памяти работают при напряжении 2,5 В, а модули памяти DDR2 – при 1,8 В, то модули DDR3-памяти работают при напряжении питания 1,5 В.
Заметим, что недавно появились сообщения о том, что фирмой Samsung уже разработаны опытные образцы микросхем памяти DDR4, с ещё более высокими частотными характеристиками (частоты от 2133 до 4266 МГц) и более низким напряжением питания (1,2 В). Фирма предполагает массовое производство их начать в 2013 г.
Обратим еще раз внимание на то, что повышение пропускной способности памяти типа DDR, как и в дальнейшем DDR2, DDR3 и DDR4 основывается на том, что время обращения к буферной регистровой памяти во много раз меньше, чем время обращения к матрице ядра памяти.
Наконец, в качестве информации заметим, что микросхемы DDR…DDR3 обозначаются с указанием эффективной частоты в мегагерцах выдачи кодов на шину процессора. Например: DDR3-800 обозначает микросхему типа DDR3 с частотой выдачи данных (размерностью 64 бита), равной 800 МГц. В то же время, обозначение модулей памяти, собранной на этих микросхемах, будет обозначаться как модуль PC3-6400, т.е. модуль памяти на микросхемах памяти типа DDR3 с пиковой скоростью передачи данных – 6,4 ГБ/с.