Флэш-память

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств, таких как МР3-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры, потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г.

Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой, имеющий толщину порядка 1,5 нм, изготовлен из ферроэлектрического материала. Две крайние пластины представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. При подаче напряжения, на пересечении проводников, возникает напряжение, достаточное для изменения направления магнитного момента атомов его кристаллической решетки, расположенной под местом пересечения проводников. Направление магнитного поля сохраняется и после снятия внешнего электрического поля. Изменение направления магнитного поля ферроэлектрика изменяет сопротивления этого участка слоя. При считывании, на один крайний слой подается напряжение а на втором слое замеряется напряжение, прошедшее через ферроэлектрик, которое будет иметь разное значение для участков с разным направлением магнитного момента. Такой тип флэш-памяти получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом).

Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Размеры этого блока 40х16х7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объем флэш-памяти достигает нескольких Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с.

Современные внутренние шины – смена приоритетов!

Тестовая лаборатория Ferra

Всё течёт, всё меняется. В сфере компьютерных технологий эта фраза никогда не потеряет актуальности, равно как и девиз «Быстрее! Выше! Сильнее!». И действительно, последние несколько лет можно назвать «временами перемен» компьютерной индустрии. В полной мере это коснулось и такой специфичной области, как шины передачи данных.

(!) Среди наиболее динамично развивающихся областей компьютерной техники стоит отметить сферу технологий передачи данных: в отличие от сферы вычислений, где наблюдается продолжительное и устойчивое развитие параллельных архитектур, в «шинной»1 сфере, как среди внутренних, так и среди периферийных шин, наблюдается тенденция перехода от синхронных параллельных шин к высокочастотным последовательным. (Заметьте, «последовательные» – не обязательно значит «однобитные», здесь возможны и 2, и 8, и 32 бит ширины при сохранении присущей последовательным шинам пакетной передачи данных, то есть в пакете импульсов данные, адрес, CRC и другая служебная информация разделены на логическом уровне2).

Все эти нововведения и смена приоритетов преследуют в конечном итоге одну цель – повышение суммарного быстродействия системы, ибо не все существующие архитектурные решения способны эффективно масштабироваться. Несоответствие пропускной способности шин потребностям обслуживаемых ими устройств приводит к эффекту «бутылочного горлышка» и препятствует росту быстродействия даже при дальнейшем увеличении производительности вычислительных компонентов – процессора, оперативной памяти, видеосистемы и так далее.

(?) Процессорная шина

Любой процессор архитектуры x86CPU обязательно оснащён процессорной шиной. Эта шина служит каналом связи между процессором и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жёстким диском и так далее. Так, классическая схема организации внешнего интерфейса процессора (используемая, к примеру, компанией Intel в своих процессорах архитектуры х86) предполагает, что параллельная мультиплексированная процессорная шина, которую принято называть FSB (Front Side Bus), соединяет процессор (иногда два процессора или даже больше) и контроллер, обеспечивающий доступ к оперативной памяти и внешним устройствам. Этот контроллер обычно называют северным мостом, он входит в состав набора системной логики (чипсета).

Используемая Intel в настоящее время эволюция FSB – QPB, или Quad-Pumped Bus (насасываемый автобус ^^), способна передавать четыре блока данных за такт и два адреса за такт! То есть за каждый такт синхронизации шины по ней может быть передана команда либо четыре порции данных (напомним, что шина FSB–QPB имеет ширину 64 бит, то есть за такт может быть передано до 4х64=256 бит, или 32 байт данных). Итого, скажем, для частоты FSB, равной 200 МГц, эффективная частота передачи адреса для выборки данных будет эквивалентна 400 МГц (2х200 МГц), а самих данных – 800 МГц (4х200 МГц)3.

В архитектуре же AMD64 (и её микроархитектуре K8), используемой компанией AMD в своих процессорах линеек Athlon 64/Sempron/Opteron, применён революционно новый подход к организации интерфейса центрального процессора – здесь имеет место наличие в самом процессоре нескольких отдельных шин. Одна (или две – в случае двухканального контроллера памяти) шина служит для непосредственной связи процессора с памятью, а вместо процессорной шины FSB и для сообщения с другими процессорами используются высокоскоростные шины HyperTransport. Преимуществом данной схемы является уменьшение задержек (латентности) при обращении процессора к оперативной памяти, ведь из пути следования данных по маршруту «процессор – ОЗУ» (и обратно) исключаются такие весьма загруженные элементы, как интерфейсная шина и контроллер северного моста.

Различия реализации классической архитектуры и АМD-K8

Ещё одним довольно заметным отличием архитектуры К8 является отказ от асинхронности, то есть обеспечение синхронной работы процессорного ядра, ОЗУ и шины HyperTransport, частоты которых привязаны к «шине» тактового генератора (НТТ), которая в этом случае является опорной. Таким образом, для процессора архитектуры К8 частоты ядра и шины HyperTransport задаются множителями по отношению к НТТ, а частота шины памяти выставляется делителем от частоты ядра процессора4

В классической же схеме с шиной FSB и контроллером памяти, вынесенным в северный мост, возможна (и используется) асинхронность шин FSB и ОЗУ, а опорной частотой для процессора выступает частота тактирования5 (а не передачи данных) шины FSB, частота же тактирования шины памяти может задаваться отдельно.

HyperTransport

Технология HyperTransport (ранее известная как Lightning Data Transport – молниеносная передача данных) – это последовательная (пакетная) связь, построенная по схеме peer-to-peer (точка-точка), обеспечивающая высокую скорость при низкой латентности (low-latency responses). HyperTransport имеет оригинальную топологию на основе линков, тоннелей, цепей (цепь – последовательное объединение нескольких туннелей) и мостов (мост выполняет маршрутизацию пакетов между отдельными цепями), что позволяет этой архитектуре легко масштабироваться. Иными словами, HyperTransport призвана упростить внутрисистемные сообщения (передачи) посредством замены существующего физического уровня передачи существующих шин и мостов, а также снизить количество узких мест и задержек. При всех этих достоинствах HyperTransport характеризуется также малым числом выводов (low pin counts) и низкой стоимостью внедрения. HyperTransport поддерживает автоматическое определение ширины шины6, допуская ширину от 2 до 32 бит в каждом направлении, использует Double Data Rate, или DDR (данные посылаются как по переднему, так и по заднему фронтам сигнала синхронизации), кроме того, она позволяет передавать асимметричные потоки данных к периферийным устройствам и от них.

Топология (часть геометрии, посвященная изучению феномена непрерывности) шины HyperTransport

На данный момент консорциумом HyperTransport разработана уже третья версия спецификации, согласно которой шина HyperTransport может работать на частотах до 2,6 ГГц. Это позволяет передавать до 5200 миллионов пакетов в секунду при частоте сигнала синхронизации 2,6 ГГц; частота сигнала синхронизации настраивается автоматически.

Полноразмерная (32-битная) полноскоростная (2,6 ГГц) шина способна обеспечить пропускную способность до 20800 МБ/с (2*(32/8)*2600) в каждую сторону, являясь на сегодняшний день самой быстрой шиной среди себе подобных.

Шины отличаются разрядностью, способом передачи сигнала (последовательные или параллельные), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя, интерфейсная).

Шины могут быть синхронными (осуществляющими передачу данных только по тактовым импульсам) и асинхронными (осуществляющими передачу данных в произвольные моменты времени), а также могут использовать мультиплексирование (передачу адреса и данных по одним и тем же линиям) и различные схемы арбитража (то есть способа совместного использования шины несколькими устройствами).

(там решим) Основным отличием параллельных шин от последовательных является сам способ передачи данных. В параллельных шинах понятие «ширина шины» соответствует её разрядности – количеству сигнальных линий, или, другими словами, количеству одновременно передаваемых («выставляемых на шину») битов информации. Сигналом для старта и завершения цикла приёма/передачи данных служит внешний синхросигнал. В последовательных же каналах передачи используется одна сигнальная линия (возможно использование двух отдельных каналов для разделения потоков приёма-передачи). Соответственно, информационные биты здесь передаются последовательно. Данные для передачи через последовательную шину облекаются в пакеты (пакет – единица информации, передаваемая как целое между двумя устройствами), в которые, помимо собственно полезных данных, включается некоторое количество служебной информации: старт-биты, заголовки пакетов, синхросигналы, биты чётности или контрольные суммы, стоп-биты и т. п. Но в свете последних достижений в «железной» сфере компьютерной индустрии малое количество сигнальных линий и логически более сложный механизм передачи данных последовательных шин оборачиваются для них существенным преимуществом – возможностью практически безболезненного наращивания рабочих частот в таких пределах, каких никогда не достичь громоздким параллельным шинам с их высокочастотными проблемами ожидания доставки каждого бита к месту назначения. Проблема в том, что каждая линия такой шины имеет свою длину, свою паразитную ёмкость и индуктивность и, соответственно, своё время прохождения сигнала от источника к приёмнику, который вынужден выжидать дополнительное время для гарантии получения данных по всем линиям. Так, к примеру, каждый байт, передаваемый через линк шины PCIExpress, для увеличения помехозащищённости «раздувается» до 10 бит, что, однако, не мешает шине передавать до 0,25 ГБ за секунду по одной паре проводов. Да, ширина последовательной шины на самом деле является количеством одновременно задействованных отдельных последовательных каналов передачи.

Эмблема PCI Conventional

Вот уже более десяти лет PCI – шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера – находится внутри практически каждого компьютера и, даже несмотря на моральное устаревание и уже недостаточную пропускную способность, продолжает (пока ещё) оставаться основной шиной для подключения к системе внешних устройств. Тем не менее она неуклонно сдаёт позиции новой последовательной шине PCI-Express, о которой чуть ниже.

В далёком 1991 году компания Intel представила первую спецификацию системной шины PCI – Peripheral Component Interconnect (дословно: взаимосвязь периферийных компонентов). А в 1993 году уже началось активное продвижение на рынок шины PCI 2.0, которая дала толчок увеличению числа ориентированных на неё продуктов и довольно быстро вытеснила изрядно устаревшие к тому времени шины ISA и EISA.

Причины успеха PCI – это гораздо большая скорость и возможность динамического конфигурирования периферийных устройств, подключённых к PCI (чего не было в ISA), то есть распределения ресурсов между периферийными устройствами наиболее приемлемым в данный момент времени образом и без постороннего вмешательства.

Однако, как и многие параллельные шинные решения (те же Parallel ATA, SCSI), шина PCI в данное время находится на границе разумного масштабирования производительности, после которого «гонка частот и разрядности» приведёт к непозволительно высоким технологическим усложнениям и, соответственно, к затратам. Но на данный момент проблема эффективной масштабируемости и наращивания уже решена, ведь в компьютерной индустрии уже полным ходом идёт переезд с PCI на новую последовательную шину PCI-Express.

Анонс первой базовой спецификации PCI-Express состоялся в июле 2002 года, когда уже стало ясно, что PCI-Express – это последовательный интерфейс, нацеленный на использование в качестве локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, в частности, топологию типа «звезда» и стек протоколов.

Для взаимодействия с остальными узлами ПК, которые так или иначе обходятся собственными шинами, основной связующий компонент системной платы – Root Complex Hub (узел, являющийся перекрёстком процессорной шины, шины памяти и PCI-Express) – предусматривает систему мостов и свитчей. Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от отправителя к получателю.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1х Число линий PCI Express lane count) Пропускная способность соединения (link) в одном направлении Суммарная пропускная способность соединения (link)

1 250 Мбайт/с 500 Мбайт/с

2 500 Мбайт/с 1 Гбайт/с

4 1 Гбайт/с 2 Гбайт/с

8 2 Гбайт/с 4 Гбайт/с

16 4 Гбайт/с 8 Гбайт/с

32 8 Гбайт/с 16 Гбайт/с