Computerworld #45/96

Игорь Кондратьев

Жизнь и смерть EDO
Там, за горизонтом...
Сравнение быстродействия различных типов памяти
Что-то с памятью моей стало...
Советы специалистов
Заменит ли SDRAM память EDO?
На что годится SDRAM?
Основные особенности SDRAM
А что у нас?
Особенности микросхем 16 Мбит Concurrent RDRAM

В нашем еженедельнике (см. Computerworld/Россия, # 41, 1996, с.16) была опубликована заметка Энди Сантони "SDRAM вытесняет EDO". Редакция решила предложить своим читателям более подробную информацию, касающуюся некоторых аспектов эволюции устройств оперативной памяти.

В отличие от большинства компонентов ПК, развитие устройств оперативной памяти шло гораздо медленнее. По-видимому, это объясняется тем, что с самого начала в конструкции этих устройств был заложен некоторый резерв. В течение многих лет компьютерная отрасль знала единственный вид оперативной памяти. Сначала это была память с поддержкой страничного режима (Page Mode RAM), с помощью которой был реализован ускоренный доступ к последовательным ячейкам памяти (за счет сокращения циклов обращения). Позднее появилась память типа Fast Page Mode DRAM (FPM DRAM - быстрая память со страничным режимом). Ее название отражает тот факт, что FPM DRAM способствует дополнительному ускорению доступа. Предполагается, что последовательные обращения происходят к участкам, находящимся в одном и том же ряду матрицы ячеек памяти. Если при очередном цикле обращения это предположение оказывается справедливым, то достигается некоторая "экономия" времени.

FPM DRAM представляет собой самый простой тип оперативной памяти. В настоящее время имеется два варианта микросхем FTP DRAM: с временем доступа 70 нс и 60 нс. Для процессора Pentium c тактовой частотой от 100 до 200 МГц (быстродействие шины составляет 66 МГц) время доступа к микросхеме памяти должно составлять не менее 60 нс. Самая быстрая микросхема FPM DRAM описывается формулой "5-3-3-3" (при обращении к памяти на считывание первого слова необходимо 5 тактов, а следующих трех по 3).

C ростом тактовой частоты процессоров, старые принципы работы микросхем оперативной памяти стали одной из причин, тормозящих рост производительности компьютеров. Например, FPM DRAM с временем доступа 60 нс обеспечивает быстродействие 28,5 МГц, в то время как микропроцессоры способны работать на скоростях до 66 МГц.

Первым способом ликвидации "узкого места" стало использование кэш-памяти, введенной сначала непосредственно в центральный процессор (первый уровень), а затем помещенной на материнскую плату (второй уровень). В настоящее время большая часть ПК оснащается кэш-памятью второго уровня. Причем до недавнего времени ее объем не превышал 256 Кбайт, что вполне соответствовало потребностям пользователей. Пока самыми распространенными операционными системами оставались DOS и Windows 3.1 или 3.11, а емкость оперативной памяти не превышала 64 Мбайт, не было необходимости иметь кэш-память второго уровня больше 256 Кбайт.

При работе в среде 32-разрядных многозадачных ОС типа Windows NT, OS/2 или Unix частота "промахов" кэш-памяти увеличивается. Это обусловлено увеличением объемов выполняемых программ, а также количеством одновременно выполняемых приложений. Для компенсации результирующего снижения производительности системы надо либо увеличить кэш-память, либо использовать более "быструю" оперативную память.

С выходом процессора Pentium P54C появилась возможность установки на материнской плате кэш-памяти объемом 512 Кбайт. При работе c ОС Windows 95 стало ясно, что такой объем кэш-памяти дает увеличение производительности ПК, имеющего оперативную память объемом всего 16 Мбайт (что было доказано соответствующими тестами). Тем не менее чипсеты компании VIA, предназначенные для работы с процессорами Pentium, могут поддерживать до 2048 Кбайт.

Несмотря на то, что кэш-память позволяет (иногда весьма существенно) сократить разрыв между быстродействием процессора и пропускной способностью памяти, она заметно повышает общую стоимость системы и ее сложность. Поэтому велись разработки в области создания более быстрой памяти.

Если первые достижения в деле повышения быстродействия памяти определялись успехами в области технологии, то дальнейшее совершенствование микросхем памяти связано с реализацией новой архитектуры DRAM. Причем предпринятые изменения почти не затронули размеры кристаллов памяти. Первым заметным решением стала память типа EDO DRAM, появившаяся в 1995 году.

Жизнь и смерть EDO

Память типа EDO (Extended Data Output) DRAM стала заметным шагом в серии нововведений, связанных с совершенствованием технологии работы устройств DRAM. Стимулом к появлению памяти этого типа на рынке стало массовое применение новых высокопроизводительных процессоров Pentium c тактовыми частотами выше 90 МГц. Первые же компьютеры, использующие память EDO, появились в 1995 году у Gateway 2000, Micron и некоторых других фирм.

EDO DRAM была разработана с целью обеспечения более быстрого доступа к соседним ячейкам памяти по сравнению с традиционной памятью типа FPM DRAM. Доступ к информации в страничном режиме для микросхем EDO похож на работу FPM, за исключением незначительных изменений формы сигнала CAS (Column Address Strobe - один из управляющих сигналов микросхем динамической оперативной памяти) и временной диаграммы вывода данных. Цель модификации сигнала CAS - увеличение количества данных, выводимых из памяти в заданный период времени. То обстоятельство, что данные из EDO RAM выводятся более часто по сравнению со стандартной памятью FPM, очевидно, и послужило основанием для названия микросхем нового типа - Extended Data Out (с расширенным выводом данных).

Уменьшение времени доступа в микросхемах EDO обусловлено исключением из процесса обращения к памяти времени ожидания готовности данных на шине. Это было достигнуто за счет преобразования обычной последовательности операций режима страничного обмена в "двухступенчатый конвейер", обеспечивающий возможность перекрытия части операций. В соответствии с этим начало нового цикла обращения к памяти начинается еще до окончания предыдущего (т.е. до того, как данные будут удалены с шины). Информация, считанная по конкретному адресу, "захватывается" специальными регистрами микросхемы памяти - формирователями выходных данных (data output drivers)- и удерживается на шине до окончания цикла обращения к памяти. Одновременно с выводом информации, для контроля за которым в микросхеме памяти используется дополнительный управляющий сигнал, осуществляется выборка данных по новому адресу. Причем независимость процесса выборки новых данных от готовности результатов предшествующего запроса сохраняется даже в случае прерывания запроса.

В результате введенных усовершенствований на компьютерах, оснащенных оперативной памятью на микросхемах EDO, время доступа процессора к хранящимся в памяти данным сокращается на 10-15% (по некоторым данным, даже до 20%) по сравнению с традиционными микросхемами памяти FTP RAM.

Поскольку реализация концепции EDO представляет собой весьма "умеренное" изменение метода FPM, первые производители микросхем EDO RAM могли поддерживать на них оба типа архитектуры и даже обеспечивать их согласованную работу в системах памяти. При этом контроллеры памяти были также модифицированы, чтобы обеспечивать работу как с FPM, так и с EDO.

Для того чтобы компьютеры могли использовать преимущества архитектуры EDO, они должны быть оснащены соответствующим чипсетом.

Первым чипсетом, поддерживающим работу EDO, стал набор микросхем Triton (82430FX) фирмы Intel. Этот набор микросхем позволил повысить производительность шины PCI до 100 Мбайт/с (что означает удвоение значения этого показателя по сравнению с производительностью систем предыдущего поколения, выполненных на базе чипсета Neptun). Кроме того, чипсет Triton поддерживает кэш-память второго уровня объемом до 512 Кбайт, что также вдвое превышало показатели имевшихся к тому времени систем. Различные модели памяти часто сравниваются по последовательностям тактов процессора, необходимых для обращения к блоку данных из четырех 64-разрядных слов. Если для стандартной динамической памяти FPM такое групповое обращение описывается последовательностью "X-3-3-3", то для памяти EDO (чипсета Triton) соответствующая формула выглядит как "X-2-2-2". Это отражает уменьшение количества состояний ожидания (т.е. времени, в течение которого работа процессора приостанавливается с тем, чтобы микросхемы памяти могли принять и сохранить данные).

Увеличение быстродействия микросхем памяти EDO побудило некоторых производителей ПК изъять из компьютеров, построенных на базе 75 и 90 МГц процессоров Pentium, довольно дорогую кэш-память второго уровня. Такое решение позволяет создать недорогие и достаточно производительные системы, относящиеся к нижнему классу (low-end). Однако этот подход неприемлем для систем верхнего уровня, поскольку использование конвейерной кэш-памяти второго уровня гарантирует гораздо больший выигрыш по сравнению с EDO. Так, согласно имеющимся оценкам, суммарный выигрыш производительности от применения микросхем EDO в системах памяти, содержащих кэш второго уровня, не превышает 5%.

Преимущество архитектуры EDO над стандартной памятью FPM c точки зрения быстродействия и сопоставимость цен на микросхемы двух типов обеспечили широкое распространение памяти EDO DRAM. Несмотря на это, многие аналитики уже предсказывают их быстрый закат.

Проблема EDO RAM в том, что этот тип памяти плохо работает с шинами, быстродействие которых превышает уже достигнутый уровень в 66 МГц. Самая быстродействующая на сегодняшний день микросхема EDO RAM характеризуется формулой "5-2-2-2" и, следовательно, является довольно медленной для того, чтобы ликвидировать растущий разрыв между быстродействием процессора и пропускной способностью памяти. Кроме того, наличие у EDO RAM достаточно большого количества состояний ожидания будет все серьезнее сказываться при увеличении плотности хранения данных (емкость микросхем памяти уже перешла рубеж 16 Мбит).

Аналитики рассматривают EDO RAM как временную альтернативу памяти FPM, не требующую от разработчиков серьезных конструктивных изменений. По мере перехода на устройства с большей емкостью и падения цен на DRAM нового типа будет происходить постепенное вытеснение памяти EDO-типа. В качестве сроков переходного периода специалисты называют 1997-1998 гг.

Светлое

будущее SDRAM

Современные процессоры уже достигли частоты 66 МГц, и этот показатель продолжает расти; в некоторых случаях он "перевалил" за 200 МГц. Разрыв между пропускной способностью памяти и быстродействием процессоров заставляет проектировщиков использовать сложные и дорогие решения: наращивать количество банков основной памяти, увеличивать разрядность шины и расширять объем внешней кэш-памяти. Пропускная способность DRAM может быть увеличена за счет подобных модификаций, тем не менее при использовании традиционных типов DRAM все равно будут возникать "заторы". По мнению экспертов, при скорости шины выше 50 МГц предпочтительно использовать новую технологию - SDRAM.

Synchronous DRAM (SDRAM) - это сравнительно новая технология микросхем динамической памяти. Основу этого типа памяти составляет традиционная схема DRAM. Однако SDRAM отличается тем, что использует тактовый генератор для синхронизации всех сигналов, применяемых в микросхеме памяти. В недалеком же прошлом такой возможностью обладали только микросхемы статической памяти, используемые в качестве кэш-памяти второго уровня. Кроме того, SDRAM позволяет осуществлять конвейерную обработку информации. Эта технология сокращает время, затрачиваемое на выполнение команд и передачу данных, за счет исключения состояний ожидания, и таким образом повышает общую производительность компьютера.

Аналитики считают, что эта технология в ближайшем времени станет очень популярной. По мнению производителей полупроводниковых устройств, SDRAM будет применяться в качестве основной памяти для ПК, рабочих станций и графических подсистем. Это объясняется тем, что подобный тип памяти уже поддерживается новыми чипсетами Triton VX и комплектами интегральных схем, которые производятся компанией VIA - 580VP и 590VP для процессоров Pentium и 6x86, а также 680VP для процессоров Pentium Pro.

Самая быстрая микросхема SDRAM может быть описана формулой "5-1-1-1", что эквивалентно быстродействию памяти типа BEDO RAM. Однако SDRAM позволяет легко реализовать работу шины с частотой до 100 МГц. По мнению специалистов, это единственный тип памяти, позволяющий сейчас достичь такой производительности.

Как показывает практика, для компьютеров, у которых частота шины данных не превышает 66 МГц, выигрыш от использования SDRAM оказывается минимальным, поскольку и этот тип памяти не обеспечивает уменьшения состояний ожидания при обращении к первому биту памяти ("5-1-1-1"). При этом цена модулей SDRAM по сравнению с памятью EDO-типа оказалась выше, поскольку их создание потребовало от производителей внесения ряда конструктивных и технологических изменений (в частности, был увеличен размер кристалла).

Это заставило разработчиков устройств памяти вновь обратиться к технологии EDO DRAM. В результате ее усовершенствования была создана память типа Burst EDO DRAM, обеспечившая возможность потоковой обработки. При этом предполагалось использовать новый тип памяти исключительно на рынке ПК. Burst EDO DRAM позволяет поддерживать потоки, содержащие до четырех байтов информации. Однако и эта память не смогла повысить скорости доступа к первому байту потока, хотя все последующие байты считываются со скоростью 66 МГц, что соответствует максимальному быстродействию SDRAM.

В настоящее время идет борьба между сторонниками двух технологий - BEDO DRAM и SDRAM - за лидирующее положение на рынке компьютеров с частотой шины данных до 66 МГц. Несмотря на то, что модули памяти SDRAM дороже, к настоящему времени большее число производителей отдает все же предпочтение именно им. Это обусловлено и тем, что производителям микросхем удалось устранить различия в функциональных спецификациях собственных продуктов, большинство из которых теперь соответствует стандартам JEDEC.

Кроме того, некоторые крупные производители предлагают менее дорогие версии SDRAM, получившие название SDRAM Lite и предназначенные для работы на частотах 66 и 75 МГц. В них реализовано только подмножество полного набора функций SDRAM, однако это позволяет продавать устройства SDRAM Lite по цене, сравнимой со стоимостью BEDO DRAM. В связи с этим специалисты предсказывают, что устройства SDRAM найдут широкое применение при переходе к более быстродействующим шинам. "Расцвет" технологии BEDO DRAM, по их мнению, вероятно придется на 1996 год, а затем она постепенно уступит место другим методам.

В настоящее время имеются микросхемы SDRAM, обеспечивающие поддержку шин с частотой 67, 83, 100 и 125 МГц. По мере роста тактовой частоты процессоров, быстродействие SDRAM будет также увеличиваться. Поэтому в дальнейшем планируется выпустить и более быстрые устройства SDRAM c шиной на 167, 200 и 250 МГц.

Повышенная пропускная способность SDRAM может быть использована как для повышения производительности ПК, так и для поддержания ее на том же самом уровне с одновременным уменьшением цены компьютера за счет исключения кэш- памяти второго уровня (или, применительно к графическим системам, специального буфера).

Используемая в SDRAM синхронизация упрощает также конструкцию систем и контроллеров памяти и обеспечивает уменьшение их стоимости. Например, микросхема 16 Мбит SDRAM может заменить четыре чипа 4 Мбит EDO, причем производительность при этом увеличится приблизительно на 20%.

Таким образом, в долгосрочном плане SDRAM предоставляет важное преимущество: возможность обеспечить соответствие пропускной способности памяти быстродействию процессора. Причем наиболее привлекательным аспектом SDRAM, по мнению экспертов, является тот факт, что наращивание производительности не требует перепроектирования систем, а значит и дополнительных финансовых затрат.

Как считают специалисты, массовый переход отрасли на устройства SDRAM начнется уже в будущем году.

Там, за горизонтом...

Следующим поколением устройств оперативной памяти, по мнению экспертов, станет Rambus DRAM (RDRAM). Этот тип памяти основан на технологии высокоскоростного интерфейса памяти, разработанного американской компанией Rambus. Многие ведущие производители чипов оперативной памяти и других интегральных схем, среди которых компании IBM, NEC, Toshiba, Samsung Electronics, Hitachi, уже приобрели у Rambus лицензии на использование технологии RDRAM. Сообщается, что доходы этой компании, полученные от продажи лицензий на ее технологию, за три первых квартала 1996 года составили 200 млн. долл.

На базе технологии Rambus разрабатываются различные устройства, в том числе графические подсистемы для ПК и специализированные графические рабочие станции, микросхемы оперативной памяти, игровые приставки и коммуникационное оборудование для сетей ATM.

Уже выпускаются или только анонсированы продукты, оснащенные микросхемами RDRAM. В их число входят, например, рабочие станции Indigo2 IMPACT компании Silicon Graphics, 64-разрядные домашние игровые приставки Nintendo 64, графические платы Graphics Blaster MA302 производства Creative Labs, семейство графических контроллеров Laguna компании Cirrus Logic и мультимедиа-процессоры Mpact производства Chromatic Research. Появились сообщения о том, что Microsoft выбрала RDRAM для своей системы трехмерной графики, получившей название Talisman.

По словам представителей компании Rambus, объемы поставок интегральных схем RDRAM превзошли их ожидания - ежемесячно поставляются миллионы таких устройств. Этот успех связывается, в первую очередь, с продажами Nintendo 64 и Graphics Blaster. Согласно данным, приводимым компанией Nintendo, темпы продажи ее новой 64-разрядной игровой приставки превысили аналогичные показатели всех конкурирующих продуктов, а Nintendo 64 уже стала наиболее успешно продаваемой игровой приставкой за всю историю компании. Каждая же система Nintendo 64 содержит три интегральные схемы, выполненные на базе технологии Rambus.

Руководители Rambus считают, что по мере того как трехмерная графика и мультимедиа-технология становятся важнейшими направлениями развития компьютерной отрасли, RDRAM будет постепенно вытеснять другие типы памяти.

По мнению аналитиков, технология Rambus обеспечивает наиболее эффективный с точки зрения затрат вариант для ПК, требующих большого объема оперативной памяти. В частности, буфер кадров емкостью 2 Мбайт, используемый в 64-разрядной графической подсистеме, основанной на технологии Rambus, сочетает наименьшую стоимость микросхем памяти с наивысшей пропускной способностью по сравнению с аналогичными показателями любой другой известной на сегодняшний день технологии.

Важным этапом на этом пути стал анонс 16 Мбит микросхем RDRAM, выполненных на базе усовершенствованной архитектуры Concurrent RDRAM. Об этом в мае 1996 года объявили компании LG Semicon, NEC, Oki Electric Industry, Samsung Electronics и Toshiba. Новая архитектура обеспечивает очень малую задержку при обращении к памяти, а также удвоение пропускной способности по сравнению с существующими устройствами Rambus DRAM.

Несмотря на то, что устройства Rambus DRAM всегда предоставляли наивысшую (по сравнению с другими типами памяти) пропускную способность, это происходило ценой большей задержки (или временем доступа к первому байту массива памяти). В новой архитектуре Rambus удалось сделать задержку сравнимой с аналогичным показателем у самых "быстрых" микросхем EDO DRAM.

Технология Rambus представляет собой высокоскоростной интерфейс, который обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 600 Мбит/с через Rambus Channel - шину данных, разрядность которой эквивалентна одному байту.

Согласно оценкам аналитиков, плотность микросхем DRAM каждые три года увеличивается в четыре раза. Поэтому для обеспечения необходимого объема оперативной памяти требуется все меньшее число микросхем. Таким образом, эффективность памяти характеризуется долей ее пропускной способности, приходящейся на один контакт (pin). RDRAM обеспечивает в восемь раз большую пропускную способность в расчете на один контакт по сравнению с другими микросхемами памяти.

В соответствии с прогнозом, массовые поставки микросхем Concurrent 16 Мбит RDRAM начнутся в 1997 году. Ожидается, что модули памяти RDRAM при этом будут сравнимы по цене с традиционными устройствами DRAM, используемыми в ПК с большим объемом оперативной памяти. Это объясняется тем, что Rambus DRAM разрабатывалась с прицелом на недорогую массовую продукцию. В ней используется ядро традиционной динамической памяти. При изготовлении элементов RDRAM применяются стандартные технологические процессы производства обычных интегральных схем и печатных плат, а для размещения - обычные пластмассовые корпуса с малым числом контактов.


Сравнение быстродействия различных типов памяти

Тип памяти
Такты генератора
Кэш L2 (Static RAM)
2-1-1-1
SDRAM
5-1-1-1
BEDO DRAM
5-1-1-1
EDO DRAM
5-2-2-2
FPM DRAM
5-3-3-3


Что-то с памятью моей стало...

Дефицит ОП может выражаться по-разному:

Советы специалистов


Заменит ли SDRAM память EDO?

Предполагается, что в 1997 году микросхемы памяти SDRAM емкостью 16 Мбит получат широкое распространение, что связано с выпуском новых процессоров Pentium Pro. Устройства EDO должны доминировать на рынке до 1998 года, какое-то время после этого они будут сосуществовать с микросхемами SDRAM. Согласно мнению аналитиков, память EDO будет по-прежнему активно использоваться на компьютерах, оснащенных процессорами Pentium, а микросхемы SDRAM найдут наибольшее применение в системах на базе Pentium Pro.


На что годится SDRAM?

По мнению специалистов, SDRAM может найти широкое применение, в том числе в качестве основной памяти высокопроизводительных ПК и рабочих станций, в устройствах класса palm-top и электронных секретарях (PDA), недорогих сетевых компьютерах, в графических подсистемах, для замены кэш-памяти второго уровня, для игровых приставок и устройств для приема передач кабельного и спутникового ТВ, для буферов данных в накопителях на жестких дисках, устройствах передачи данных и в другом коммуникационном оборудовании. При этом SDRAM способна обеспечивать требуемую производительность для всех перечисленных систем.

SDRAM дает разработчикам ПК возможность использования для подсистем памяти UMA-архитектуры и позволяет также отказаться от применения внешней кэш-памяти при сохранении производительности систем.

При использовании в рабочих станциях SDRAM поддерживает пропускную способность памяти до 100 МГц. В сочетании со схемой чередования доступа это позволяет упростить архитектуру шины памяти.

В случае приставок (set-top box) одна микросхема SDRAM емкостью 1 Мбит может заменить 4 микросхемы FPM DRAM по 256 Кбит и обеспечить доступ к данным со скоростью 135-200 Мбайт/с (величина, необходимая для работы видеоприложений, реализованных в стандарте MPEG-II). Выгода от такой замены будет выражаться не только в уменьшении удельной цены (в расчете на один бит данных), но и в уменьшении энергопотребления, экономии свободного места на плате и возможности использования более простого контроллера с 16-разрядной шиной (вместо 64-разрядной).

В коммутаторах ATM микросхемы SDRAM позволяют обеспечить эффективную, с точки зрения стоимости, замену микросхем статической памяти (Static RAM), сохраняя при этом достаточную пропускную способность коммутаторов.


Основные особенности SDRAM


А что у нас?

Не берусь оценивать всю ситуацию с использованием SDRAM на всем российском рынке. Однако вот что удалось выяснить в московском офисе фирмы "Пирит". Поставки устройств SDRAM не носят массового характера. Российские пользователи пока не проявляют сильную заинтересованность в новом типе памяти. По мнению специалистов фирмы, это объясняется тем, что на большей части установленных в России компьютеров преимущества технологии SDRAM не будут заметны. Устройства SDRAM до сих пор гораздо дороже модулей памяти типа FPM и EDO DRAM, а чипсеты, поддерживающие SDRAM, выпускаются еще не в достаточном объеме. В силу конструктивных различий модулей памяти, их нельзя совместно устанавливать на имеющихся материнских платах. Поэтому желание использовать "память нового типа в старых компьютерах" потребует замены и материнской платы, а следовательно, и дополнительных затрат. Таким образом, все эти обстоятельства пока останавливают российского пользователя и делают нецелесообразным использование памяти SDRAM.


Особенности микросхем 16 Мбит Concurrent RDRAM

Previous&Next


Computerworld Россия Содержание Новости Интернет Обзор и подробности


Популярность: 43, Last-modified: Tue, 21 Jan 1997 22:43:01 GMT