HWSW

A sávszélesség sosem elég

A Samsung bemutatta a világ első DDR3 szabványú memóriachipjét. A chipek az ígéretek szerint négyszer gyorsabbak, mint a jelenleg kapható DDR, és kétszer, mint a DDR2 lapkák. Cikkünkben bemutatjuk, hogy működnek a DDR memóriák és hogy miben jelent áttörést a korábbi generációkhoz képest a DDR3.

A Samsung, amely a legnagyobb memóriagyártó a Földön, bemutatta a világ első DDR3 szabványú memóriachipjét. A 80 nanométeres csíkszélességgel készülő, 512 megabites kapacitású chipek az ígéretek szerint négyszer gyorsabbak, mint a jelenleg kapható DDR, és kétszer, mint a DDR2 lapkák. A DDR illetve DDR2 specifikációknak megfelelő chipekkel szintén a Samsung készült el először, 1998-ban és 2001-ben.

A sajtóközlemény 1066 Mbps, azaz megabit másodpercenkénti átvitelről ad hírt, amit a szaksajtó túlnyomó többsége kiegészítő magyarázat nélkül át is vett -- mint sávszélességet. Ez az érték rendkívül alacsony lenne annak fényében, hogy egy kettővel fejlettebb generáció képviselőjéről és négyszeres sebességről beszélünk. A probléma abból adódik, hogy bár a megadott adat helyes, az összehasonlíthatóság kedvéért feloldásra szorul, hiszen egy DDR400-as chipekkel szerelt PC3200 modul, amint neve is mutatja, 3200 Mbyte adatot képes másodpercenként átpumpálni adatbuszán. Ez pedig 25600 megabit per másodperc sávszélességet jelent.

A megoldás kulcsa azonban rendkívül egyszerű: a Samsung által megadott érték (effektív) vezetékenként, azaz egy bitnyi sávszélességben értendő. Tekintve a tervezési és gyártási költséghatékonyság DRAM-piac feletti uralmát, a DDR3 még el nem fogadott szabványa a DDR/DDR2 modulokhoz hasonló 64 bites adatbuszt takar. Az átviteli csúcsérték tehát az egy bitnyi adatsávra jutó feldolgozási sebesség 64-szeresét képezi, azaz másodpercenként 68266,67 megabitet, vagyis 8533,33 megabájtot.

A DDR3 prototípus

A Samsung és az IDC piackutató vállalat alapján a DDR3 chipekkel szerelt modulok kereskedelmi megjelentése 2006-ra esedékes, részesedése a szállításokból pedig 2008-ban 37, míg 2009-ben már 65 százalékot fog kitenni. Ennek megfelelően a termelés megkezdése jövő év elején esedékes, míg a tömegtermelés iparszerte egy évvel későbbre esik majd. Jelenleg egyelőre a DDR2 memória sem terjedt el széleskörűen. Az áttörés idén várható, amikoris az Intel DDR2 modulokat támogató chipsetjeinek eladásai felfutnak, és az AMD is frissíti Opteron és Athlon 64 processzoraiban a memóriavezérlőt. A DD2 az uralmat így már 2006-ra átveheti.

Lemaradásban

A processzorok feldolgozási sebességének és az ebből fakadó adatéhségnek exponenciális robbanásával a memóriatechnológiák nem bírtak lépést tartani. Míg a pentiumos korszakban a processzor órajele legfeljebb 3,5-szeresen haladta meg a memóriachipek sebességét, addig ez az arány a Pentium III idejében már 10,5-re emelkedett, ma pedig, a leggyorsabb Pentium 4 3,8 GHz-es órajelével szemben a leggyorsabb (szabványos DDR400) chipek is annak 19-edén, azaz 200 MHz-en ketyegnek. Ez pedig nem jelent mást, minthogy a processzor sebessége messze elhagyta a memóriachipekét, adat nélkül pedig a processzor csak vár, és vár...

A memória valódi, effektív teljesítményének megfelelő növeléséhez a memóriagyártók más, vonzó utat találtak. A memóriaipart kíméletlenül a költség és a volumen uralja, ezért a memóriaszabványokért felelős JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) a tervezési és gyártási költségek alacsonyan tartásával kellett, hogy kifejlessze az SDRAM utódját. Ez evolucionista megközelítést követel, azaz a korábban felhalmozott tudásból, tapasztalatokból, berendezésekből a lehető legtöbbet megtartva, minél kevesebbet változtatva célszerű létrehozni újabb szabványokat.

A világ legnagyobb DRAM-gyártói 2004 második negyedévében

Vállalat Második negyedév Első negyedév Növekedés (%)
Bevétel Piaci részesedés Bevétel Piaci részesedés
Samsung Electronics 1980 29,7 1585 28,4 24,9
Hynix Semiconductor 1139 17,1 921 16,5 23,7
Micron Technologies 1021 15,3 1002 18,0 1,9
Infineon Technologies 941 14,1 798 14,3 17,9
Elpida Memory 360 5,4 240 4,3 50,0
Többi 1235 18,4 1026 18,5 20,4
Összes 6676 100,0% 5573 100,0% 19,8

Forrás: Gartner/Nikkei

További követelmény a fogyasztás és hőtermelés kordában tartása, vagy lehetőség szerinti drasztikus csökkentése. Köszönhetően az egyre finomodó gyártási eljárásoknak, azonos órajelen a chipek egyre kevesebbet fogyasztanak. A demózott DDR3 chip például elméletileg egy hasonló kapacitású DDR400 chip fogyasztásának negyedével is beérheti, hiszen a feszültség 2,5 voltról másfélre csökkent, miközben órajele is alacsonyabb. A DDR2 modulok feszültsége 1,8 volt. Ez a csökkenés a következő generációt mind vonzóbbá teszi az előző technikáknál, főként a hordozható számítógépekben és a nagy sűrűségű adatközpontokba szánt szerverekben való felhasználáskor.

Ezek mellé társult az a trükk is, hogy egy számítógépben nem egy csatornán, hanem kettőn (dual channel), négyen vagy akár többön is áramolhatnak az adatok, több modul összefogásával. Így extra fejlesztési költségek nélkül az elméleti sávszélességet megduplázhatjuk, megnégyszerezhetjük, sokszorozhatjuk.

Bevezetés a DDR3 működésébe

DDR-történelem

Az SDRAM esetében a memóriamodulon található chipek, de az adatátvitel szempontjából releváns alkatrészek is az adatbusszal megegyező órajelen futottak, tehát az egész modul szinkronban működött. Ahhoz, hogy egységnyivel növeljük a valós adatátvitelt, egységnyivel növelni kellett a chipek órajelét.

Az egyre gyorsabb chipek költséghatékony előállítása növekvő nehézségekbe ütközik tömegtermelési szinten, ami komoly problémát jelent a gyártók számára az árvezérelt piacon. A figyelem ezért olyan technika kidolgozására irányult, amellyel spórolni lehet a memóriachipek képességein, miközben a sávszélesség jelentősen emelkedik. A chipek ára egy modul költségének körülbelül 90 százalékát képezi.

Ebből az indíttatásból született meg a DDR, azaz a double data rate koncepciója, amelyet 2000 júniusában szabványosítottak is. A DDR SDRAM memóriák a sima, a megkülönböztethetőség kedvéért utólag SDR-nek keresztelt SDRAM memóriánál azonos chipfrekvencián kétszer annyi adatot képesek mozgatni. A trükk elektronikailag abban rejlik, hogy az adatbusz felé a modul belső kommunikációs I/O átmeneti tárolói (buffer) nem csak az elektromos hullámjel felszálló, hanem leszálló ágában is továbbítanak adatot -- amit a túloldalon lévő fogadóeszköznek, a memóriavezérlőnek természetesen képesnek kell lennie lekezelni.

Mivel a chipek a külső adatbuszhoz képest fele effektív órajelen futnak, ezért ez csak úgy lehetséges, hogy ha egy bitnyi sávhoz a bufferbe két bit adat érkezik egy valós (chip)órajel alatt. A megoldás tehát az, hogy a modul belső szélességét a (külső)adatbusz szélességének kétszeresére kell emelni, jelen esetben 128 bitre.

A szabványos SDR SDRAM 133 MHz-en fulladt ki, a DDR pedig 100 MHz-en debütált, átviteli sebessége a 200 MHz-es effektív órajel miatt mégis másfélszerese volt. Nem felhőtlen az öröm azonban, ugyanis az alacsonyabb órajel miatt a chipek késleltetése nagyobb, így az adatáramlás megindulásáig többet kell várnia a processzornak. A DDR266/333/400 szabványú chipekkel szerelt modulok ellenben már minden tekintetben felülmúlják kiöregedett társaikat -- köszönhetően 133,33, 166,67 és 200 MHz-es chipjeiknek.

A DDR jelene és jövője

A saga folytatódik. A JEDEC által jóváhagyott leggyorsabb DDR szabvány a DDR400. A sebesség további erőből való növelésével szemben ismét célszerűbbnek látszott az eddig jól sikerült mutatvány tovább fokozása. Az órajelarányos sávszélesség megduplázásához a feladat most az, hogy egy órajelre a chipek sávonként 4 bitet préseljenek ki magukból.

Jelenleg a négyszeresen pumpált adatátvitel (a Pentiumok és Celeronok buszrendszere ilyen) kivitelezése elektronikailag túlságosan drága a memóriák szempontjából, ezért a DDR adatbusznak maradnia kellett. Így ehhez a megoldáshoz 256 bitesre kellett szélesíteni belül a modulokat, a kommunikációs buffer sebességét pedig a chipek órajelének kétszeresére kellett emelni, hogy az egy (busz)sávra egyszerre érkező 4 bitnyi adatot kétszer kettes blokkokba rendezve képes legyen az adatbusz jelének fel- illetve leszálló ágában továbbítani.

Innen a DDR3 koncepciója már kézenfekvő. Órajelenként 8 bitet kell továbbítania egy buszsávhoz a chipeknek, azaz a belső szélesség már 512 bit. Az I/O buffer órajele ekkor már négyszerese a chipekének, feladatához mérten szinkronban az adatbusz valódi órajelével, amely a chipekhez képest azonban már nyolcszoros effektív frekvencián fut ekkor. Ezek alapján valószínűsíthető, hogy a Samsung által demózott DDR3 prototípusokon található chipek 133,33 MHz valódi órajelen futottak, amely kétharmada a DDR400 valós órajelének, miközben sávszélessége ennek ellenére is 2,67-szerese. Azonos órajel esetén a fölény elméletileg négyszeres a papírforma alapján.

Működési elv
Egyes memóriatípusok összehasonlítása 100 MHz-es chipórajelen

Mielőtt csettintenénk egy jóízűt, sajnos ismét fel kell hívnunk a figyelmet a sávszélesség ilyetén fokozásának legnagyobb hátrányára: a késleltetés abszolút és relatív növekedésére. Hogy szemléltessük a kérdést, egy elméleti konstrukcióban vegyünk egy-egy DDR-400, DDR2-400 illetve DDR3-400 chipekkel szerelt modult. A memóriachipek valód órajelei sorrendben ekkor 200, 100 és 50 MHz -- azaz a DDR3 késleltetése időben (nanosecundum) és a processzor órajelében mérve több mint négyszeresére fog növekedni.

Erőteljesen véletlenszerű memóriahozzáférés esetén ez rengeteg processzoridő elpazarlásához vezet. A DDR2 és DDR3 modulok magasabb késleltetése várhatóan az AMD Opteron és Athlon 64 processzoraira lesz rosszabb hatással, mivel integrált memóriavezérlő révén sokkal nagyobb arányban romlik a hozzáférés késleltetése, mint a Pentium 4 és Celeronok esetében.

Miközben sávszélességük azonos, a késleltetés drasztikusan növekszik. Tehát a DDR2 kétszeres, a DDR3 négyszeres sávszélesség mellett is csak megközelíteni fogja a DDR modulok késleltetését, ez pedig nem igazán jó hír, hiszen így a memória processzorhoz viszonyított reakcióképessége úgy néz ki, nem javul a jövőben, legalábbis az évtized végéig számottevően nem -- a Rambus által propagált XDR memória (a PlayStation 3 is ilyet fog használni) sem alacsony késleltetéséről, mint inkább brutális átviteléről ismert.

Az Intelnek, úgy néz ki, mégiscsak igaza volt abban, hogy a számítástechnika a folyamszerű memóriaátvitel felé mozdul, amihez a magas processzorórajel alkalmasabb. Szerencsétlenségére viszont közbeszólt a mikroelektronika, vagy méginkább a kvantummechanika törvényszerűségeinek egyre erősebb működése, így a szivárgási áram elharapózódása bojkottálta egy időre a frekvencia egekig való srófolását. Addig is a hamarosan érkező kétmagos processzorok száját sem lesz könnyű feladat betömni.

Véleménye van?

A cikkben hivatkozott linkek:
[1] http://forum.hwsw.hu/index.php?showtopic=82777
[2] https://www.hwsw.hu/velemeny.php3
A cikk adatai:
//www.hwsw.hu/hirek/40824/a-savszelesseg-sosem-eleg.html
Író: Bizó Dániel (bizo.daniel kukac hwsw.hu)
Dátum: 2005. február 21. 14:45
Rovat: vállalati it