Double Data Rate II. Часть 1: Теория

Массовый переход на новый тип оперативной памяти – DDR2 – уже произошёл. Однако выгода от такого перехода далеко не всегда очевидна, да и парк компьютеров с DDR-400 ещё очень велик. Рассмотрим преимущества и недостатки нового поколения памяти и попробуем решить, насколько оправдан такой апгрейд в настоящее время.

Память стандарта DDR2 изначально появилась и использовалась как память для видеокарт – в виде так называемой GDDR2 (Graphic DDR2). Впервые чипы этого стандарта были использованы на видеокарте GeForce FX 5800 Ultra в 2003 году. В январе 2004 года организация JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council), в состав которой входят многие производители микросхем, чипсетов и модулей памяти, утвердила «настольную» спецификацию DDR2, а массовый переход на этот тип памяти в качестве ОЗУ начался лишь в 2005 году, после выпуска компанией Intel наборов системной логики i925 и i915.
Принцип работы памяти DDR2 основан всё на той же технологии DDR (Double Data Rate). Первые чипы DDR2 работали на частотах, являющихся пределом для текущего поколения памяти DDR-400 (стандарт PC3200, тактовая частота 200 МГц), но её дальнейшие варианты существенно его превосходили. На сегодняшний момент наибольшее распространение получили модули памяти с частотными спецификациями DDR2-533, DDR2-667 и DDR2-800.

Особенности
Передача данных в стандарте DDR2, как и DDR, идёт по 64-битной шине. При этом используются обе части синхросигнала, что, собственно, и обеспечивает удвоенную эффективную скорость передачи данных по отношению к частоте. Преимущества DDR2 заключаются в ряде нововведений, которые позволяют осуществить скачок к гораздо более высоким частотам и большим ёмкостям массивов микросхем, параллельно уменьшив энергопотребление модулей. Чипы DDR2 изготавливаются с использованием упаковки FBGA (Fine Ball Grid Array) вместо TSOP-II. Упаковка FBGA – которая, к слову, уже давно используется на видеокартах – является более компактной, чем традиционный вариант, и позволяет достичь больших ёмкостей микросхем при меньшем размере и улучшенных электрических и термических характеристиках. Сами модули производятся в новом форм-факторе: в виде 240-контактных модулей DIMM, электрически не совместимых со слотами для модулей памяти типа DDR по количеству выводов, расстоянию между ними и цоколёвке модулей.

Модуль памяти DDR-II

Потребляемое модулями DDR2 напряжение – 1,8 В, что значительно меньше по сравнению с напряжением питания DDR (2,5 В). Благодаря этому, удалось снизить энергопотребление, что очень важно для тех устройств, в которых проблема рассеиваемой модулями памяти мощности занимает не последнее место – например, ноутбуков, крупных рабочих станций и серверов.
Таким образом, стандарт DDR2 не предусматривает обратной совместимости с DDR.

Выборка данных
Главным новшеством в технологии DDR2 является возможность выборки 4 бит данных за такт (так называемый 4n-prefetch), в противовес 2-битной выборке (2n-prefetch) у DDR. Это означает, что при каждом такте шины памяти 4 бита информации пересылаются по одной линии интерфейса данных из логических банков микросхемы памяти в буферы ввода-вывода, тогда как обычная DDR способна переслать лишь 2 бита за такт на линию. Однако при этом эффективная пропускная способность DDR2-400 остаётся такой же, как и у обычной DDR-400 (3,2 Гбайт/с), а не удваивается, так как ширина внешней шины данных осталась прежней – 1 бит на линию, как и её эффективная частота (в рассматриваемом примере – 400 МГц). В чём же преимущество выборки 4n-prefetch?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сначала рассмотреть, как работает обычная память типа DDR-400: ядро памяти и буферы ввода-вывода функционируют на частоте 200 МГц, а эффективная частота внешней шины данных, в связи с использованием технологии DDR, равна 400 МГц. При выборке 2n-prefetch, на каждом такте памяти (200 МГц) по каждой линии интерфейса данных в буфер ввода-вывода поступает 2 бита информации. Этот буфер нужен для мультиплексирования/демультиплексирования (операция MUX/DEMUX) потока данных – то есть, попросту, для перегонки узкого высокоскоростного потока в широкий низкоскоростной и наоборот. А так как в микросхеме памяти DDR SDRAM логические банки имеют ширину шины данных, соединяющую их, и усилитель уровня в два раза шире, чем от защёлок на чтение до внешнего интерфейса, буфер данных включает в себя мультиплексор типа 2-1. В общем случае это означает, что внутренний поток данных шириной A и частотой передачи B от массива преобразуется во внешний поток шириной A/2 и частотой 2B. Это называется балансом по пиковой пропускной способности. При разработке стандарта DDR2 была создана более сложная схема с дополнительной ступенью преобразования – мультиплексором типа 4-1. Это означает, что выход ядра стал в четыре раза шире внешнего интерфейса микросхемы и во столько же раз ниже по частоте функционирования. По аналогии с рассмотренным выше примером – схема MUX/DEMUX 4-1 осуществляет преобразование внутреннего потока данных шириной A и частотой передачи от массива B во внешний поток шириной A/4 и частотой 4B. Поскольку в этом случае ядро микросхем памяти синхронизируется на частоте, вдвое меньшей по отношению к внешней (100 МГц) – тогда как в DDR синхронизация внутреннего и внешнего потока данных происходят на одной частоте (200 МГц) – то отмечается увеличение процента выхода годных чипов и снижение энергопотребления модулей. Именно этот факт объясняет причину достижения чипами памяти стандарта DDR2 таких высоких частот (до 1066 МГц). Из вышесказанного следует, что если осуществить по схеме 4n-prefetch выборку данных в памяти типа DDR-400, то можно заставить работать её на частоте 800 МГц. Таким образом, создание стандарта DDR2 означало отказ от экстенсивного пути развития чипов памяти, заключавшемся в простом наращивании тактовых частот, что, в свою очередь, затрудняло производство стабильно работающих высокочастотных модулей памяти в большом количестве.

Внутричиповое терминирование
Важным новшеством DDR2 является внутри-чиповое терминирование сигнала. Суть его заключается в том, что для устранения излишнего электрического шума на шине памяти для нагрузки линии используются резисторы не на материнской плате (как это было с предыдущими поколениями памяти), а внутри самих чипов. Когда чип находится в работе, эти резисторы деактивируются, а как только микросхема входит в состояние ожидания – активируются. Поскольку гашение сигнала теперь осуществляется намного ближе к его источнику, это позволило устранить электрические помехи внутри чипа памяти при передаче данных. Но есть у данной технологии и свой минус: такая схема терминирования сигналов приводит к возникновению значительных статических токов внутри чипов памяти, что ведет к их разогреву. Это одна из причин ограничения дальнейшего роста частот.

Задержки DDR2
Добавочная задержка – усовершенствование, призванное минимизировать простои планировщика команд при передаче данных из памяти и в память. Введение этой задержки дало возможность выдавать данные непрерывным потоком и максимизировать реальную пропускную способность памяти – но, к сожалению, повысило латентность памяти в целом.
Задержка выдачи CAS. С точки зрения частоты внешней шины, память DDR2 работает на более высоких скоростях, чем DDR SDRAM. Но поскольку новый стандарт не предполагает каких-либо существенных изменений в технологии производства самих чипов, статические задержки должны оставаться более-менее постоянными. Типичная величина собственной задержки устройств DRAM типа DDR — 15 нс. Для DDR-266 (со временем цикла 7,5 нс) это эквивалентно двум тактам, а для DDR2‑533 (время цикла – 3,75 нс) — четырём. По мере дальнейшего увеличения частот памяти необходимо множить количество поддерживаемых значений задержки выдачи сигнала CAS в сторону больших значений. Определенные стандартом DDR2 величины CAS Latency находятся в интервале целых чисел от трёх и более тактов, а использование дробных задержек (кратных 0,5), как было в DDR, в новом стандарте не допускается.

Технические характеристики различных спецификаций DDR

Задержка записи. Стандарт DDR2 также внёс изменения в спецификацию задержки записи. DDR SDRAM имеет задержку записи, равную 1 такту. Это означает, что устройство DRAM приступает к захвату информации по шине данных в среднем через один такт после поступления команды на запись (WRITE). Но из-за сильно возросших тактовых частот у DDR2 этот промежуток времени оказывается слишком малым для того, чтобы устройство DRAM могло успешно подготовиться к захвату данных. В связи с этим в стандарте DDR2 задержка записи была определена как задержка выдачи CAS за вычетом 1 такта. К тому же, привязка задержки записи к задержке CAS не только позволила достичь более высоких частот, но и упростила синхронизацию команд чтения и записи.

Заключение
Таким образом, возросшие задержки памяти типа DDR2 в целом можно считать одной из немногих характеристик, по которой новый стандарт проигрывает спецификации DDR. В связи с чем совершенно очевидно, что равночастотная DDR2 не имеет каких-либо преимуществ в плане скорости по отношению к DDR. Преимущест-ва и недостатки более высокочастотных модулей, а также оптимизацию таймингов и разгон на различных системах, мы рассмотрим на практике в одном из ближайших номеров «МБ».

При подготовке статьи использовались материалы сайта www.ixbt.com.


Рекомендуем почитать: