Přehled nových standardů operačních pamětí osobních počítačů

Různé paměťové technologie soupeří o podíl na trhu. DDR400 a DDR2 SDRAM se
etablovaly v oblasti osobních počítačů a serverů. Vývojáři však již pracují na

DDR3, FB DIMM a XDR DRAM. V rámci dnešních počítačových systémů patří DDR SDRAM

stále ještě ke standardním operačním pamětem.

Vývoj této nové paměťové technologie se však dal velmi prudce do pohybu. V

polovině roku 2000 se objevily první čipové sady podporující DDR200/266 SDRAM.

Dnes výrobci pamětí již dodávají moduly DDR400 a takové, které tuto specifikaci

překonávají.

Konec této technologie je možné zahlédnout již dnes, neboť od června roku 2004

se díky paměťové technologii DDR2 objevila na trhu nová generace. Její

přednosti: při stejné šířce pásma pracuje DDR2 s poloviční interní taktovací

frekvencí a podstatně snižuje oproti dosavadním pamětem DDR spotřebu energie.

Výrobce čipů VIA zatím rovněž sází na novou paměťovou generaci DDR2. Zpočátku

tato tchajwanská společnost po dlouhou dobu dávala přednost technologii Qaud

Band Memory (QBM), ale veškerý rozruch kolem ní po jisté době utichl.

Technickým trikem se zdvojnásobí šířka pásma paměťových modulů QBM, ačkoliv

byly použity pouze paměťové čipy standardu DDR 266/333/400.

Rovněž firma SiS se ubírala neprobádanou cestou při zvětšování šířky pásma

paměťové sběrnice. Tento výrobce čipů používal Intelem dlouho preferovanou

technologii RDRAM a společně s podnikem Rambus ji dále rozvíjel. V čipové sadě

SiSR659 používá firma SiS paměťové moduly PC1200 a technologii rozhraní Quad

Channel Memory na bázi RDRAM. V současných plánech sází SiS u svých nových

čipových sad rovněž na paměťovou technologii DDR2.

Vývoj nových paměťových technologií již přesahuje rámec roku 2007. Již dnes

prosakují první klíčové technické údaje grémia JEDEC o DDR3, tedy technologii,

která je nástupcem DDR2. Kromě toho se po nových cestách vydal jednak Intel

svou Fully Buffered DIMM, jednak Rambus svou XDR-DRAM.

JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) je sdružení pro standardizaci

polovodičových technologií, fungující v rámci organizace EIA (Electronic

Industries Alliance), tedy obchodní asociace reprezentující veškerá odvětví

elektronického průmyslu. JEDEC byl založen v roce 1960, v současné době má přes

300 členů a zabývá se zejména definováním standardů RAM, jako je např. DDR

SDRAM.



Tržní trendy současných paměťových technologií

Paměťové technologie DDR333 a DDR400 se úspěšně etablovaly na trhu. Každý

výrobce čipů začal poskytovat rozmanitou nabídku čipových sad, které podporují

oba typy paměti. Ceny se např. u modulu 512 MB liší o jednomístné částky v

eurech ve prospěch levnější DDR333. Podíl DDR333 na trhu je sice ještě vysoký,

ale v nadcházejících letech bude odsunut do pozadí právě kvůli nástupu

rychlejších pamětí DDR400 a DDR2.

DDR200 ještě hraje jistou nepatrnou roli, paměť PC133 v průběhu roku 2003 z

hlediska trhu ztratila význam úplně.

Protože Intel v současnosti nevyvíjí žádné další čipové sady s podporou RDRAM,

přítomnost této paměťové technologie na trhu čím dál tím více slábne.

Tchajwanský výrobce SiS sice ještě příslušné čipové sady má ve svém portfoliu,

ale u příslušných modulů nevykázal přesvědčivý odbyt.

Tržní podíl paměťové technologie DDR2 pro počítačové systémy roste od června

roku 2004, kdy Intel uvedl na trh čipovou sadu i915/i925. Uvedení dalších

čipových sad s podporou DDR2 ohlásila firma VIA na prosinec roku 2004 a firma

SiS na začátek roku 2005. Technologie DDR2 pak rychle nahradí paměť DDR SDRAM a

vytlačí ji z trhu.



Aktuální paměťové technologie

V roli nástupce DDR333 SDRAM se prosedila paměť DDR400, kterou v průběhu roku

opět začala nahrazovat DDR2 SDRAM. Výrobci čipů jako Intel již od druhého

čtvrtletí roku 2004 začali pro tyto paměťové technologie nabízet příslušné

čipové sady. VIA následovala na konci roku 2004, SiS na začátku roku 2005.

Standardy pro DDR333 SDRAM schválilo grémium JEDEC ve své specifikaci JESD-79 v

květnu 2002. Porodní bolesti DDR400 začaly na CeBITu 2002, kde VIA a SiS

představily první čipové sady pro tento typ paměti. Jako první začal čipy

DDR400 SDRAM nabízet Samsung. Avšak pro první paměťové moduly neexistovaly

žádné oficiální specifikace od JEDEC, takže každý výrobce pamětí si vytvořil

pro paměť DDR400 vlastní technické standardy. Nebylo tedy možné vyloučit, že

nastanou problémy s kompatibilitou.

Poté, co se Intel ještě v září roku 2002 jasně vyslovil proti paměti DDR400,

udělal tento podnik na jaře 2003 radikální obrat: čipové sady i875 (Canterwood)

a i865 (Springdale) nabízejí podporu pro režim Dual Channel DDR400. Intel

představil dokonce vlastní specifikace DDR400, které mají zajistit

kompatibilitu a bezpečnější fungování paměti. Např. specifikace revize 0.996 od

Intelu byla datována 12. března 2003. Na konci března roku 2003 grémium JEDEC

předložilo konečnou specifikaci DDR400. K podstatným inovacím paměti DDR400

oproti DDR333 patří její přesnější časování, změněné parametry provozního

napětí a lepší kvalita signálu ve vedení.

Pokud jde o RDRAM, paměť PC1066 úspěšně nahradila předchozí paměť PC800. Je

možné získat i moduly RDRAM 1200, ale pouze výjimečně a za příliš vysokou cenu.

Jediná čipová sada, která tuto paměťovou technologii v dnešní době používá, je

SiS R658/9. Intel neplánuje žádné další čipové sady s podporou RDRAM, takže v

budoucnu bude SiS jako jediný výrobce čipů podporovat RDRAM v oblasti desktopů,

serverů a pracovních stanic. Ovšem SiS nemá v plánu žádné další čipové sady s

podporou RDRAM, takže tato paměťová technologie s konečnou platností zmizí.



DDR2 před ostatními

V případě paměťové technologie DDR2 jde o další vývojový stupeň současných

standardů DDR SDRAM. Paměťové moduly v provedení DDR2 400 a DDR2 533 se již na

trhu etablovaly. Dosahují teoretické šíře pásma 2,98 GB/s (v případě DDR2 400),

respektive 3,97 GB/s (v případě DDR2 533). Paměti DDR2 667 a DDR2–800 mají na

počátku roku 2005 následovat s 4,97 a 5,96 GB/s. U modulů DDR2 800 ovšem

existují i další technické výzvy, jako např. užší AC-timing. To vyvolá nutnost

vylepšit design DIMM i design základní desky.

DDR2 přenáší data beze změny na DDR SDRAM s rostoucím a klesajícím impulsem. Se

4bitovým prefetchem dosahují moduly DDR2 oproti dosavadním pamětem DDR

dvojnásobné externí šířky pásma při stejné interní taktovací frekvenci. DDR400

a DDR2 400 s 2,98 GB/s mají tedy stejnou šířku pásma, ale DDR400 pracuje s

frekvencí paměti 200 MHz a DDR2 400 pouze se 100 MHz. Externí frekvence

sběrnice má u obou typů paměti hodnotu 200 MHz.

Paměťové čipy DDR2 požadují napětí 1,8 V

místo 2,5/2,6 V u DDR. Jelikož napětí aktivního pásma zvyšuje příkon

kvadraticky, u paměti DDR2 klesá oproti paměti DDR spotřeba energie na polovinu.

Kvalita signálu na datovém vedení u čipů DDR2 se má oproti čipům DDR zlepšit

pomocí technologie integrovaného zdroje signálu ODT (On Die Terminator). To

zaručí vyšší stabilitu za chodu. Navíc DDR2 používá „Off Chip Driver

Calibration“ (OCD). Tato technika slouží k tomu, že se dynamicky vyrovnává

kolísání zátěže paměťových buněk a tím se předchází poruchám signálu.

Funkce Posted CAS jde o metodu řízení instrukcí navíc zvyšuje efektivnost při

přenosu dat přes paměťovou sběrnici.

Poslední specifikaci pro paměť DDR2 zveřejnil JEDEC v září roku 2003 v

dokumentu označeném JESD-79–2. Téměř všichni renomovaní výrobci čipů již

začínají vytvářet čipové sady s podporou DDR2. Intel jako průkopník v tomto

oboru od června roku 2004 prodává čipovou sadu i915 (pod značkou „Grantsdale“)

a čipovou sadu i925 DDR2 (jako „Alderwood“) pro desktopy. Obdoba pro servery se

jmenuje E7320/E7520 („Lindenhurst“), pro pracovní stanice pak E7525

(„Tumwater“). VIA připravila produkt Apollo PT890, který je vybaven řadičem

Dual Channel DDR2. Stejným zařízením

disponuje i čipová sada SiS656 firmy SiS. ATI a NVIDIA chtějí s příslušnými

čipovými sadami následovat v roce 2005.



RDRAM na vedlejší koleji?

Kromě Intelu vlastní licenci na paměťovou technologii Rambus i SiS. Lze-li

věřit plánům Intelu, pak kromě 850E neexistuje žádná další jejich čipová sada s

podporou RDRAM. Tohoto stavu využil tchajwanský výrobce čipů SiS. Koncem roku

2002 tento podnik představil čipovou sadu R658 s paměťovým rozhraním Dual

Channel a podporou pro PC1066 RDRAM. V listopadu 2003 následoval R659 s

quad-channelovou paměťovou architekturou a podpora pro PC1200 RDRAM. V

současnosti však SiS nechystá pro paměť RDRAM žádné další čipové sady.

Čipové sady jako Intel 850E a SiS R658 s dvoukanálovou paměťovou sběrnicí

dosáhly svým PC1066 RDRAM šířky pásma 3,97 GB/s. Paměťové rozhraní Quad Channel

firmy SiS R659 nabízí díky 1 200 MHz RDRAM šířku pásma 8,94 GB/s. To dokáže

vytvořit dostatečné rezervy výkonu pro Pentium 4 s 800 MHz FSB. Procesorová

sběrnice se u FSB800 dostává na teoretickou šířku pásma 5,96 GB/s.

Pohled do plánů renomovaných výrobců pamětí napovídá, že se bude vyvíjet dále i

bez Intelu. Již počátkem roku 2005 zřejmě budou existovat moduly 64Bit RDRAM s

čipy PC1200 a PC1333. S šířkou sběrnice 4 × 16 bitů (Quad Channel) dosáhnou

maximální šířky pásma 8,94, respektive 9,93 GB/s. Další vývojové produkty jako

PC1600 RDRAM s šířkou pásma 11,92 GB/s (Quad Channel) plánují výrobci pro rok

2005.



Technologie Quad Band Memory končí

Technologie paměti Quad Band byla představena již v březnu roku 2000. Kromě

několika málo implementací SRAM se dosud QBM téměř nepoužívala. Prostřednictvím

licencí od VIA a grafiky S3 se měla QBM uplatnit také v osobních počítačích.

Moduly QBM měly být připraveny jako DDR533 a DDR667.

První základní desky (čipová sada PT880) s podporou QBM chtěla VIA expedovat

již koncem roku 2003. Následkem enormních technických problémů odsunul výrobce

uvedení QBM na neurčitou dobu. A tak je otázka, zda VIA vůbec někdy s produkty

QBM přijde.

Moduly QBM se v zásadě skládají ze dvou spojených modulů DDR. Zatímco v jednom

QBM modulu DDR667 pracuje paměťový blok běžným paměťovým taktem 333 MHz v

DDR333 SDRAM, v druhém je obrácen o 90 stupňů. Tímto způsobem dodávají oba

dílčí moduly svá data s časovým posunem 333 MHz vždy s rostoucí a klesající

stranou impulsu. Výstupy dílčích modulů se rychlým řadičem multiplexují, a tak

se pokládají frekvencí 667 MHz na datovou sběrnici. Šířka dat u DDR SDRAM s 64

bity se při QBM zachovává. Tímto způsobem se daří zdvojnásobit přenosový výkon

DDR333 SDRAM na 667 MHz. Tak poskytuje modul DDR667 QBM šířku pásma 5,3 GB/s

při stejném taktu jako DDR333 SDRAM.

Podle VIA jsou moduly QBM kompatibilní s existujícími 184 Pin širokými

rozhraními DDR SDRAM. Základní desky pro QBM nevyžadují žádný nový layout nebo

jiné drahé úpravy a mají být kompatibilní s DDR SDRAM. Výrobci paměti QBM

nemusejí platit žádné licenční poplatky.



DDR3 paměť budoucnosti

JEDEC pracuje již od poloviny roku 2002 na budoucí paměťové technologii DDR3

SDRAM. Podrobná klíčová technická data pro DDR3 se ještě se zcela přesně

neustálila. Při celkovém řešení, jakým je technologie DDR3, je totiž potřeba

paměťové čipy, registry, pufry a moduly nově specifikovat.

Nicméně grémium JEDEC již pár informací o ceně DDR3 poskytlo. Víme, že DDR3 je

dalším evolučním stupněm paměťové technologie DDR2 a svou 8bitovou technologií

Prefetch nabízí při stejné reálné taktovací frekvenci vyšší šířku pásma než

DDR2-SDRAM se 4bitovým Prefetchem. První moduly DDR3-SDRAM budou používat

taktovací frekvenci 800, respektive 1 066 MHz.

Aby se zajistil nízký příkon, pracuje paměť s napětím paměťového jádra 1,5 V.

Naproti tomu DDR2 vyžaduje 1,8 V a DDR400 2,6 V. Za účelem dalších úspor

energie disponuje DDR3 SDRAM účinnějšími mody řízení spotřeby. Paměť DDR3

slibuje rovněž pokrok, a to díky o 15 až 20 procent nižším čekacím dobám

(latence) při čtení dat. Přitom pozice v rámu zůstává u DDR3 DIMM stejná,

srovnáváme-li ji s moduly DDR2.

Stejně jako paměti DDR a DDR2 má i DDR3 pokrývat všechny oblasti použití od

desktopů až po servery. Od JEDEC očekáváme konečnou specifikaci standardů DDR3

koncem roku 2005. Hromadná výroba pak má následovat v letech 2006/2007. K

hlavním motorům vývoje paměťové technologie DDR3 patří Samsung, Infineon a

Micron.



FB DIMM

Pod názvem FB DIMM se skrývá označení „Fully Buffered DIMM“. FB DIMM

představuje novou technologii paměťového modulu. Má zajišťovat (výlučně v okolí

serveru), aby se navzdory rostoucí taktovací frekvenci paměti nemusela snižovat

paměťová kapacita systému, nýbrž aby se mohla naopak zvýšit. Intel chce s touto

novou generací paměťových modulů přijít na trh v roce 2005. Hromadná výroba se

neočekává do poloviny roku 2006.

FB-DIMM podporuje paměťové čipy DDR2 a DDR3. Každý model má vedle paměťového

čipu speciální tzv. hub-buffer čip. Tyto bufferové čipy vytvářejí přes 24

diferenciálních párů vedení spojení k řadiči paměti. Přes tuto sběrnici a

budící čip se data a řídící informace dostávají z řadiče paměti k paměťovým

modulům a naopak. Tyto FB DIMM, podobně jako Registered DIMM snižují zátěž

vedení pro adresy a řízení přes budící čip, který se mezitím přepnul.

Technologie FB-DIMM adresuje maximálně 288 zařízení na jeden paměťový kanál.

Oproti tomu se dosavadní postup spokojoval se 72. Výhoda spočívá v tom, že FB

DIMM potřebuje pro příslušné rozšíření kapacity paměti méně paměťových kanálů

než současný postup se standardním DIMM.

Další výhodou FB-DIMM jsou simultánní zapisovací a načítací operace, takže

efektivní šířka pásma připadající na paměťový kanál roste. Navíc zůstává

tvarový faktor DIMM (DIMM Form Faktor) zachován a počet pinů je rovněž stejný,

ovšem při jejich odlišném rozložení.



XDR DRAM I

Rambus v září 2003 představil (opíral se přitom o technologii RDRAM) XDR DRAM,

reprezentující novou generaci pamětí. Jako základ pro XDR DRAM používá Rambus

paměťové rozhraní vytvořené pod obchodním názvem Yellowstone. Mezi první

příjemce licence patří Elpida, Samsung a Toshiba. Hromadnou výrobu pamětí XDR

hodlají tito producenti zahájit již v roce 2005. Jako základní technologie bylo

XDR DRAM použito poprvé zřejmě v Playstation 3 od firmy Sony. Do oblasti PC má

tato nová paměť vstoupit v roce 2006. Uplatnění by XDR DRAM měla najít i v

serverech, mobilních systémech a síťových oblastech. Rambus již této nové

technologii připravil cestu pro uvedení na trh, protože první specifikace a

dokumentace jsou již nyní k dispozici.

Čipy XDR DRAM by měly existovat s variabilní šířkou datové sběrnice od 1 do 32

bitů. Taktovací frekvence přitom činí 3,2 GHz a lze ji měnit až na 6,4 GHz.

Např. 16 bitů široký XDR DRAM umožňuje šířky pásma 6,4 až 12,8 GB/s. Jádrem

technologie XDR je datová sběrnice s osminásobným přenosem během jednoho taktu.

Při reálné taktovací frekvenci od 400 do 800 MHz se za taktovací cyklus přenese

8 bitů s rostoucí a klesající stranou impulsu. Přitom vznikají efektivní

přenosové frekvence od 3,2 do 6,4 GHz. Současné PC1066 RDRAM pracuje s

taktováním 533 MHz při využití obou stran impulsu dosahuje 1 066 MHz.



XDR DRAM II

Další inovaci představuje technologie Flex Phase. Na rozdíl od tradiční

sekvenční synchronní techniky nepotřebuje Flex Phase žádné dodatečné řízení

zdroje synchronizačních impulsů. Takt a tok dat se vzájemně automaticky slaďují

na diferenciálních párech vedení. To zkracuje latence a zvyšuje využitelnou

šířku pásma. Díky diferenciálnímu signálu jsou pro signál zapotřebí dvě vedení

místo dosavadního jednoho.

Další předností XDR DRAM jsou Differential Rambus Signaling Levels (DRSL). Tyto

DRSL pracují s extrémně nízkým zdvihem signálu 200 mV. Úrovně signálu zůstávají

na napětí 1,0 a 1,2 V. Kromě toho Rambus umístil na čip obousměrně pracující

termínování s DRSL. Navíc XDR DRAM umožňuje díky vnitřnímu uspořádání paměti

současné a navzájem nezávislé zápisové přístupy. Tak se mohou např. na lichých

paměťových blocích (Odd BankSet) provádět zápisové přístupy a současně lze

načítat informace ze sudých paměťových bloků (Even BankSet).

Paměťové moduly s XDR-DRAM označuje Rambus jako XDIMM. První moduly mají v roce

2006 poskytovat šířku pásma od 12,8 do 25,6 GB/s. Tyto XDIMMy se vyznačují

stejným tvarovým faktorem a stejným počtem pinů jako moduly DDR2. Plán firmy

Rambus v příštích letech výhledově počítá s XDIMMy se 128bitovou šířkou dat a s

taktovací frekvencí 6,4 GHz. Tyto moduly pak poskytnou šířku pásma přes 100

GB/s.



Shrnutí

DDR SDRAM se stále prodává. Paměť DDR disponuje díky paměťovému ovladači Dual

Channel dostatečnou šířkou pásma na to, aby bez problémů zvládala zásobovat

daty i centrální procesorové jednotky (CPU) s FSB 800 MHz.

Technologií DDR2 vytvořili výrobci nástupce technologie DDR SDRAM. Finální

specifikace byly publikovány v září 2003, první čipové sady s podporou DDR2

jsou na trhu od června 2004. Již nyní je ovšem zřejmé, že v letošním roce

získává DDR2 SDRAM stále výraznější podíl na trhu a později může ostatní

paměťové technologie vytlačit.

Aby využila času zbývajícího do doby, kdy budou na trh uvedeny paměťové čipy

DDR2, vsadila firma VIA na technologii Quad Band Memory. Ta se měla začít

používat již začátkem roku 2004 v čipové sadě PT880 pro Pentium 4. Ale v

důsledku blíže nespecifikovaných technických potíží se uvedení odsunulo na dobu

neurčitou pakliže se tato technologie vůbec někdy začne používat. První čipová

sada DDR2 firmy VIA se jmenuje PT890 a již byla představena.

Poté, co se Intel jakožto hlavní stoupenec technologie Rambusu sám s touto

technologií rozloučil, setrvával SiS po dlouhou dobu u RDRAM. Dnes ovšem tento

tchajwanský výrobce čipů stále více sází na technologii DDR2. Jako konkurenci k

paměťové technologii DDR2 vyvíjí společnost Rambus v návaznosti na technologii

RDRAM novou generaci pamětí nazvanou XDR RDRAM. Tato technika se má začít

používat v osobních počítačích od roku 2006.