Vývoj modulů DRAM a operační paměti

Základní specifikace pamětí

Pro srovnání uvádím několik základních parametrů, které jsou u pamětí obvykle sledovány. Jedním z nich je překvapivě kapacita paměti (případně pamětového čipu), dále efektivní rychlost paměti (případně rychlost čipů) a s tím související propustnost a řada dalších parametrů popsaných níže. Efektivní propustnost paměti samozřejmě neovlivňuje pouze pracovní frekvence čipů nebo paměti samotné, ale také šířka sběrnice (například zmiňovaný Dual-channel přístup do paměti) a časování pamětí. Mezi sledované specifikace pamětí a paměťových čipů obecně patří tedy například:


Kapacita paměti

Kromě kapacity samotného modulu paměti můžeme sledovat také kapacitu pamětového čipu. Zcela běžné jsou dnes čipy s velikostí 256 a 512 Mbit. Vzhledem k datové šířce paměťového modulu, sběrnice a omezenému prostoru na plošném spoji (PCB, Printed Circuit Board) paměťového modulu, je maximální kapacita na modul omezena i dostupnou velikostí pamětového čipu. Na jednom DIMM modulu je obvykle osm nebo šestnáct paměťových čipů. Pokud vezmeme v úvahu datovou šířku modulu nebo čipu v bitech, snadno se vzhledem k šířce sběrnice dnešních procesorů dopočítáme k údaji, který nás bude zajímat (například možné kapacitě modulu vzhledem k dostupným čipům a podobně).


Frekvence paměti

Frekvence pamětí a níže zmíněné latence (jinak také řečeno časování) mají určující vliv na výkon pamětí. U skutečné a efektivní frekvence pamětí by možná bylo vhodné se pozastavit, ačkoliv prakticky bereme v úvahu spíše efektivní frekvenci pamětí než skutečnou rychlost řídících signálů nebo čipů paměti. Dosažitelné frekvence pamětí se liší podle technologie výroby a pamětí samotných. O růst výkonu a frekvence se snaží technologie jako DDR (Double Data Rate) a řada dalších. V podstatě se jedná o techniky, které efektivně zvyšují propustnost pamětí a paměťových modulů. Jedním z milníků posledních let v této oblasti byl přechod na technologii DDR. Efektivní frekvence SDRAM končí zhruba na 166MHz, běžně na 133MHz. Díky přenosu dat na obou hranách signálu se s technologií DDR SDRAM pamětí efektivní rychlost zvýšila téměř dvojnásobně při stejné frekvenci vůči SDRAM pamětem. Přesnější popis těchto technologií naleznete níže.



Latence

Časování nebo otrockým překladem také „zpoždení“. Výkon pamětí samozřejmě nedefinuje jen šířka paměťové sběrnice nebo její frekvence, ale také časování pamětí a burst přenosy. Pokud chceme z nebo do paměti přenášet data, jistou dobu trvá, než nám to bude umožněno a data se do paměti zapíší nebo z paměti přečtou. Časování a latence se udávají v hodinových cyklech a běžně se označují „T“. Protože se jedná o latence, zpoždění, které samozřejmě prodlužují čas k přečtení nebo uložení dat, je optimální držet co nejníže. Neplatí to ale vždy, protože v některých případech je výhodnější se spíše než na latence soustředit na velkou propustnost (a s ohledem na vývoj pamětí skutečně latence rostou, ačkoliv nijak tragicky). Díky vyšším dosaženým frekvencím pamětí efektivní zpoždění není nijak tragické a růst propustnosti jej, až na výjimky, poměrně dobře kompenzuje.

Pokud chcete lépe porozumět jednotlivým složkám časování, musím vám doporučit jeden z našich sice starších avšak výborných článků: Levné, drahé paměti - jaké koupit?, kde je princip časování dobře vysvětlen.


Napájecí napětí

Vzhledem k vývoji výrobní technologie pro čipy pamětí dochází ke snižování pracovního napětí pamětí, což se samozřejmě pozitivně promítne na spotřebě modulů a na energetické náročnosti. Spotřeba na bit paměti tak stále klesá, což je výborné zejména pro trh mobilních počítačů.


Cena

Jedním z faktorů koncové ceny modulů jsou samozřejmě jejich přesné specifikace. Dražší a rychlejší paměti používají obvykle lepší čipy a hotové moduly, stejně jako v případě procesorů, prochází dalším testováním a provádí se tak zvaný "speed-binning". Výtěžnost nejrychlejších čipů je stále poměrně nízká a korektní chod na nejvyšších frekvencích zvládne jen pár procent produkovaných modulů. Moduly, které zvládnou nejvyšší frekvence se prodají jako speciální edice a za vyšší cenu. Téměř standardem je u takových modulů pasivní chladič, značně zvýšené provozní napětí oproti původní specifikacím (až o desítky procent) a doživotní záruka.

Vše začíná a končí u ceny. Za modul, čip nebo celou platformu. Jedná se o jeden z nejdůležitějších, ne-li zcela nejdůležitější ukazatel, ať se zaměříme na jakoukoliv oblast či technologii v IT průmyslu a ne jinak je tomu u operačních pamětí. Pokud vezmeme v úvahu zaváděcí cenu čipu Intel 1103 a dnešní běžnou cenu za 1 GB paměťový modul, vývoj kapacity paměti vzhledem k ceně je (i přes nepopiratelnou změnu a vývoj v celém IT průmyslu obecně) stále poměrně „šokující“...

Přehled technologií DRAM pamětí

Dále se podíváme na jednotlivé technologie pamětí. Ačkoliv je to už z části historie, doufám, že vás nebude nudit. Mnozí z nás jistě se slzou v oku zavzpomínají na ten starý kus železa, který pomatují. Specifikace jsou značně zjednodušené a berte je prosím s nadhledem. Většina modulů se dělá i v provedení pro mobilní počítače nebo jako registrované / ECC moduly, kde se může lišit počet pinů, případně i další údaje.


FPM

Fast Page Mode DRAM byla uvedena v roce 1987. Jedná se o asynchronní paměť. Řádek určité části paměti mohl zůstat otevřen, takže mohlo být prováděno další čtení nebo zápis z nebo do řádku bez zpoždění (nutnosti „přednabití“ a opětovného přístupu k řádku). Zvýšen tak byl výkon v případě „burst“ přenosu. Přístupová doba byla okolo 60 - 80 ns.


EDO

EDO (Enhanced Data Output) DRAM paměť byla uvedena v roce 1995, někdy je uváděna jako Hyper Page Mode DRAM. Také se jedná o asynchronní paměť. Oproti FPM byla EDO mírně rychlejší (zhruba o 5%). Přístupová doba byla okolo 60 ns. EDO DRAM byla v provedení SIMM i DIMM modulů.

Specifikace:

• 168 / 72 pinů
• napájecí napětí: 3.3 nebo 5V
• kapacita: až 32MB

SDRAM

Neboli (Synchronized Dynamic Random Access Memory). Na trhu byla SDRAM paměť standardu PC66 dostupná zhruba od roku 1996. Jedná se o synchronní paměť - pracuje synchronně podle externího taktu. Oproti EDO pamětem poskytuje vyšší výkon. Rychlejší varianty následovaly krátce poté.

Specifikace:

• PC66 – PC133
• pracovní frekvence: 66 – 133 MHz
• propustnost: 533 - 1066 MB/s
• 168 pinů
• napájecí napětí: 3.3 V
• kapacita: ještě dnes běžně dostupná v kapacitách od 64 do 512 MB

RDRAM

Direct Rambus DRAM nebo také krátce RDRAM (Rambus DRAM). Technologie RDRAM byla na trh uvedena v roce 1999 za účasti firem Rambus a Intel. Technologie obsahuje rychlou RDRAM sběrnici a řadič paměti. Oproti SDRAM pamětem došlo k podstatnému navýšení propustnosti, ale zároveň za cenu vysokých latencí. Níže zmíněné specifikace platí pro 16 bit RIMMy. Na trhu se později objevila i rychlejší 32 bit varianta - pomocí čtyř kanálů se maximální propustnost s použitím nejnovějších a nejrychlejších modulů pohybuje okolo 10 GB/s. Zejména kvůli vysoké ceně a řadě dalších nedostatků se ale RDRAM paměti příliš nerozšířily. Byly postupně vytlačeny DDR pamětmi.

Specifikace:

• PC600 – PC1200
• pracovní frekvence: 300 - 600 MHz
• propustnost: 1200 – 2400 MB/s (v případě dvou kanálů na modul a 242 pin verze až 4800 MB/s)
• 184 pinů
• napájecí napětí: 1.8 V
• kapacita: 64 – 512 MB

DDR SDRAM

DDR (Double Data Rate) SDRAM je na trhu od roku 2000. Startovací frekvence jsou od 266MHz, které se označují standardem DDR266. Poslední standard uznaný podle JEDEC je DDR400 (PC3200) SDRAM DIMM. Poptávka po rychlé DDR paměti a váhání v případě úpravy standardů (vydávané organizací JEDEC) způsobily, že na trhu je řada modulů neodpovídající specifikacím. Maximální rychlosti technologie DDR se pohybují okolo 600MHz efektivně, ale obvykle je pro jejich dosažení nutné značně vysoké napájecí napětí (i přes 3 V). Kromě DDR existuje i nízkonapěťová verze DDR pamětí LPDDR, které mají napájecí napětí mezi 1.8 – 1.9 V a vykazují až o 40% nižší spotřebu.

Specifikace:

• DDR200 - DDR400
• pracovní frekvence: 200 – 400 MHz efektivně
• propustnost: 1,6 - 3,2 GB/s
• 184 pinů
• napájecí napětí: 2.5 V (2.6 V pro DDR400)
• 2-bit prefetch
• kapacita: 64 MB až 2 GB

DDR2 SDRAM

Nástupce DDR pamětí. Slibuje zejména vyšší dosažitelné frekvence a vyšší propustnost. Díky nižšímu napájecímu napětí mají DDR2 paměti také nižší spotřebu. Nevýhodou DDR2 je mírně horší časování oproti DDR. V případě nejvýkonnějších dostupných modulů se dnes frekvence pohybuje až okolo 1111 MHz. Firma Corsair na letošním Computexu prezentovala i paměti na frekvenci přes 1250MHz, takže do uvedení DDR3 a jistě i po něm se ještě i v případě DDR2 standardu máme na co těšit.

Specifikace:

• DDR2-400 – DDR2-800
• pracovní frekvence: 400 – 800 MHz efektivně
• propustnost: 3.2 – 6.4 GB/s
• 240 pinů
• napájecí napětí: 1.8 V (maximálně 1.9 V)
• 4-bit prefetch
• kapacita: 128 MB až 8 GB

DDR3 SDRAM

Dalším počinem na poli DDR je standard DDR3. Specifikace ještě nejsou zcela kompletní, ale na trhu již řada výrobců představila prototypy DDR3 pamětí. Známé je zejména pracovní napětí 1.5 V a opět vyšší dosažitelné frekvence. Řádově se počítá s frekvencemi okolo 800 – 1600 MHz efektivně a s propustností k 12.8 GB/s. Opět dojde ke snížení spotřeby, ale latence jsou zase o něco vyšší, než v případě DDR2.

Předpokládané specifikace:

• DDR3-800 - DDR3-1600
• pracovní frekvence 800 – 1600 MHz efektivně
• propustnost 6.4 GB/s – 12.8 GB/s
• 240 pinů
• napájecí napětí 1.5 V
• 8-bit prefetch
• kapacita: ???