Память DDR4: время ли разбрасывать камни? / Процессоры и память

Прошло относительно немного времени с тех пор, как современная оперативная память стандарта DDR3 заменила собой привычные модули DDR2 и постепенно превратилась из дорогого экзотического удовольствия с сомнительной производительностью в массовый продукт, востребованный всеми сегментами рынка. Совсем недавно – каких-то три года назад, составляя публикацию FAQ по DDR3, мне в большинстве случаев приходилось говорить о возможностях DDR3 в будущем времени.

Появление нового стандарта оперативной памяти DDR4 уже не за горами. По прогнозам экспертов JEDEC Solid State Technology Association (ранее Joint Electron Devices Engineering Council), независимой индустриальной организации по разработке и принятию стандартов в полупроводниковой промышленности, первые прототипы модулей DDR4 SDRAM появятся уже в следующем году, когда будут оформлены окончательные спецификации стандарта. Начало массового коммерческого производства DDR4 сейчас планируется на 2012 год, а полномасштабный переход с DDR3 на DDR4 ожидается ближе к 2015 году.

До недавнего времени о стандарте DDR4, впервые представленном на форуме Intel для разработчиков в Сан-Франциско в 2008 году, было известно относительно немного. В целом, обсуждались грядущие тактовые частоты, напряжение питания да предполагаемые нормы техпроцесса. Никакой особой конкретики по архитектуре чипов, топологии интерфейсов или сигнальным параметрам не было. По большому счёту, полной ясности в этих вопросах нет и сейчас, однако конференции Denali MemCon10 и MemCon Tokyo 2010, прошедшие в конце июля в Санта Клара и Токио, добавили некоторой определённости будущему стандарту.

Благодаря компании Denali в распоряжении нашей компании оказался полный пул докладов, презентаций и обсуждений, озвученных в рамках MemCon10, так что сегодня мы предлагаем вашему вниманию "выжимку" известной информации о будущем DDR4.

⇡#Как и почему DDR3 тормозит появление DDR4

Прежде всего, надо понимать одну простую вещь: переход на новый стандарт происходит не по приказу свыше или чьему-то капризу, а в связи с неспособностью продуктов предыдущего поколения справляться с поставленными задачами. То есть, потребность в DDR4 возникнет сразу же после того, как DDR3 полностью исчерпает свои возможности.

Именно в этом и заключается ключевая интрига с переносом сроков внедрения DDR4 на более поздние сроки, нежели планировалось ранее. Об этом в ходе MemCom10 подробно рассказал Билл Герваси (Bill Gervasi), вице-президент US Modular и член совета директоров JEDEC. На сегодняшний день возможности архитектуры DDR3 вряд ли можно назвать исчерпавшими себя, так что пока есть смысл продолжать развитие этого стандарта и дальше. И чем больше удастся "выжать" из DDR3, тем дальше будут переноситься сроки внедрения DDR4.

Посмотрим на сложившуюся ситуацию. По традиции, производительность нового поколения памяти обычно стартует с тех позиций, на которых "захлебнулось" предыдущее поколение. Напомним, что память DDR3 стартовала с отметки DDR3-1066, на которой остановилась экспансия массовой памяти DDR2 (DDR2-400/1066).

На сегодняшний день память DDR3-1333 представляет собой массовый общепринятый индустриальный стандарт. На рынке предостаточно модулей памяти DDR3-1600, встречаются DDR3-1866, и не счесть всевозможных нестандартных вариантов вроде DDR3-2000.

Ранее ожидалось, что возможности массовой памяти DDR3 будут исчерпаны где-то в районе производительности уровня DDR3-1600. С этой отправной точки предполагалось восхождение памяти DDR4, однако совсем недавно спецификации DDR3 пополнились стандартизированной версией DDR3-2133.

Таким образом, при наличии сертифицированных стандартных модулей DDR3-2133 появление памяти стандарта DDR4-1600 попросту теряет всякий смысл. Современный, более реалистичный роадмэп, озвученный на конференции MemCon10, предполагает, что в рамках стандарта DDR4 скорость модулей составит от DDR4-2133 до DDR4-4266.

Однако растущая производительность – не единственный "козырь", продлевающий жизнь стандарта DDR3 и отдаляющий появление DDR4. Ещё один важный момент – энергопотребление, напрямую связанное с напряжением питания чипов памяти. Первоначально предполагалось, что напряжение питания новой памяти DDR4 составит 1,2 В, и затем появятся новые поколения чипов с питающим напряжением 1,1 В и 1,05 В. В то же время, для DDR3, впервые представленной в 1,5 В варианте, экспансия должна была закончиться на нынешних 1,35 В чипах. Однако выпуск низковольтной памяти DDR3 с напряжением питания всего 1,25 В делает появление 1,2 В памяти DDR4 преждевременным, так как более высокие частоты работы памяти значительно увеличивают энергопотребление.

Третий важный момент – растущая ёмкость модулей, и здесь DDR3 вновь не готова сдавать позиции. Появление низковольтных чипов DDR3 емкостью 4 Гбит и 8 Гбит позволяет наладить выпуск очень ёмких модулей памяти с низким энергопотреблением, что также делает появление DDR4 в ближайшее время неактуальным .

⇡#Мир никогда не будет прежним: новая архитектура и топология DDR4

В своё время, при переходе от памяти DDR2 к DDR3 разработчиками нового по тем временам стандарта был сделан революционный шаг. Типичная для DDR2 топология подключения шины памяти "звёздочкой" была заменена на сетевую (Fly-by) топологию командной, адресной и управляющей шин, с внутримодульной (On-DIMM) терминацией и прецизионными внешними резисторами (ZQ resistors) в цепях калибровки.

Однако сколько верёвочке не виться, а шине с многоточечной топологией линий передач данных всё же приходит конец, как он давным-давно пришёл для графической памяти GDDR. Не те нынче скорости, не те потребности в объёмах передаваемых данных.

Как однозначно выразился по этому поводу Билл Герваси, "Multi-drop bus must die". Применительно к стандарту DDR4 это означает, что место многоточечной топологии займут соединения типа "точка-точка", иначе не добиться значительного прироста производительности.

Из этого следует, что подсистема памяти DDR4 позволит поддерживать только один единственный модуль памяти на каждый канал. Вряд ли это окажет существенное воздействие на рынок мобильных и настольных ПК, хотя увеличение объёмов оперативной памяти не помешает никому, однако наиболее важным этот вопрос будет для серверного рынка. Как же наращивать количество памяти в условиях таких жёстких канальных ограничений?

Выходов из ситуации на сегодняшний день придумано несколько.

Первый – самый логичный: необходимо наращивать ёмкость собственно чипов и модулей памяти. Один из перспективных способов – изготовление многоярусных чипов по технологии TSV (Through-Silicon Via), которую также называют "объёмной", или просто 3D.

С многослойными (MLP) чипами флэш-памяти технология TSV имеет лишь отдалённое сходство, однако понять суть формирования чипа в самых общих чертах такая аналогия помогает. Идея, кстати, отнюдь не нова, так как ещё в 2007 году компания Samsung Electronics объявила о выпуске первых многоярусных 512-Мбит чипов DRAM по технологии TSV.

Именно эту технологию планирует использовать для выпуска DDR4 консорциум из компаний Elpida Memory, Powertech Technology и United Microelectronics (UMC). Совместными усилиями они намерены развивать технологию TSV (Through-Silicon Via) для выпуска многослойных 3D чипов, объединяющих логику и память. В рамках проекта будет разрабатываться технология выпуска многослойных чипов для норм 28-нм техпроцесса на базе технологий DRAM компании Elpida, сборочных предприятий компании PTI и производственных мощностей UMC по выпуску логики. Таким образом, планируется добиться выпуска относительно недорогих чипов памяти DDR4 очень высокой ёмкости.

Над внедрением технологии TSV также активно работает компания Hynix, которая в рамках Denali MemCon10 рассказала о собственных планах выпуска ёмких чипов DDR и GDDR на ближайшие годы. По словам представителей компании, разработка методик применения TSV в настоящее время находится в зачаточном состоянии, и пока трудно оценить, какие плюсы это может принести в будущем.

Ещё один хорошо известный и уже зарекомендовавший себя способ - использование техники так называемой "разгружающей памяти" - LR-DIMM (Load-Reduce DIMM). Суть идеи состоит в том, что в состав модуля памяти LR-DIMM входит специальный чип (или несколько чипов), буферизирующих все сигналы шины и позволяющих увеличить количество поддерживаемой системой памяти.

К примеру, на сегодняшний день компании Samsung и Micron уже освоили технологию выпуска модулей памяти стандарта DDR3 LR-DIMM объемом 32 Гб. Ничто не ограничивает применение этой технологии и при выпуске памяти DDR4. Правда, не стоит забывать про, пожалуй, единственный, но от этого не менее существенный недостаток LR-DIMM: буферизирование неизбежно ведёт к дополнительному увеличению латентности, которая у памяти DDR4 по определению будет и без того немаленькая.

Для сегмента серверных и high-end вычислений, где востребован очень большой объём памяти, предлагается совершенно иной выход из ситуации. Здесь предполагается использование высокоскоростной коммутации специальными многовходовыми чипами-коммутаторами.

Как известно, CAS-латентность (задержка между отправкой в память адреса столбца и началом передачи данных) нынешней памяти DDR3 составляет 5 – 16 тактов, для GDDR5, соответственно, 5 - 36 тактов; при этом tRFC для DDR3 составляет 90 – 350 нс. В частности, для памяти DDR3-2133 типичные тайминги составляют 12-12-12 против 9-9-9 многих модулей DDR3-1333. К сожалению, тайминги и латентность памяти DDR4 мы пока что не можем оценить даже теоретически, ибо, напомню, выпуск финальных спецификаций DDR4 планируется JEDEC не ранее 2012 года. Буфера предвыборки 8n, рассчитанную на выборку 8 слов данных за одно обращение к памяти у DDR3, действительно сменит Prefetch16 у DDR4, однако как именно это скажется на общей производительности, без знания остальных ключевых характеристик DDR4 оценить трудно.

⇡#Просуммируем

Уже сейчас, задолго до появления первых модулей памяти DDR4 SDRAM на прилавках наших магазинов, можно уверенно сказать: процесс перехода с DDR3 на DDR4 будет более сложным и более продолжительным, нежели в своё время переход с DDR2 на DDR3, который, как мы все помним, тоже был не сахар и закончился совсем недавно.

Тяжелее придётся всем – и производителям чипов, и производителям модулей памяти. За счёт изменения топологии и архитектуры памяти сложнее придётся и производителям системных плат, и системным интеграторам. Разумеется, достанется и нам, конечным пользователям, которые в итоге оплатят весь этот "праздник" перехода на новые стандарты из своего кошелька.

Отчасти переход на новый тип памяти тормозится технической неготовностью индустрии к выпуску DDR4. Например, чтобы выпускать чипы памяти DDR4 с напряжением питания хотя бы 1,2 В, необходимо сначала толком осилить 30-нм техпроцесс, а ведь в результате получится не самый экономичный чип даже по сравнению с нынешними 1,25 В вариантами DDR3 из-за более высокого энергопотребления на более высоких рабочих частотах. Меньшее напряжение питания транзисторных ядер, и, соответственно, меньшее энергопотребление чипов будут реальны только с освоением примерно 20-нм норм техпроцесса, что произойдёт не ранее 2012-2013 годов.

Острую необходимость в более производительной памяти сегодня удаётся снизить благодаря расширению спецификаций DDR3 до поддержки режима DDR3-2133, что уменьшает необходимость срочного появления нового поколения памяти. Первоначальная версия DDR4-1600 вряд ли вообще будет выпущена ввиду неактуальности.

На сегодняшний день предполагается, что модули памяти DDR4 будут представлены в вариантах от DDR4-2133 до DDR4-4266. Ожидается, что первые чипы DDR4, выпущенные с соблюдением норм 32-нм/36-нм техпроцессов, появятся уже в следующем, 2011 году, а собственно стандарт DDR4 в окончательной редакции будет принят JEDEC в 2012 году.

Затем стартует многолетняя эпопея по постепенному замещению DDR3 на DDR4, которая, по предварительным оценкам, проявит себя всерьёз к 2015 году, и затем ситуация начнёт развиваться по нарастающей.

Так что в любом случае, на сегодня основной вывод один: несколько спокойных лет с памятью DDR3 у нас ещё есть.

Ссылки по теме