WikiDer > Синхронная динамическая память с произвольным доступом

Модуль памяти SDRAM

Синхронная динамическая память с произвольным доступом (синхронная динамическая RAM или же SDRAM) любой DRAM где работа внешнего штыревого интерфейса координируется внешним тактовый сигнал.

DRAM интегральные схемы (ИС), произведенные с начала 1970-х до начала 1990-х годов, использовали асинхронный интерфейс, в котором входные управляющие сигналы оказывают прямое влияние на внутренние функции, задерживаясь только из-за срабатывания по его полупроводниковым каналам. SDRAM имеет синхронный интерфейс, при котором изменения на управляющих входах распознаются после нарастающего фронта его тактового входа. В семействах SDRAM, стандартизированных JEDEC, тактовый сигнал управляет шагами внутреннего конечный автомат который отвечает на входящие команды. Эти команды могут быть конвейеризованы для повышения производительности, при этом ранее запущенные операции завершаются при получении новых команд. Память разделена на несколько независимых разделов одинакового размера, называемых банки, позволяя устройству работать с командой доступа к памяти в каждом банке одновременно и ускорять доступ в чередующийся мода. Это позволяет SDRAM достичь большего параллелизма и более высоких скоростей передачи данных, чем асинхронные DRAM.

Конвейерная обработка означает, что чип может принять новую команду до того, как завершит обработку предыдущей. Для конвейерной записи за командой записи может сразу же следовать другая команда, не дожидаясь записи данных в массив памяти. Для конвейерного чтения запрошенные данные появляются через фиксированное количество тактов (задержка) после команды чтения, в течение которых могут быть отправлены дополнительные команды.

История

8 Hyundai ИС SDRAM на PC100 DIMM упаковка.

Самые ранние DRAM часто синхронизировались с тактовой частотой процессора (тактовая частота) и использовались с ранними процессорами Intel. В середине 1970-х годов DRAM перешли на асинхронную конструкцию, но в 1990-х годах вернулись к синхронной работе.^[1][2][3]

Первой коммерческой SDRAM была Samsung KM48SL2000 микросхема памяти, который имел вместимость 16 МБ.^[4] Он был изготовлен Samsung Electronics используя CMOS (дополнительный металл – оксид – полупроводник) процесс изготовления в 1992 г.^[5] и серийно производился в 1993 году.^[4] К 2000 году SDRAM заменила практически все другие типы DRAM в современном компьютеры, из-за его большей производительности.

Задержка SDRAM не меньше (быстрее), чем у асинхронной DRAM. Действительно, ранняя SDRAM была несколько медленнее, чем современная. взрыв EDO DRAM за счет дополнительной логики. Преимущества внутренней буферизации SDRAM заключаются в ее способности чередовать операции с несколькими банками памяти, тем самым повышая эффективность пропускная способность.

Сегодня практически вся SDRAM производится в соответствии со стандартами, установленными JEDEC, ассоциация электронной промышленности, которая принимает открытые стандарты для облегчения взаимодействия электронных компонентов. JEDEC официально принял свой первый стандарт SDRAM в 1993 году, а затем принял другие стандарты SDRAM, в том числе для DDR, DDR2 и DDR3 SDRAM.

Двойная скорость передачи данных SDRAM, известная как DDR SDRAM, впервые была продемонстрирована компанией Samsung в 1997 году.^[6] Компания Samsung выпустила первый коммерческий чип DDR SDRAM (64 МБ) в июне 1998 г.,^[7][8][9] вскоре после этого последовал Hyundai Electronics (сейчас же SK Hynix) В том же году.^[10]

SDRAM также доступна в зарегистрированный разновидностей, для систем, требующих большей масштабируемости, таких как серверы и рабочие станции.

Сегодня к крупнейшим мировым производителям SDRAM относятся: Samsung Electronics, Panasonic, Микронная технология, и Hynix.

Время

Есть несколько ограничений на производительность DRAM. Наиболее заметным является время цикла чтения, время между последовательными операциями чтения в открытой строке. Это время уменьшилось с 10 нс для SDRAM 100 МГц до 5 нс для DDR-400, но оставалось относительно неизменным в поколениях DDR2-800 и DDR3-1600. Однако при работе схемы интерфейса на все более высокой кратной базовой скорости чтения достижимая полоса пропускания быстро увеличивается.

Другой предел - это Задержка CAS, время между предоставлением адреса столбца и получением соответствующих данных. Опять же, это оставалось относительно постоянным на уровне 10–15 нс в течение нескольких последних поколений DDR SDRAM.

При работе задержка CAS - это определенное количество тактов, запрограммированных в регистре режима SDRAM и ожидаемое контроллером DRAM. Можно запрограммировать любое значение, но SDRAM не будет работать правильно, если оно будет слишком низким. При более высоких тактовых частотах полезная задержка CAS в тактовых циклах естественным образом увеличивается. 10–15 нс - это 2–3 цикла (CL2–3) тактовой частоты 200 МГц для DDR-400 SDRAM, CL4-6 для DDR2-800 и CL8-12 для DDR3-1600. Более медленные тактовые циклы, естественно, позволят уменьшить количество циклов задержки CAS.

Модули SDRAM имеют свои собственные временные характеристики, которые могут быть медленнее, чем у микросхем модуля. Когда впервые появились микросхемы SDRAM на 100 МГц, некоторые производители продавали модули «100 МГц», которые не могли надежно работать с такой тактовой частотой. В ответ Intel опубликовала стандарт PC100, в котором излагаются требования и рекомендации по производству модуля памяти, который может надежно работать на частоте 100 МГц. Этот стандарт имел широкое влияние, и термин «PC100» быстро стал общим идентификатором для модулей SDRAM 100 МГц, и теперь модули обычно обозначаются номерами с префиксом «PC» (PC66, PC100 или PC133 - хотя фактическое значение чисел изменилось).

Сигналы управления

Все команды синхронизируются относительно нарастающего фронта тактового сигнала. Помимо часов есть шесть управляющих сигналов, в основном активный минимум, которые дискретизируются по переднему фронту тактового сигнала:

• CKE часы включить. Когда этот сигнал низкий, микросхема ведет себя так, как будто часы остановились. Команды не интерпретируются, и время ожидания команд не истекает. Состояние других линий управления не имеет значения. Действие этого сигнала фактически задерживается на один такт. То есть текущий тактовый цикл выполняется как обычно, но следующий тактовый цикл игнорируется, за исключением повторного тестирования входа CKE. Нормальные операции возобновляются по нарастающему фронту тактового сигнала после того, где CKE имеет высокий уровень выборки. Другими словами, все другие операции с микросхемой синхронизируются относительно нарастающего фронта замаскированных часов. Маскированные тактовые импульсы - это логическое И входных тактовых импульсов и состояние сигнала CKE во время предыдущего нарастающего фронта входных тактовых импульсов.
• CS выбор чипа. Когда этот сигнал высокий, микросхема игнорирует все другие входы (кроме CKE) и действует так, как если бы получена команда NOP.
• DQM маска данных. (Письмо Q появляется потому, что в соответствии с соглашениями цифровой логики линии данных известны как линии «DQ».) При высоком уровне эти сигналы подавляют ввод / вывод данных. При сопровождении записываемых данных данные фактически не записываются в DRAM. Когда устанавливается высокий уровень за два цикла до цикла чтения, считанные данные не выводятся из микросхемы. На микросхему памяти x16 или DIMM приходится одна линия DQM на 8 бит.

Командные сигналы

• РАН, строб адреса строки. Несмотря на название, это нет стробоскоп, а скорее просто командный бит. Вместе с CAS и МЫ, выбирается одна из восьми команд.
• CAS, строб адреса столбца. Это тоже не стробоскоп, а командный бит. Вместе с РАН и МЫ, выбирается одна из восьми команд.
• МЫ, напиши включить. Вместе с РАН и CAS, выбирается одна из восьми команд. Обычно он отличает команды, похожие на чтение, от команд, похожих на запись.

Выбор банка (BAn)

Устройства SDRAM внутренне разделены на два, четыре или восемь независимых внутренних банков данных. От одного до трех входов адреса банка (BA0, BA1 и BA2) используются для выбора банка, на который направлена ​​команда.

Адресация (A10 / An)

Многие команды также используют адрес, представленный на входных контактах адреса. Некоторые команды, которые либо не используют адрес, либо представляют адрес столбца, также используют A10 для выбора вариантов.

Команды

Команды SDR SDRAM определены следующим образом:

Все поколения SDRAM (SDR и DDRx) используют, по сути, одни и те же команды, с изменениями:

• Дополнительные биты адреса для поддержки более крупных устройств
• Дополнительные биты выбора банка
• Регистры расширенного режима (DDR2 и выше используют 13 бит, A0 – A12)
• Дополнительные регистры расширенного режима (выбираются битами адреса банка)
• DDR2 удаляет команду завершения пакета; DDR3 переназначает его как «калибровка ZQ»
• DDR3 и DDR4 используют A12 во время команды чтения и записи, чтобы указать "пакетное прерывание", передачу данных половинной длины.
• DDR4 меняет кодировку команды активации. Новый сигнал ДЕЙСТВОВАТЬ управляет им, при этом другие линии управления используются как биты адреса строки 16, 15 и 14. Когда ДЕЙСТВОВАТЬ высокий, остальные команды такие же, как указано выше.

Строительство и эксплуатация

Модуль памяти SDRAM, увеличенный

Например, 512МБ SDRAM DIMM (содержит 512МиБ (мебибайты) = 512 × 2²⁰ байты = 536 870 912 байт), может состоять из восьми или девяти микросхем SDRAM, каждая из которых содержит 512Мбит памяти, и каждый из них вносит 8 бит в 64- или 72-битную ширину DIMM. Типичная SDRAM 512 Мбит чип внутренне содержит четыре независимых по 16 МБ (МиБ) банки памяти. Каждый банк представляет собой массив из 8 192 строк по 16 384 бит в каждой. (2048 8-битных столбцов). Банк либо простаивает, либо активен, либо меняется с одного на другой.

В активный команда активирует бездействующий банк. Он представляет двухбитовый адрес банка (BA0 – BA1) и 13-разрядный адрес строки (A0 – A12) и вызывает чтение этой строки в массив банка всех 16 384 усилителей считывания столбцов. Это также называется «открытием» строки. Эта операция имеет побочный эффект: освежающий ячейки динамической (емкостной) памяти этой строки.

После того, как строка была активирована или "открыта", читать и записывать для этой строки возможны команды. Активация требует минимального времени, называемого задержкой от строки к столбцу, или t_УЗО прежде, чем может произойти чтение или запись в него. На этот раз, округленное в большую сторону до следующего числа, кратного тактовому периоду, указывает минимальное количество циклов ожидания между активный команда, и читать или же записывать команда. Во время этих циклов ожидания в другие банки могут отправляться дополнительные команды; потому что каждый банк работает полностью независимо.

Обе читать и записывать командам требуется адрес столбца. Поскольку каждая микросхема получает доступ к восьми битам данных за раз, существует 2048 возможных адресов столбцов, что требует всего 11 адресных строк (A0 – A9, A11).

Когда читать После подачи команды SDRAM будет генерировать соответствующие выходные данные в строках DQ во времени для нарастающего фронта тактового сигнала несколькими тактовыми циклами позже, в зависимости от настроенной задержки CAS. Последующие слова пакета будут воспроизводиться вовремя для последующих нарастающих фронтов тактового сигнала.

А записывать Команда сопровождается записываемыми данными, поступающими на линии DQ во время того же нарастающего фронта тактового сигнала. Контроллер памяти обязан гарантировать, что SDRAM не передает считываемые данные на линии DQ в то же время, когда ему необходимо выполнить запись данных на эти линии. Это можно сделать, дождавшись завершения пакета чтения, завершив пакет чтения или используя линию управления DQM.

Когда контроллеру памяти требуется доступ к другой строке, он должен сначала вернуть усилители считывания этого банка в состояние ожидания, готовое к обнаружению следующей строки. Это называется операцией «предварительной зарядки» или «закрытием» строки. Предварительная зарядка может быть задана явно или может выполняться автоматически по завершении операции чтения или записи. Опять же, есть минимальное время, задержка предварительной зарядки строки, t_RP, который должен пройти до того, как эта строка будет полностью «закрыта», и поэтому банк простаивает, чтобы получить еще одну команду активации для этого банка.

Хотя обновление строки является автоматическим побочным эффектом ее активации, для этого требуется минимальное время, которое требует минимального времени доступа к строке t_РАН задержка между активный команда открытия строки и соответствующая команда предварительной зарядки, закрывающая ее. Этот предел обычно затмевается желаемыми командами чтения и записи в строку, поэтому его значение мало влияет на типичную производительность.

Командные взаимодействия

Команда без операции разрешена всегда, в то время как команда регистрации режима загрузки требует, чтобы все банки были в режиме ожидания, и после этого требуется задержка для вступления изменений в силу. Команда автоматического обновления также требует, чтобы все банки были в режиме ожидания, и занимает время цикла обновления t_RFC для возврата микросхемы в состояние ожидания. (Это время обычно равно t_УЗО+ т_RP.) Единственная другая команда, разрешенная на свободном банке, - это активная команда. Это занимает, как упоминалось выше, t_УЗО прежде, чем строка будет полностью открыта и сможет принимать команды чтения и записи.

Когда банк открыт, разрешены четыре команды: чтение, запись, завершение пакета и предварительная зарядка. Команды чтения и записи запускают пакеты, которые можно прервать следующими командами.

Прерывание цикла чтения

Команда чтения, завершения пакета или предварительной зарядки может быть подана в любое время после команды чтения и прервет пакет чтения после настроенной задержки CAS. Таким образом, если команда чтения выдается в цикле 0, другая команда чтения выдается в цикле 2, а задержка CAS равна 3, то первая команда чтения начнет выдавать данные во время циклов 3 и 4, затем результаты второго чтения Команда появится начиная с цикла 5.

Если бы команда, выданная в цикле 2, была завершением пакета или предварительной зарядкой активного банка, то во время цикла 5 выходной сигнал не генерировался бы.

Хотя прерывание чтения может быть для любого активного банка, команда предварительной зарядки прервет пакет чтения, только если он относится к тому же банку или всем банкам; команда предварительной зарядки для другого банка не прерывает пакет чтения.

Прерывание пакета чтения командой записи возможно, но сложнее. Это может быть сделано, если сигнал DQM используется для подавления вывода из SDRAM, чтобы контроллер памяти мог передавать данные по линиям DQ в SDRAM вовремя для операции записи. Поскольку влияние DQM на данные чтения задерживается на два цикла, но влияние DQM на данные записи проявляется немедленно, DQM должен быть повышен (чтобы замаскировать данные чтения), начиная как минимум за два цикла до команды записи, но должен быть понижен для цикл команды записи (предполагается, что команда записи имеет эффект).

Выполнение этого всего за два тактовых цикла требует тщательного согласования между временем, которое требуется SDRAM для выключения своего выхода на фронте тактового сигнала, и временем, когда данные должны быть предоставлены как входные в SDRAM для записи на следующем фронте тактового сигнала. Если тактовая частота слишком высока, чтобы обеспечить достаточно времени, может потребоваться три цикла.

Если команда чтения включает автоматическую предварительную зарядку, предварительная зарядка начинается в том же цикле, что и команда прерывания.

Пакетный заказ

Современный микропроцессор с тайник обычно будет обращаться к памяти в единицах строки кеша. Для передачи 64-байтовой строки кэша требуется восемь последовательных обращений к 64-разрядному модулю DIMM, которые могут быть инициированы одной командой чтения или записи путем настройки микросхем SDRAM с использованием регистра режима для выполнения восьмисловных операций. всплески. Выборка строки кэша обычно запускается при чтении с определенного адреса, и SDRAM позволяет «критическому слову» строки кэша быть переданным первым. («Слово» здесь относится к ширине микросхемы SDRAM или DIMM, которая составляет 64 бита для типичного DIMM.) Микросхемы SDRAM поддерживают два возможных соглашения о порядке следования оставшихся слов в строке кэша.

Пакеты всегда обращаются к выровненному блоку последовательных слов BL, начинающихся с кратного BL. Так, например, пакетный доступ из четырех слов к любому адресу столбца от четырех до семи вернет слова с четвертого по седьмой. Однако порядок зависит от запрошенного адреса и настроенного варианта типа пакета: последовательный или чередующийся. Обычно контроллер памяти требует того или другого. Когда длина пакета составляет один или два, тип пакета не имеет значения. При длине пакета, равной единице, запрашиваемое слово является единственным доступным словом. При длине пакета, равной двум, сначала осуществляется доступ к запрошенному слову, а вторым - к другому слову в выровненном блоке. Это следующее слово, если был указан четный адрес, и предыдущее слово, если был указан нечетный адрес.

Для последовательного в режиме серийной съемки, доступ к более поздним словам осуществляется в порядке возрастания адресов, возвращаясь к началу блока, когда достигается конец. Так, например, для длины пакета, равной четырем, и запрашиваемого адреса столбца, равного пяти, слова будут доступны в порядке 5-6-7-4. Если бы длина пакета была восемь, порядок доступа был бы 5-6-7-0-1-2-3-4. Это делается путем добавления счетчика к адресу столбца и игнорирования переносов, превышающих длину пакета. Пакетный режим с чередованием вычисляет адрес с использованием Эксклюзивный или операция между счетчиком и адресом. Используя тот же начальный адрес, равный пяти, пакет из четырех слов вернет слова в порядке 5-4-7-6. Пакет из восьми слов будет 5-4-7-6-1-0-3-2.^[11] Хотя это больше сбивает с толку людей, это может быть проще реализовать на оборудовании, и это предпочтительнее Intel для своих микропроцессоров.^{[нужна цитата]}

Если запрошенный адрес столбца находится в начале блока, оба пакетных режима (последовательный и чередующийся) возвращают данные в одной и той же последовательной последовательности 0-1-2-3-4-5-6-7. Разница имеет значение только при извлечении строки кэша из памяти в порядке «первое критическое слово».

Регистр режима

SDRAM с одной скоростью передачи данных имеет один 10-битный регистр программируемого режима. Более поздние стандарты SDRAM с двойной скоростью передачи данных добавляют дополнительные регистры режима, адресация которых осуществляется с помощью контактов адреса банка. Для SDR SDRAM контакты адреса банка и адресные строки A10 и выше игнорируются, но должны быть равны нулю во время записи в регистр режима.

Биты от M9 до M0 представлены в адресных строках с A9 по A0 во время цикла режима загрузки регистра.

• M9: режим серийной записи. Если 0, записи используют длину пакета чтения и режим. Если 1, все записи не пакетные (одно место).
• M8, M7: Рабочий режим. Зарезервировано и должно быть 00.
• M6, M5, M4: задержка CAS. Обычно разрешены только 010 (CL2) и 011 (CL3). Задает количество циклов между командой чтения и выводом данных из микросхемы. Чип имеет фундаментальное ограничение на это значение в наносекундах; во время инициализации контроллер памяти должен использовать свои знания о тактовой частоте, чтобы перевести это ограничение в циклы.
• M3: Взрывной тип. 0 - запрашивает последовательное упорядочение пакетов, а 1 - чередование пакетов.
• M2, M1, M0: длина пакета. Значения 000, 001, 010 и 011 определяют размер пакета из 1, 2, 4 или 8 слов соответственно. Каждое чтение (и запись, если M9 равно 0) будет выполнять такое количество обращений, если оно не будет прервано пакетной остановкой или другой командой. Значение 111 указывает пакет полной строки. Пакет будет продолжаться, пока не будет прерван. Пакеты полной строки разрешены только с типом последовательных пакетов.

Более поздние (с удвоенной скоростью передачи данных) стандарты SDRAM используют больше битов регистра режима и предоставляют дополнительные регистры режима, называемые «регистрами расширенного режима». Номер регистра кодируется на контактах адреса банка во время команды режима загрузки регистра. Например, DDR2 SDRAM имеет 13-битный регистр режима, 13-битный регистр расширенного режима № 1 (EMR1) и 5-битный регистр расширенного режима № 2 (EMR2).

Автообновление

Можно обновить чип RAM, открывая и закрывая (активируя и предварительно заряжая) каждую строку в каждом банке. Однако для упрощения контроллера памяти микросхемы SDRAM поддерживают команду «автоматического обновления», которая выполняет эти операции одновременно с одной строкой в ​​каждом банке. SDRAM также поддерживает внутренний счетчик, который выполняет итерацию по всем возможным строкам. Контроллер памяти должен просто выдавать достаточное количество команд автоматического обновления (по одной на строку, 8192 в примере, который мы использовали) каждый интервал обновления (t_REF = 64 мс - обычное значение). При подаче этой команды все банки должны находиться в режиме ожидания (закрыты, предварительно заряжены).

Режимы низкого энергопотребления

Как уже упоминалось, вход разрешения синхронизации (CKE) может использоваться для эффективной остановки синхросигнала в SDRAM. Вход CKE дискретизируется по каждому переднему фронту тактового сигнала, и если он низкий, следующий передний фронт тактового сигнала игнорируется для всех целей, кроме проверки CKE. Пока CKE низкий, разрешено изменять тактовую частоту или даже полностью останавливать часы.

Если CKE понижается во время выполнения операций SDRAM, он просто "зависает" на месте до тех пор, пока CKE не поднимется снова.

Если SDRAM бездействует (все банки предварительно заряжены, команды не выполняются), когда CKE понижен, SDRAM автоматически переходит в режим пониженного энергопотребления, потребляя минимальную мощность до тех пор, пока CKE не будет снова повышен. Это не должно длиться дольше максимального интервала обновления t_REF, или содержимое памяти может быть потеряно. Законно полностью останавливать часы в это время для дополнительной экономии энергии.

Наконец, если CKE понижается одновременно с отправкой команды автоматического обновления в SDRAM, SDRAM переходит в режим самообновления. Это похоже на отключение питания, но SDRAM использует встроенный таймер для генерации внутренних циклов обновления по мере необходимости. Часы могут быть остановлены в это время. Хотя режим самообновления потребляет немного больше энергии, чем режим отключения питания, он позволяет полностью отключить контроллер памяти, что обычно более чем компенсирует разницу.

SDRAM, предназначенная для устройств с батарейным питанием, предлагает некоторые дополнительные возможности энергосбережения. Один - это обновление в зависимости от температуры; встроенный датчик температуры снижает частоту обновления при более низких температурах, вместо того, чтобы всегда запускать его с частотой наихудшего случая. Другой вариант - выборочное обновление, которое ограничивает самообновление частью массива DRAM. Обновляемая фракция настраивается с помощью регистра расширенного режима. Третий, реализованный в Мобильная DDR (LPDDR) и LPDDR2 - это режим «глубокого отключения питания», который делает память недействительной и требует полной повторной инициализации для выхода из нее. Это активируется отправкой команды «прекращение пакета» при понижении CKE.

Архитектура предварительной выборки DDR SDRAM

DDR SDRAM использует архитектуру предварительной выборки, чтобы обеспечить быстрый и легкий доступ к нескольким слова данных расположен в общей физической строке в памяти.

Архитектура предварительной выборки использует преимущества конкретных характеристик доступа к памяти DRAM. Типичные операции с памятью DRAM состоят из трех этапов: битовая линия предварительная оплата, доступ к строке, доступ к столбцу. Доступ к строкам - это основа операции чтения, поскольку он включает в себя тщательное распознавание крошечных сигналов в ячейках памяти DRAM; это самый медленный этап работы памяти. Однако после считывания строки последующие обращения столбцов к той же строке могут быть очень быстрыми, поскольку усилители считывания также действуют как защелки. Для справки: строка 1 Гбит DDR3 устройство 2,048 биты широкий, поэтому внутренне 2048 бит считываются в 2048 отдельных усилителей считывания во время фазы доступа к строке. Доступ к строке может занять 50 нс, в зависимости от скорости DRAM, тогда как доступ к столбцу из открытой строки составляет менее 10 нс.

Традиционные архитектуры DRAM уже давно поддерживают быстрый доступ столбцов к битам в открытой строке. Для микросхемы памяти шириной 8 бит и строкой шириной 2048 бит доступ к любому из 256 слов данных (2048/8) в строке может быть очень быстрым, при условии, что не происходит промежуточного доступа к другим строкам.

Недостатком более старого метода быстрого доступа к столбцу было то, что новый адрес столбца приходилось отправлять для каждого дополнительного слова данных в строке. Адресная шина должна была работать на той же частоте, что и шина данных. Архитектура предварительной выборки упрощает этот процесс, позволяя одному запросу адреса приводить к нескольким словам данных.

В архитектуре буфера предварительной выборки, когда происходит доступ к памяти к строке, буфер захватывает набор соседних слов данных в строке и считывает их ("всплески") в быстрой последовательности на выводах ввода-вывода без необходимости индивидуальные запросы адресов столбцов. Это предполагает, что ЦП хочет, чтобы в памяти находились смежные слова данных, что на практике очень часто имеет место. Например, в DDR1 два соседних слова данных будут считываться из каждого чипа в одном тактовом цикле и помещаться в буфер предварительной выборки. Затем каждое слово будет передаваться по последовательным нарастающим и спадающим фронтам тактового цикла. Точно так же в DDR2 с буфером предварительной выборки 4n четыре последовательных слова данных считываются и помещаются в буфер, в то время как часы, которые в два раза быстрее, чем внутренние часы DDR, передают каждое слово в последовательном нарастающем и спадающем фронте более быстрые внешние часы ^[12]

Глубину буфера предварительной выборки можно также рассматривать как соотношение между частотой основной памяти и частотой ввода-вывода. В архитектуре предварительной выборки 8n (например, DDR3), операции ввода-вывода будут работать в 8 раз быстрее, чем ядро ​​памяти (каждый доступ к памяти приводит к пакету из 8 слов данных на вводе-выводе). Таким образом, ядро ​​памяти 200 МГц сочетается с модулями ввода-вывода, каждый из которых работает в восемь раз быстрее (1600 мегабит в секунду). Если память имеет 16 операций ввода-вывода, общая полоса пропускания чтения будет составлять 200 МГц x 8 слов данных / доступ x 16 операций ввода-вывода = 25,6 гигабит в секунду (Гбит / с) или 3,2 гигабайта в секунду (ГБ / с). Модули с несколькими микросхемами DRAM могут обеспечить соответственно более высокую пропускную способность.

Каждое поколение SDRAM имеет другой размер буфера предварительной выборки:

• DDR SDRAMразмер буфера предварительной выборки составляет 2n (два слова данных на доступ к памяти)
• DDR2 SDRAMразмер буфера предварительной выборки составляет 4n (четыре слова данных на доступ к памяти)
• DDR3 SDRAMразмер буфера предварительной выборки составляет 8n (восемь слов данных на доступ к памяти)
• DDR4 SDRAMразмер буфера предварительной выборки составляет 8n (восемь слов данных на доступ к памяти)
• DDR5 SDRAMразмер буфера предварительной выборки 8n; есть дополнительный режим 16n

Поколения

SDR

64 МБ звуковой памяти на Звуковая карта Sound Blaster X-Fi Fatality Pro звуковая карта построен из двух Микрон 48LC32M8A2 микросхемы SDRAM. Они работают на частоте 133 МГц (период тактовой частоты 7,5 нс) и имеют шины данных шириной 8 бит.^[14]

Первоначально известный как SDRAMSDRAM с одной скоростью передачи данных может принимать одну команду и передавать одно слово данных за такт. Микросхемы изготавливаются с различными размерами шин данных (чаще всего 4, 8 или 16 бит), но микросхемы обычно собираются в 168-контактные DIMM которые читают или записывают 64 (без ECC) или 72 (ECC) бит за раз.

Использование шины данных сложно и, следовательно, требует сложной схемы контроллера DRAM. Это связано с тем, что данные, записанные в DRAM, должны быть представлены в том же цикле, что и команда записи, но чтение производит вывод через 2 или 3 цикла после команды чтения. Контроллер DRAM должен гарантировать, что шина данных никогда не потребуется для чтения и записи одновременно.

Типичные тактовые частоты SDR SDRAM составляют 66, 100 и 133 МГц (периоды 15, 10 и 7,5 нс), соответственно обозначаемые как PC66, PC100 и PC133. Были доступны тактовые частоты до 200 МГц. Работает при напряжении 3,3 В.

Этот тип SDRAM медленнее, чем варианты DDR, потому что за один такт передается только одно слово данных (одна скорость передачи данных). Но этот тип также быстрее своих предшественников. расширенные данные из DRAM (EDO-RAM) и режим быстрой страницы DRAM (FPM-RAM), для передачи одного слова данных обычно требовалось два или три такта.

PC66

PC66 относится к внутреннему съемному компьютеру объем памяти стандарт, определенный JEDEC. PC66 - это Синхронная DRAM работает на тактовой частоте 66,66 МГц, на 64-битной шине, при напряжении 3,3 В. PC66 доступен в 168-контактном исполнении. DIMM и 144-контактный SO-DIMM форм-факторы. Теоретическая пропускная способность составляет 533 МБ / с.

Этот стандарт использовался Intel Pentium и AMD K6-на базе ПК. Он также присутствует в бежевом цвете. Power Mac G3, рано iBooks и PowerBook G3s. Он также используется во многих ранних Intel Celeron системы с частотой 66 МГц ФСБ. Его заменили стандарты PC100 и PC133.

PC100

DIMM: 168 контактов и две выемки.

PC100 стандарт для внутреннего съемного компьютера оперативная память, определяемый JEDEC. PC100 относится к Синхронная DRAM работает на тактовой частоте 100 МГц, на 64-битной шине, при напряжении 3,3 В. PC100 доступен в 168-контактном исполнении. DIMM и 144-контактный SO-DIMM форм-факторы. PC100 - это обратная совместимость с PC66 и был заменен стандартом PC133.

Модуль, построенный из микросхем SDRAM 100 МГц, не обязательно может работать на частоте 100 МГц. Стандарт PC100 определяет возможности модуля памяти в целом. PC100 используется во многих старых компьютерах; ПК в конце 1990-х были наиболее распространенными компьютерами с памятью PC100.

PC133

PC133 стандарт памяти компьютера, определенный JEDEC. PC133 относится к SDR SDRAM работает на тактовой частоте 133 МГц, на 64-битной шине, при напряжении 3,3 В. PC133 доступен в 168-контактном исполнении. DIMM и 144-контактный SO-DIMM форм-факторы. PC133 - это самый быстрый и последний стандарт SDR SDRAM, когда-либо утвержденный JEDEC, и обеспечивает пропускную способность 1066 МБ в секунду ([133,33 МГц * 64/8] = 1066 МБ / с). PC133 - это обратная совместимость с PC100 и PC66.

DDR

Хотя задержка доступа DRAM в основном ограничена массивом DRAM, DRAM имеет очень высокую потенциальную полосу пропускания, потому что каждое внутреннее чтение фактически представляет собой строку из многих тысяч битов. Чтобы сделать большую часть этой полосы пропускания доступной для пользователей, двойная скорость передачи данных интерфейс был разработан. При этом используются те же команды, принимаемые один раз за цикл, но считываются или записываются два слова данных за такт. Интерфейс DDR выполняет это, считывая и записывая данные как по переднему, так и по заднему фронту тактового сигнала. Кроме того, некоторые незначительные изменения в синхронизации интерфейса SDR были сделаны задним числом, а напряжение питания было снижено с 3,3 до 2,5 В. В результате DDR SDRAM не имеет обратной совместимости с SDR SDRAM.

DDR SDRAM (иногда называют DDR1 для большей наглядности) удваивает минимальную единицу чтения или записи; каждый доступ относится как минимум к двум последовательным словам.

Типичные тактовые частоты DDR SDRAM составляют 133, 166 и 200 МГц (7,5, 6 и 5 нс / цикл), обычно называемые DDR-266, DDR-333 и DDR-400 (3,75, 3 и 2,5 нс на такт). Соответствующие 184-контактные модули DIMM известны как PC-2100, PC-2700 и PC-3200. Доступна производительность до DDR-550 (PC-4400).

DDR2

DDR2 SDRAM очень похожа на DDR SDRAM, но снова удваивает минимальную единицу чтения или записи до четырех последовательных слов. Протокол шины также был упрощен, чтобы обеспечить более высокую производительность. (В частности, удалена команда "burst terminate".) Это позволяет удвоить скорость шины SDRAM без увеличения тактовой частоты операций внутренней RAM; вместо этого внутренние операции выполняются в блоках, в четыре раза шире SDRAM. Кроме того, был добавлен дополнительный вывод адреса банка (BA2), позволяющий использовать восемь банков на больших микросхемах RAM.

Типичные тактовые частоты DDR2 SDRAM составляют 200, 266, 333 или 400 МГц (периоды 5, 3,75, 3 и 2,5 нс), обычно описываются как DDR2-400, DDR2-533, DDR2-667 и DDR2-800 (периоды 2,5, 1,875, 1,5 и 1,25 нс). Соответствующие 240-контактные модули DIMM известны как от PC2-3200 до PC2-6400. DDR2 SDRAM теперь доступна с тактовой частотой 533 МГц, обычно описываемой как DDR2-1066, а соответствующие модули DIMM известны как PC2-8500 (также называемые PC2-8600 в зависимости от производителя). Доступна производительность до DDR2-1250 (PC2-10000).

Обратите внимание: поскольку внутренние операции выполняются на 1/2 тактовой частоты, память DDR2-400 (внутренняя тактовая частота 100 МГц) имеет несколько более высокую задержку, чем DDR-400 (внутренняя тактовая частота 200 МГц).

DDR3

DDR3 продолжает тенденцию, удваивая минимальную единицу чтения или записи до восьми последовательных слов. Это позволяет еще раз удвоить пропускную способность и скорость внешней шины без изменения тактовой частоты внутренних операций, а только ширины. Чтобы поддерживать 800–1600 M передач / с (оба фронта тактовой частоты 400–800 МГц), внутренний массив RAM должен выполнять 100–200 M выборок в секунду.

Опять же, с каждым удвоением обратная сторона - увеличение задержка. As with all DDR SDRAM generations, commands are still restricted to one clock edge and command latencies are given in terms of clock cycles, which are half the speed of the usually quoted transfer rate (a Задержка CAS of 8 with DDR3-800 is 8/(400 MHz) = 20 ns, exactly the same latency of CAS2 on PC100 SDR SDRAM).

DDR3 memory chips are being made commercially,^[15] and computer systems using them were available from the second half of 2007,^[16] with significant usage from 2008 onwards.^[17] Initial clock rates were 400 and 533 MHz, which are described as DDR3-800 and DDR3-1066 (PC3-6400 and PC3-8500 modules), but 667 and 800 MHz, described as DDR3-1333 and DDR3-1600 (PC3-10600 and PC3-12800 modules) are now common.^[18] Performance up to DDR3-2800 (PC3 22400 modules) are available.^[19]

DDR4

DDR4 SDRAM is the successor to DDR3 SDRAM. Это было обнаружено на Форум разработчиков Intel in San Francisco in 2008, and was due to be released to market during 2011. The timing varied considerably during its development - it was originally expected to be released in 2012,^[20] and later (during 2010) expected to be released in 2015,^[21] before samples were announced in early 2011 and manufacturers began to announce that commercial production and release to market was anticipated in 2012. DDR4 reached mass market adoption around 2015, which is comparable with the approximately five years taken for DDR3 to achieve mass market transition over DDR2.

The DDR4 chips run at 1.2 V или менее,^[22][23] compared to the 1.5 V of DDR3 chips, and have in excess of 2 billion передача данных в секунду. They are expected to be introduced at frequency rates of 2133 MHz, estimated to rise to a potential 4266 MHz^[24] and lowered voltage of 1.05 V^[25] к 2013 г.

DDR4 will нет double the internal prefetch width again, but will use the same 8п prefetch as DDR3.^[26] Thus, it will be necessary to interleave reads from several banks to keep the data bus busy.

В феврале 2009 г. Samsung validated 40 nm DRAM chips, considered a "significant step" towards DDR4 development^[27] since, as of 2009, current DRAM chips were only beginning to migrate to a 50 nm process.^[28] В январе 2011 г. Samsung announced the completion and release for testing of a 30 nm 2 GB DDR4 DRAM module. It has a maximum bandwidth of 2.13 Gbit/s at 1.2 V, uses pseudo open drain technology and draws 40% less power than an equivalent DDR3 module.^[29][30]

DDR5

In March 2017, JEDEC announced a DDR5 standard is under development,^[31] but provided no details except for the goals of doubling the bandwidth of DDR4, reducing power consumption, and publishing the standard in 2018. The standard was released on 14 July 2020.^[32]

Failed successors

In addition to DDR, there were several other proposed memory technologies to succeed SDR SDRAM.

Rambus DRAM (RDRAM)

RDRAM was a proprietary technology that competed against DDR. Its relatively high price and disappointing performance (resulting from high latencies and a narrow 16-bit data channel versus DDR's 64 bit channel) caused it to lose the race to succeed SDR DRAM.

Synchronous-link DRAM (SLDRAM)

SLDRAM boasted higher performance and competed against RDRAM. It was developed during the late 1990s by the SLDRAM Consortium. The SLDRAM Consortium consisted of about 20 major DRAM and computer industry manufacturers. (The SLDRAM Consortium became incorporated as SLDRAM Inc. and then changed its name to Advanced Memory International, Inc.). SLDRAM was an открытый стандарт and did not require licensing fees. The specifications called for a 64-bit bus running at a 200, 300 or 400 MHz clock frequency. This is achieved by all signals being on the same line and thereby avoiding the synchronization time of multiple lines. Нравиться DDR SDRAM, SLDRAM uses a double-pumped bus, giving it an effective speed of 400,^[33] 600,^[34] or 800 MT/s.

SLDRAM used an 11-bit command bus (10 command bits CA9:0 plus one start-of-command FLAG line) to transmit 40-bit command packets on 4 consecutive edges of a differential command clock (CCLK/CCLK#). Unlike SDRAM, there were no per-chip select signals; each chip was assigned an ID when reset, and the command contained the ID of the chip that should process it. Data was transferred in 4- or 8-word bursts across an 18-bit (per chip) data bus, using one of two differential data clocks (DCLK0/DCLK0# and DCLK1/DCLK1#). Unlike standard SDRAM, the clock was generated by the data source (the SLDRAM chip in the case of a read operation) and transmitted in the same direction as the data, greatly reducing data skew. To avoid the need for a pause when the source of the DCLK changes, each command specified which DCLK pair it would use.^[35]

The basic read/write command consisted of (beginning with CA9 of the first word):

• 9 bits of device ID
• 6 bits of command
• 3 bits of bank address
• 10 or 11 bits of row address
• 5 or 4 bits spare for row or column expansion
• 7 bits of column address

Individual devices had 8-bit IDs. The 9th bit of the ID sent in commands was used to address multiple devices. Any aligned power-of-2 sized group could be addressed. If the transmitted msbit was set, all least-significant bits up to and including the least-significant 0 bit of the transmitted address were ignored for "is this addressed to me?" целей. (If the ID8 bit is actually considered less significant than ID0, the unicast address matching becomes a special case of this pattern.)

A read/write command had the msbit clear:

• CMD5=0
• CMD4=1 to open (activate) the specified row; CMD4=0 to use the currently open row
• CMD3=1 to transfer an 8-word burst; CMD3=0 for a 4-word burst
• CMD2=1 for a write, CMD2=0 for a read
• CMD1=1 to close the row after this access; CMD1=0 to leave it open
• CMD0 selects the DCLK pair to use (DCLK1 or DCLK0)

A notable omission from the specification was per-byte write enables; it was designed for systems with тайники и Память ECC, which always write in multiples of a cache line.

Additional commands (with CMD5 set) opened and closed rows without a data transfer, performed refresh operations, read or wrote configuration registers, and performed other maintenance operations. Most of these commands supported an additional 4-bit sub-ID (sent as 5 bits, using the same multiple-destination encoding as the primary ID) which could be used to distinguish devices that were assigned the same primary ID because they were connected in parallel and always read/written at the same time.

There were a number of 8-bit control registers and 32-bit status registers to control various device timing parameters.

Virtual channel memory (VCM) SDRAM

VCM was a proprietary type of SDRAM that was designed by NEC, but released as an open standard with no licensing fees. It is pin-compatible with standard SDRAM, but the commands are different. The technology was a potential competitor of RDRAM because VCM was not nearly as expensive as RDRAM was. A Virtual Channel Memory (VCM) module is mechanically and electrically compatible with standard SDRAM, so support for both depends only on the capabilities of the memory controller. In the late 1990s, a number of PC Северный мост chipsets (such as the popular VIA KX133 and KT133) included VCSDRAM support.

VCM inserts an SRAM cache of 16 "channel" buffers, each 1/4 row "segment" in size, between DRAM banks' sense amplifier rows and the data I/O pins. "Prefetch" and "restore" commands, unique to VCSDRAM, copy data between the DRAM's sense amplifier row and the channel buffers, while the equivalent of SDRAM's read and write commands specify a channel number to access. Reads and writes may thus be performed independent of the currently active state of the DRAM array, with the equivalent of four full DRAM rows being "open" for access at a time. This is an improvement over the two open rows possible in a standard two-bank SDRAM. (There is actually a 17th "dummy channel" used for some operations.)

To read from VCSDRAM, after the active command, a "prefetch" command is required to copy data from the sense amplifier array to the channel SDRAM. This command specifies a bank, two bits of column address (to select the segment of the row), and four bits of channel number. Once this is performed, the DRAM array may be precharged while read commands to the channel buffer continue. To write, first the data is written to a channel buffer (typically previous initialized using a Prefetch command), then a restore command, with the same parameters as the prefetch command, copies a segment of data from the channel to the sense amplifier array.

Unlike a normal SDRAM write, which must be performed to an active (open) row, the VCSDRAM bank must be precharged (closed) when the restore command is issued. An active command immediately after the restore command specifies the DRAM row completes the write to the DRAM array. There is, in addition, a 17th "dummy channel" which allows writes to the currently open row. It may not be read from, but may be prefetched to, written to, and restored to the sense amplifier array.^[36][37]

Although normally a segment is restored to the same memory address as it was prefetched from, the channel buffers may also be used for very efficient copying or clearing of large, aligned memory blocks. (The use of quarter-row segments is driven by the fact that DRAM cells are narrower than SRAM cells. The SRAM bits are designed to be four DRAM bits wide, and are conveniently connected to one of the four DRAM bits they straddle.) Additional commands prefetch a pair of segments to a pair of channels, and an optional command combines prefetch, read, and precharge to reduce the overhead of random reads.

The above are the JEDEC-standardized commands. Earlier chips did not support the dummy channel or pair prefetch, and use a different encoding for precharge.

A 13-bit address bus, as illustrated here, is suitable for a device up to 128 Mbit. It has two banks, each containing 8,192 rows and 8,192 columns. Thus, row addresses are 13 bits, segment addresses are two bits, and eight column address bits are required to select one byte from the 2,048 bits (256 bytes) in a segment.

Synchronous Graphics RAM (SGRAM)

Synchronous graphics RAM (SGRAM) is a specialized form of SDRAM for graphics adaptors. It is designed for graphics-related tasks such as texture memory и кадровые буферы, найти на видеокарты. It adds functions such as битовая маскировка (writing to a specified bit plane without affecting the others) and block write (filling a block of memory with a single colour). В отличие от VRAM и WRAM, SGRAM is single-ported. However, it can open two memory pages at once, which simulates the dual-port nature of other video RAM technologies.

The earliest known SGRAM memory are 8 МБ chips dating back to 1994: the Hitachi HM5283206, introduced in November 1994,^[38] и NEC µPD481850, introduced in December 1994.^[39] The earliest known commercial device to use SGRAM is Sonyс Игровая приставка (PS) игровая приставка, starting with the Japanese SCPH-5000 model released in December 1995, using the NEC µPD481850 chip.^[40][41]

Графика с удвоенной скоростью передачи данных SDRAM (GDDR SDRAM)

Графика двойная скорость передачи данных SDRAM (GDDR SDRAM) is a type of specialized DDR SDRAM designed to be used as the main memory of графические процессоры (GPU). GDDR SDRAM is distinct from commodity types of DDR SDRAM such as DDR3, although they share some core technologies. Their primary characteristics are higher clock frequencies for both the DRAM core and I/O interface, which provides greater memory bandwidth for GPUs. As of 2018, there are six, successive generations of GDDR: GDDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5, и GDDR5X, GDDR6.

GDDR was initially known as DDR SGRAM. It was commercially introduced as a 16 МБ memory chip by Samsung Electronics в 1998 г.^[8]

High Bandwidth Memory (HBM)

Память с высокой пропускной способностью (HBM) is a high-performance RAM interface for 3D-стек SDRAM from Samsung, AMD и SK Hynix. It is designed to be used in conjunction with high-performance graphics accelerators and network devices.^[42] The first HBM memory chip was produced by SK Hynix in 2013.^[43]

График

SDRAM

SGRAM and HBM

Смотрите также

• GDDR (graphics DDR) and its subtypes GDDR2, GDDR3, GDDR4, и GDDR5
• Список пропускной способности устройства
• Обнаружение последовательного присутствия - EEPROM with timing data on SDRAM modules
• SDRAM Tutorial - Flash website built by Tel-Aviv University students
• A concise but thorough review of SDRAM architecture/terminology and command timing dependencies in High-Performance DRAM System Design Constraints and Considerations, a master thesis from the University of Maryland.

Рекомендации

внешняя ссылка

• Everything you always wanted to know about SDRAM (memory), but were afraid to ask, August 2010, АнандТех
• Understanding RAM Timings, May 2011, Hardware Secrets
• PC SDRAM Specification, Rev 1.7
• 133MHz PC133 SDRAM SO-DIMM Specification
• PC SDRAM Serial Presence Detect (SPD) Specification, Rev 1.2B