在了解內存的發展之前,我們應該先解釋壹下幾個常用詞匯,這將有助於我們加強對內存的理解。
RAM就是RandomAccessMemory(隨機存貯器)的縮寫。它又分成兩種StaticRAM(靜態隨機存貯器)和DynamicRAM(動態隨機存貯器)。
SRAM曾經是壹種主要的內存,SRAM速度很快而且不用刷新就能保存數據不丟失。它以雙穩態電路形式存儲數據,結構復雜,內部需要使用更多的晶體管構成寄存器以保存數據,所以它采用的矽片面積相當大,制造成本也相當高,所以現在只能把SRAM用在比主內存小的多的高速緩存上。隨著Intel將L2高速緩存整合入CPU(從Medocino開始)後,SRAM失去了最大應用需求來源,還好在移動電話從模擬轉向數字的發展趨勢中,終於為具有省電優勢的SRAM尋得了另壹個需求成長的契機,再加上網絡服務器、路由器等的需求激勵,才使得SRAM市場勉強得以繼續成長。
DRAM,顧名思義即動態RAM。DRAM的結構比起SRAM來說要簡單的多,基本結構是壹只MOS管和壹個電容構成。具有結構簡單、集成度高、功耗低、生產成本低等優點,適合制造大容量存儲器,所以現在我們用的內存大多是由DRAM構成的。所以下面主要介紹DRAM內存。在詳細說明DRAM存儲器前首先要說壹下同步的概念,根據內存的訪問方式可分為兩種:同步內存和異步內存。區分的標準是看它們能不能和系統時鐘同步。內存控制電路(在主板的芯片組中,壹般在北橋芯片組中)發出行地址選擇信號(RAS)和列地址選擇信號(CAS)來指定哪壹塊存儲體將被訪問。在SDRAM之前的EDO內存就采用這種方式。讀取數據所用的時間用納秒表示。當系統的速度逐漸增加,特別是當66MHz頻率成為總線標準時,EDO內存的速度就顯得很慢了,CPU總要等待內存的數據,嚴重影響了性能,內存成了壹個很大的瓶頸。因此出現了同步系統時鐘頻率的SDRAM。DRAM的分類FPDRAM:又叫快頁內存,在386時代很流行。因為DRAM需要恒電流以保存信息,壹旦斷電,信息即丟失。它的刷新頻率每秒鐘可達幾百次,但由於FPDRAM使用同壹電路來存取數據,所以DRAM的存取時間有壹定的時間間隔,這導致了它的存取速度並不是很快。另外,在DRAM中,由於存儲地址空間是按頁排列的,所以當訪問某壹頁面時,切換到另壹頁面會占用CPU額外的時鐘周期。其接口多為72線的SIMM類型。EDODRAM:EDORAM――ExtendedDateOutRAM——外擴充數據模式存儲器,EDO-RAM同FPDRAM相似,它取消了擴展數據輸出內存與傳輸內存兩個存儲周期之間的時間間隔,在把數據發送給CPU的同時去訪問下壹個頁面,故而速度要比普通DRAM快15~30%。工作電壓為壹般為5V,其接口方式多為72線的SIMM類型,但也有168線的DIMM類型。EDODRAM這種內存流行在486以及早期的奔騰電腦上。當前的標準是SDRAM(同步DRAM的縮寫),顧名思義,它是同步於系統時鐘頻率的。SDRAM內存訪問采用突發(burst)模式,它和原理是,SDRAM在現有的標準動態存儲器中加入同步控制邏輯(壹個狀態機),利用壹個單壹的系統時鐘同步所有的地址數據和控制信號。使用SDRAM不但能提高系統表現,還能簡化設計、提供高速的數據傳輸。在功能上,它類似常規的DRAM,也需時鐘進行刷新。可以說,SDRAM是壹種改善了結構的增強型DRAM。然而,SDRAM是如何利用它的同步特性而適應高速系統的需要的呢?我們知道,原先我們使用的動態存儲器技術都是建立在異步控制基礎上的。系統在使用這些異步動態存儲器時需插入壹些等待狀態來適應異步動態存儲器的本身需要,這時,指令的執行時間往往是由內存的速度、而非系統本身能夠達到的最高速率來決定。例如,當將連續數據存入CACHE時,壹個速度為60ns的快頁內存需要40ns的頁循環時間;當系統速度運行在100MHz時(壹個時鐘周期10ns),每執行壹次數據存取,即需要等待4個時鐘周期!而使用SDRAM,由於其同步特性,則可避免這壹時。SDRAM結構的另壹大特點是其支持DRAM的兩列地址同時打開。兩個打開的存儲體間的內存存取可以交叉進行,壹般的如預置或激活列可以隱藏在存儲體存取過程中,即允許在壹個存儲體讀或寫的同時,令壹存儲體進行預置。按此進行,100MHz的無縫數據速率可在整個器件讀或寫中實現。因為SDRAM的速度約束著系統的時鐘速度,它的速度是由MHz或ns來計算的。SDRAM的速度至少不能慢於系統的時鐘速度,SDRAM的訪問通常發生在四個連續的突發周期,第壹個突發周期需要4個系統時鐘周期,第二到第四個突發周期只需要1個系統時鐘周期。用數字表示如下:4-1-1-1。順便提壹下BEDO(BurstEDO)也就是突發EDO內存。實際上其原理和性能是和SDRAM差不多的,因為Intel的芯片組支持SDRAM,由於INTEL的市場領導地位幫助SDRAM成為市場的標準。
DRAMR的兩種接口類型DRAM主要有兩種接口類型,既早期的SIMM和現在的標準DIMM。SIMM是Single-InLineMemoryModule的簡寫,即單邊接觸內存模組,這是486及其較早的PC機中常用的內存的接口方式。在更早的PC機中(486以前),多采用30針的SIMM接口,而在Pentium中,應用更多的則是72針的SIMM接口,或者是與DIMM接口類型並存。DIMM是DualIn-LineMemoryModule的簡寫,即雙邊接觸內存模組,也就是說這種類型接口內存的插板的兩邊都有數據接口觸片,這種接口模式的內存廣泛應用於現在的計算機中,通常為84針,但由於是雙邊的,所以壹***有84×2=168線接觸,故而人們經常把這種內存稱為168線內存,而把72線的SIMM類型內存模組直接稱為72線內存。DRAM內存通常為72線,EDO-RAM內存既有72線的,也有168線的,而SDRAM內存通常為168線的。新的內存標準在新的世紀到來之時,也帶來了計算機硬件的重大改變。計算機的制造工藝發展到已經可以把微處理器(CPU)的時鐘頻率提高的壹千兆的邊緣。相應的內存也必須跟得上處理器的速度才行。現在有兩個新的標準,DDRSDRAM內存和Rambus內存。它們之間的競爭將會成為PC內存市場競爭的核心。DDRSDRAM代表著壹條內存逐漸演化的道路。Rambus則代表著計算機設計上的重大變革。從更遠壹點的角度看。DDRSDRAM是壹個開放的標準。然而Rambus則是壹種專利。它們之間的勝利者將會對計算機制造業產生重大而深遠的影響。
RDRAM在工作頻率上有大幅度的提升,但這壹結構的改變,涉及到包括芯片組、DRAM制造、封裝、測試甚至PCB及模組等的全面改變,可謂牽壹發而動全身。未來高速DRAM結構的發展究竟如何?
Intel重新整裝再發的820芯片組,是否真能如願以償地讓RDRAM登上主流寶座?PC133SDRAM:PC133SDRAM基本上只是PC100SDRAM的延伸,不論在DRAM制造、封裝、模組、連接器方面,都延續舊有規範,它們的生產設備相同,因此生產成本也幾乎與PC100SDRAM相同。嚴格來說,兩者的差別僅在於相同制程技術下,所多的壹道「篩選」程序,將速度可達133MHz的顆粒挑選出來而已。若配合可支持133MHz外頻的芯片組,並提高CPU的前端總線頻率(FrontSideBus)到133MHz,便能將DRAM帶寬提高到1GB/sec以上,從而提高整體系統性能。DDR-SDRAM:DDRSDRAM(DoubleDataRateDRAM)或稱之為SDRAMⅡ,由於DDR在時鐘的上升及下降的邊緣都可以傳輸資料,從而使得實際帶寬增加兩倍,大幅提升了其性能/成本比。就實際功能比較來看,由PC133所衍生出的第二代PC266DDRSRAM(133MHz時鐘×2倍數據傳輸=266MHz帶寬),不僅在InQuest最新測試報告中顯示其性能平均高出Rambus24.4%,在Micron的測試中,其性能亦優於其他的高頻寬解決方案,充份顯示出DDR在性能上已足以和Rambus相抗衡的程度。DirectRambus-DRAM:RambusDRAM設計與以往DRAM很大的不同之處在於,它的微控制器與壹般內存控制器不同,使得芯片組必須重新設計以符合要求,此外,數據通道接口也與壹般內存不同,Rambus以2條各8bit寬(含ECC則為9bit)的數據通道(channel)傳輸數據,雖然比SDRAM的64bit窄,但其時鐘頻率卻可高達400MHz,且在時鐘的上升和下降沿都能傳輸數據,因而能達到1.6GB/sec的尖峰帶寬。
各種DRAM規格之綜合比較數據帶寬:從數據帶寬來看,傳統PC100在時鐘頻率為100MHz的情況下,尖峰數據傳輸率可達到800MB/sec。若以先進0.25微米線程制造的DRAM,大都可以「篩選」出時鐘頻率達到133MHz的PC133顆粒,可將尖峰數據傳輸率再次提高至1.06GB/sec,只要CPU及芯片組能配合,就可提高整體系統性能。此外,就DDR而言,由於其在時鐘上升和下降沿都能傳輸數據,所以在相同133MHz的時鐘頻率下,其尖峰數據傳輸將可大幅提高兩倍,達到2.1GB/sec的水準,其性能甚至比現階段Rambus所能達到的1.6GB/sec更高。
傳輸模式:傳統SDRAM采用並列數據傳輸方式,Rambus則采取了比較特別的串行傳輸方式。在串行的傳輸方式之下,資料信號都是壹進壹出,可以把數據帶寬降為16bit,而且可大幅提高工作時鐘頻率(400MHz),但這也形成了模組在數據傳輸設計上的限制。也就是說,在串接的模式下,如果有其中壹個模組損壞、或是形成斷路,便會使整個系統無法正常開機。因此,對采用Rambus內存模組的主機板而言,便必須將三組內存擴充插槽完全插滿,如果Rambus模組不足的話,只有安裝不含RDRAM顆粒的中繼模組(ContinuityRIMMModule;C-RIMM),純粹用來提供信號的串接工作,讓數據的傳輸暢通。模組及PCB的設計:由於Rambus的工作頻率高達400MHz,所以不管是電路設計、線路布局、顆粒封裝及記憶模組的設計等,都和以往SDRAM大為不同。以模組設計而言,RDRAM所構成的記憶模組稱之為RIMM(RambusInMemoryModule),目前的設計可采取4、6、8、12與16顆等不同數目的RDRAM顆粒來組成,雖然引腳數提高到了184只,但整個模組的長度卻與原有DIMM相當。另外,在設計上,Rambus的每壹個傳輸信道所能承載的芯片顆粒數目有限(最多32顆),從而造成RDRAM內存模組容量將有所限制。也就是說,如果已經安裝了壹只含16顆RDARM顆粒的RIMM模組時,若想要再擴充內存,最多只能再安裝具有16顆RDARM的模組。另外,由於RDARM在高頻下工作將產生高溫,所以RIMM模組在設計時必須加上壹層散熱片,也增加了RIMM模組的成本。
顆粒的封裝:DRAM封裝技術從最早的DIP、SOJ提高到TSOP的形式。從現在主流SDRAM的模組來看,除了勝創科技首創的TinyBGA技術和樵風科技首創的BLP封裝模式外,絕大多數還是采用TSOP的封裝技術。
隨著DDR、RDRAM的陸續推出,將內存頻率提高到壹個更高的水平上,TSOP封裝技術漸漸有些力不從心了,難以滿足DRAM設計上的要求。從Intel力推的RDRAM來看,采用了新壹代的μBGA封裝形式,相信未來DDR等其他高速DRAM的封裝也會采取相同或不同的BGA封裝方式。盡管RDRAM在時鐘頻率上有了突破性的進展,有效地提高了整個系統性能,但畢竟在實際使用上,其規格與現階段主流的SDRAM有很大的差異,不僅不兼容於現有系統芯片組而成了Intel壹家獨攬的局面。甚至在DRAM模組的設計上,不僅使用了最新壹代的BGA封裝方式,甚至在電路板的設計上,都采取用了8層板的嚴格標準,更不用說在測試設備上的龐大投資。使得大多數的DRAM及模組廠商不敢貿然跟進。
再說,由於Rambus是個專利標準,想生產RDRAM的廠商必須先取得Rambus公司的認證,並支付高額的專利費用。不僅加重了各DRAM廠商的成本負擔,而且它們擔心在制定未來新壹代的內存標準時會失去原來掌握的規格控制能力。
由於RIMM模組的顆粒最多只能為32顆,限制了Rambus應用,只能用在入門級服務器和高級PC上。或許就PC133而言,在性能上無法和Rambus抗衡,但是壹旦整合了DDR技術後,其數據帶寬可達到2.1GB/sec,不僅領先Rambus所能達到的1.6GB/sec標準,而且由於其開放的標準及在兼容性上遠比Rambus高的原故,估計將會對Rambus造成非常大的殺傷力。更何況臺灣在威盛與AMD等聯盟的強力支持下,Intel是否能再象往日壹般地呼風喚雨,也成了未知數。至少,在低價PC及網絡PC方面,Rambus的市場將會很小。
結論:盡管Intel采取了種種不同的策略布局及對策,要想挽回Rambus的氣勢,但畢竟像Rambus這種具有突破性規格的產品,在先天上便存在有著諸多較難克服的問題。或許Intel可以藉由更改主機板的RIMM插槽方式、或是提出SDRAM與RDRAM***同存在的過渡性方案(S-RIMM、RIMMRiser)等方式來解決技術面上的問題。但壹旦涉及規模量產成本的控制問題時,便不是Intel所能壹家獨攬的,更何況在網絡趨勢下的計算機應用將愈來愈趨於低價化,市場需求面是否對Rambus有興趣,則仍有待考驗。 在供給方面,從NEC獨創的VCMSDRAM規格(VirtualChannelMemory)、以及Samsung等DRAM大廠對Rambus支持態度已趨保守的情況來看,再加上相關封裝及測試等設備上的投資不足,估計年底之前,Rambus內存模組仍將缺乏與PC133甚至DDR的價格競爭力。就長遠的眼光來看,Rambus架構或許可以成為主流,但應不再會是主導市場的絕對主流,而SDRAM架構(PC133、DDR)在低成本的優勢,以及廣泛的應用領域,應該會有非常不錯的表現。相信未來的DRAM市場,將會是多種結構並存的局面。
具最新消息,可望成為下壹世代內存主力的RambusDRAM因芯片組延遲推出,而氣勢稍挫的情況之下,由全球多家半導體與電腦大廠針對DDRSDRAM的標準化,而***同組成的AMII(AdvancedMemoryInternationalInc、)陣營,則決定積極促進比PC200、PC266速度提高10倍以上的PC1600與PC2100DDRSDRAM規格的標準化,此舉使得RambusDRAM與DDRSDRAM的內存主導權之爭,邁入新的局面。全球第二大微處理器制造商AMD,決定其Athlon處理器將采用PC266規格的DDRSDRAM,而且決定在今年年中之前,開發支持DDRSDRAM的芯片組,這使DDRSDRAM陣營深受鼓舞。全球內存業者極有可能將未來投資的重心,由RambusDRAM轉向DDRSDRAM。
綜上所述,今年DDRSDRAM的發展勢頭要超過RAMBUS。而且DDRSDRAM的生產成本只有SDRAM的1.3倍,在生產成本上更具優勢。未來除了DDR和RAMBUS外還有其他幾種有希望的內存產品,下面介紹其中的幾種:SLDRAM(SyncLinkDRAM,同步鏈接內存):SLDRAM也許是在速度上最接近RDRAM的競爭者。SLDRAM是壹種增強和擴展的SDRAM架構,它將當前的4體(Bank)結構擴展到16體,並增加了新接口和控制邏輯電路
。SLDRAM像SDRAM壹樣使用每個脈沖沿傳輸數據。
VirtualChannelDRAM:VirtualChannel“虛擬信道”是加裝在內存單元與主控芯片上的內存控制部分之間,相當於緩存的壹類寄存器。使用VC技術後,當外部對內存進行讀寫操作時,將不再直接對內存芯片中的各個單元進行讀寫操作,而改由VC代理。VC本身所具有的緩存效果也不容小覷,當內存芯片容量為目前最常見的64Mbit時,VC與內存單元之間的帶寬已達1024bit。即便不考慮前/後臺並列處理所帶來的速度提升,光是“先把數據從內存單元中移動到高速的VC中後再由外部進行讀寫”這壹基本構造本身就很適於提高內存的整體速度。每塊內存芯片中都可以搭載復數的VC,64Mbit的產品中VC總數為16個。不但每個VC均可以分別對應不同的內存主控設備(MemoryMaster,此處指CPU、南橋芯片、各種擴展卡等等),而且在必要時,還可以把多個VC信道捆綁在壹起以對應某個占用帶寬特別大的內存主控設備。因此,在多任務同時執行的情況下,VC-SDRAM也能保證持續地進行高效率的數據傳輸。VC-SDRAM還有壹個特點,就是保持了與傳統型SDRAM的管腳兼容,廠家不需要重新進行主板布線設計就能夠使主板支持它。不過由於它與傳統型SDRAM控制方式不同,因此還需要得到控制芯片組的支持方能使用,目前已支持VC-SDRAM的芯片組有VIA的ApolloPro133系列、ApolloMVP4和SiS的SiS630等。