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内存发展史
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在了解内存的发展之前,我们应该先解释一下几个常用词汇,这将有助于我们加强对内存的理解。RAM就是Random Access Memory(随机存贮器)的缩写。它又分成两种Static RAM(静态随机存贮器)和Dynamic RAM(动态随机存贮器)。
SRAM曾经是一种主要的内存,SRAM速度很快而且不用刷新就能保存数据不丢失。它以双稳态电路形式存储数据,结构复杂,内部需要使用更多的晶体管构成寄存器以保存数据,所以它采用的硅片面积相当大,制造成本也相当高,所以现在只能把SRAM用在比主内存小的多的高速缓存上。随着 Intel将L2高速缓存整合入CPU(从Medocino开始)后,SRAM失去了最大应用需求来源,还好在移动电话从模拟转向数字的发展趋势中,终于为具有省电优势的SRAM寻得了另一个需求成长的契机,再加上网络服务器、路由器等的需求激励,才使得SRAM市场勉强得以继续成长。
DRAM,顾名思义即动态RAM。DRAM的结构比起SRAM来说要简单的多,基本结构是一只MOS管和一个电容构成。具有结构简单、集成度高、功耗低、生产成本低等优点,适合制造大容量存储器,所以现在我们用的内存大多是由DRAM构成的。所以下面主要介绍DRAM内存。在详细说明DRAM存储器前首先要说一下同步的概念,根据内存的访问方式可分为两种:同步内存和异步内存。区分的标准是看它们能不能和系统时钟同步。内存控制电路(在主板的芯片组中,一般在北桥芯片组中)发出行地址选择信号(RAS)和列地址选择信号(CAS)来指定哪一块存储体将被访问。在SDRAM之前的 EDO内存就采用这种方式。读取数据所用的时间用纳秒表示。当系统的速度逐渐增加,特别是当66MHz频率成为总线标准时,EDO内存的速度就显得很慢了,CPU总要等待内存的数据,严重影响了性能,内存成了一个很大的瓶颈。因此出现了同步系统时钟频率的SDRAM。
DRAM的分类 FP DRAM:又叫快页内存,在386时代很流行。因为DRAM需要恒电流以保存信息,一旦断电,信息即丢失。它的刷新频率每秒钟可达几百次,但由于FP DRAM使用同一电路来存取数据,所以DRAM的存取时间有一定的时间间隔,这导致了它的存取速度并不是很快。另外,在DRAM中,由于存储地址空间是按页排列的,所以当访问某一页面时,切换到另一页面会占用CPU额外的时钟周期。其接口多为72线的SIMM类型。 EDO DRAM:EDO RAM――Extended Date Out RAM——外扩充数据模式存储器,EDO-RAM同FP DRAM相似,它取消了扩展数据输出内存与传输内存两个存储周期之间的时间间隔,在把数据发送给CPU的同时去访问下一个页面,故而速度要比普通DRAM 快15~30%。工作电压为一般为5V,其接口方式多为72线的SIMM类型,但也有168线的DIMM类型。EDO DRAM这种内存流行在486以及早期的奔腾电脑上。当前的标准是SDRAM(同步DRAM的缩写),顾名思义,它是同步于系统时钟频率的。SDRAM内存访问采用突发(burst)模式,它和原理是, SDRAM在现有的标准动态存储器中加入同步控制逻辑(一个状态机),利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。使用SDRAM不但能提高系统表现,还能简化设计、提供高速的数据传输。 在功能上,它类似常规的DRAM,也需时钟进行刷新。 可以说, SDRAM是一种改善了结构的增强型DRAM。然而,SDRAM是如何利用它的同步特性而适应高速系统的需要的呢?我们知道,原先我们使用的动态存储器技术都是建立在异步控制基础上的。系统在使用这些异步动态存储器时需插入一些等待状态来适应异步动态存储器的本身需要,这时,指令的执行时间往往是由内存的速度、而非系统本身能够达到的最高速率来决定。例如,当将连续数据存入CACHE时,一个速度为60ns的快页内存需要40ns的页循环时间;当系统速度运行在100MHz时(一个时钟周期10ns),每执行一次数据存取,即需要等待4个时钟周期!而使用SDRAM,由于其同步特性,则可避免这一时。 SDRAM结构的另一大特点是其支持DRAM的两列地址同时打开。两个打开的存储体间的内存存取可以交叉进行,一般的如预置或激活列可以隐藏在存储体存取过程中,即允许在一个存储体读或写的同时,令一存储体进行预置。按此进行,100MHz的无缝数据速率可在整个器件读或写中实现。因为SDRAM的速度约束着系统的时钟速度,它的速度是由MHz或ns来计算的。 SDRAM的速度至少不能慢于系统的时钟速度,SDRAM的访问通常发生在四个连续的突发周期,第一个突发周期需要4个系统时钟周期,第二到第四个突发周期只需要1个系统时钟周期。用数字表示如下:4-1-1-1。顺便提一下BEDO(Burst EDO)也就是突发EDO内存。实际上其原理和性能是和SDRAM差不多的,因为Intel的芯片组支持SDRAM,由于INTEL的市场领导地位帮助 SDRAM成为市场的标准。
DRAMR的两种接口类型 DRAM主要有两种接口类型,既早期的SIMM和现在的标准DIMM。SIMM是Single-In Line Memory Module的简写,即单边接触内存模组,这是486及其较早的PC机中常用的内存的接口方式。在更早的PC机中(486以前),多采用30针的SIMM 接口,而在Pentium中,应用更多的则是72针的SIMM接口,或者是与DIMM接口类型并存。DIMM是Dual In-Line Memory Module的简写,即双边接触内存模组,也就是说这种类型接口内存的插板的两边都有数据接口触片,这种接口模式的内存广泛应用于现在的计算机中,通常为 84针,但由于是双边的,所以一共有84×2=168线接触,故而人们经常把这种内存称为168线内存,而把72线的SIMM类型内存模组直接称为72线内存。DRAM内存通常为72线,EDO-RAM内存既有72线的,也有168线的,而SDRAM内存通常为168线的。
新的内存标准在新的世纪到来之时,也带来了计算机硬件的重大改变。计算机的制造工艺发展到已经可以把微处理器(CPU)的时钟频率提高的一千兆的边缘。相应的内存也必须跟得上处理器的速度才行。现在有两个新的标准,DDR SDRAM内存和Rambus内存。它们之间的竞争将会成为PC内存市场竞争的核心。DDR SDRAM代表着一条内存逐渐演化的道路。Rambus则代表着计算机设计上的重大变革。从更远一点的角度看。DDR SDRAM是一个开放的标准。然而Rambus则是一种专利。它们之间的胜利者将会对计算机制造业产生重大而深远的影响。
RDRAM在工作频率上有大幅度的提升,但这一结构的改变,涉及到包括芯片组、DRAM制造、封装、测试甚至PCB及模组等的全面改变,可谓牵一发而动全身。未来高速DRAM结构的发展究竟如何?Intel重新整装再发的820芯片组,是否真能如愿以偿地让RDRAM登上主流宝座?
PC133 SDRAM:PC133 SDRAM基本上只是PC100 SDRAM的延伸,不论在DRAM制造、封装、模组、连接器方面,都延续旧有规范,它们的生产设备相同,因此生产成本也几乎与PC100 SDRAM相同。严格来说,两者的差别仅在于相同制程技术下,所多的一道「筛选」程序,将速度可达133MHz的颗粒挑选出来而已。若配合可支持 133MHz外频的芯片组,并提高CPU的前端总线频率(Front Side Bus)到133MHz,便能将DRAM带宽提高到1GB/sec以上,从而提高整体系统性能。
DDR-SDRAM:DDR SDRAM(Double Data Rate DRAM)或称之为SDRAMⅡ,由于DDR在时钟的上升及下降的边缘都可以传输资料,从而使得实际带宽增加两倍,大幅提升了其性能/成本比。就实际功能比较来看,由PC133所衍生出的第二代PC266 DDR SRAM(133MHz时钟×2倍数据传输=266MHz带宽),不仅在InQuest最新测试报告中显示其性能平均高出Rambus 24.4%,在Micron的测试中,其性能亦优于其他的高频宽解决方案,充份显示出DDR在性能上已足以和Rambus相抗衡的程度。
Direct Rambus-DRAM :Rambus DRAM设计与以往DRAM很大的不同之处在于,它的微控制器与一般内存控制器不同,使得芯片组必须重新设计以符合要求,此外,数据通道接口也与一般内存不同,Rambus以2条各8 bit宽(含ECC则为9 bit)的数据通道(channel)传输数据,虽然比SDRAM的64bit窄,但其时钟频率却可高达400MHz,且在时钟的上升和下降沿都能传输数据,因而能达到1.6GB/sec的尖峰带宽。
各种DRAM规格之综合比较数据带宽:从数据带宽来看,传统PC100在时钟频率为100MHz的情况下,尖峰数据传输率可达到800MB/sec。若以先进0.25微米线程制造的 DRAM,大都可以「筛选」出时钟频率达到133MHz的PC133颗粒,可将尖峰数据传输率再次提高至1.06GB/sec,只要CPU及芯片组能配合,就可提高整体系统性能。此外,就DDR而言,由于其在时钟上升和下降沿都能传输数据,所以在相同133MHz的时钟频率下,其尖峰数据传输将可大幅提高两倍,达到2.1 GB/sec的水准,其性能甚至比现阶段Rambus所能达到的1.6GB/sec更高。
传输模式:传统SDRAM采用并列数据传输方式,Rambus则采取了比较特别的串行传输方式。在串行的传输方式之下,资料信号都是一进一出,可以把数据带宽降为16bit,而且可大幅提高工作时钟频率(400MHz),但这也形成了模组在数据传输设计上的限制。也就是说,在串接的模式下,如果有其中一个模组损坏、或是形成断路,便会使整个系统无法正常开机。因此,对采用Rambus内存模组的主机板而言,便必须将三组内存扩充插槽完全插满,如果Rambus模组不足的话,只有安装不含RDRAM颗粒的中继模组(Continuity RIMM Module;C-RIMM),纯粹用来提供信号的串接工作,让数据的传输畅通。
模组及PCB的设计:由于Rambus的工作频率高达400MHz,所以不管是电路设计、线路布局、颗粒封装及记忆模组的设计等,都和以往SDRAM大为不同。以模组设计而言,RDRAM所构成的记忆模组称之为RIMM(Rambus In Memory Module),目前的设计可采取4、6、8、12与16颗等不同数目的RDRAM颗粒来组成,虽然引脚数提高到了184只,但整个模组的长度却与原有 DIMM相当。
另外,在设计上,Rambus的每一个传输信道所能承载的芯片颗粒数目有限(最多32颗),从而造成RDRAM内存模组容量将有所限制。也就是说,如果已经安装了一只含16颗RDARM颗粒的RIMM模组时,若想要再扩充内存,最多只能再安装具有16颗RDARM的模组。另外,由于 RDARM在高频下工作将产生高温,所以RIMM模组在设计时必须加上一层散热片,也增加了RIMM模组的成本。
颗粒的封装:DRAM封装技术从最早的DIP、SOJ提高到TSOP的形式。从现在主流SDRAM的模组来看,除了胜创科技首创的TinyBGA技术和樵风科技首创的BLP封装模式外,绝大多数还是采用TSOP的封装技术。
随着DDR、RDRAM的陆续推出,将内存频率提高到一个更高的水平上,TSOP封装技术渐渐有些力不从心了,难以满足DRAM设计上的要求。从Intel力推的RDRAM来看,采用了新一代的μBGA封装形式,相信未来DDR等其他高速DRAM的封装也会采取相同或不同的BGA封装方式。
尽管RDRAM在时钟频率上有了突破性的进展,有效地提高了整个系统性能,但毕竟在实际使用上,其规格与现阶段主流的SDRAM有很大的差异,不仅不兼容于现有系统芯片组而成了Intel一家独揽的局面。甚至在DRAM模组的设计上,不仅使用了最新一代的BGA封装方式,甚至在电路板的设计上,都采取用了8层板的严格标准,更不用说在测试设备上的庞大投资。使得大多数的DRAM及模组厂商不敢贸然跟进。
再说,由于Rambus是个专利标准,想生产RDRAM的厂商必须先取得Rambus公司的认证,并支付高额的专利费用。不仅加重了各DRAM厂商的成本负担,而且它们担心在制定未来新一代的内存标准时会失去原来掌握的规格控制能力。
由于RIMM模组的颗粒最多只能为32颗,限制了Rambus应用,只能用在入门级服务器和高级PC上。或许就PC133而言,在性能上无法和Rambus抗衡,但是一旦整合了DDR技术后,其数据带宽可达到2.1GB/sec,不仅领先Rambus所能达到的1.6GB/sec标准,而且由于其开放的标准及在兼容性上远比Rambus高的原故,估计将会对Rambus造成非常大的杀伤力。更何况在威盛与AMD等联盟的强力支持下,Intel是否能再象往日一般地呼风唤雨,也成了未知数。至少,在低价PC及网络PC方面,Rambus的市场将会很小。
结论:尽管Intel采取了种种不同的策略布局及对策,要想挽回Rambus的气势,但毕竟像Rambus这种具有突破性规格的产品,在先天上便存在有着诸多较难克服的问题。或许Intel可以藉由更改主机板的RIMM插槽方式、或是提出SDRAM与RDRAM共同存在的过渡性方案(S- RIMM、RIMM Riser)等方式来解决技术面上的问题。但一旦涉及规模量产成本的控制问题时,便不是Intel所能一家独揽的,更何况在网络趋势下的计算机应用将愈来愈趋于低价化,市场需求面是否对Rambus有兴趣,则仍有待考验。 在供给方面,从NEC独创的VCM SDRAM规格(Virtual Channel Memory)、以及Samsung等DRAM大厂对Rambus支持态度已趋保守的情况来看,再加上相关封装及测试等设备上的投资不足,估计年底之前, Rambus内存模组仍将缺乏与PC133甚至DDR的价格竞争力。
就长远的眼光来看,Rambus架构或许可以成为主流,但应不再会是主导市场的绝对主流,而SDRAM架构(PC133、DDR)在低成本的优势,以及广泛的应用领域,应该会有非常不错的表现。相信未来的DRAM市场,将会是多种结构并存的局面。
具最新消息,可望成为下一世代内存主力的Rambus DRAM因芯片组延迟推出,而气势稍挫的情况之下,由全球多家半导体与电脑大厂针对DDR SDRAM的标准化,而共同组成的AMII(Advanced Memory International Inc、)阵营,则决定积极促进比PC200、PC266速度提高10倍以上的PC1600与PC2100 DDR SDRAM规格的标准化,此举使得Rambus DRAM与DDR SDRAM的内存主导权之争,迈入新的局面。全球第二大微处理器制造商AMD,决定其Athlon处理器将采用PC266规格的DDR SDRAM,而且决定在今年年中之前,开发支持DDR SDRAM的芯片组,这使DDR SDRAM阵营深受鼓舞。全球内存业者极有可能将未来投资的重心,由Rambus DRAM转向DDR SDRAM。
综上所述,今年DDR SDRAM的发展势头要超过RAMBUS。而且DDR SDRAM的生产成本只有SDRAM的1.3倍,在生产成本上更具优势。
未来除了DDR和RAMBUS外还有其他几种有希望的内存产品,下面介绍其中的几种: SLDRAM (SyncLink DRAM,同步链接内存):SLDRAM也许是在速度上最接近RDRAM的竞争者。SLDRAM是一种增强和扩展的SDRAM架构,它将当前的4体(Bank)结构扩展到16体,并增加了新接口和控制逻辑电路。SLDRAM像SDRAM一样使用每个脉冲沿传输数据。
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