oldi

Память. Без права на склероз

Влияние подсистемы памяти на производительность компьютерной системы

Виктор Арковенко

Разве памяти бывает много?

Пропускная способность и шина 100 МГц

Надежность и PC100

Direct Rambus DRAM

 

Разве памяти бывает много?

Рекомендуемый объем памяти зависит, конечно, от того, для какого сектора рынка предназначен компьютер. Более того, именно способность надежно работать с памятью больших объемов является одним из наиболее важных отличий рабочих станций и серверов от обычных персональных компьютеров.

Рост рекомендуемых объемов памяти происходит практически автоматически по мере развития технологии и снижения цен на память. Минимально приемлемые значения задаются спецификацией PC’99. Для обычных офисных и потребительских компьютеров спецификация PC’99 требует не менее 32 Мбайт памяти, а рекомендует 64 Мбайт. Для развлекательных компьютеров требуется не менее 64 Мбайт, а для рабочих станций — не менее 128 Мбайт.

Применение больших объемов памяти, 128 Мбайт и более, требует соблюдения ряда условий. Во-первых, кэш-память второго уровня должна кэшировать весь объем памяти, иначе упадет производительность. Для процессоров типа Pentium II со встроенной кэш-памятью 2-го уровня объем кэшируемой памяти составляет 4 Гбайт (кроме процессоров на 233-300 МГц с ядром Klamath, где он равен 512 Мбайт). Для систем с внешней кэш-памятью 2-го уровня объем кэшируемой памяти определяется чипсетом. Для систем Socket 7 на современных чипсетах ограничений практически нет — это 512 Мбайт или более. В системах на базе чипсета предыдущего поколения Intel 430TX кэшируется только 64 Мбайт памяти, при установке большего объема производительность падает примерно на 5%. Во-вторых, при больших объемах памяти, когда используется более трех модулей DIMM, для обеспечения устойчивой работы требуются специальные меры. Так, в системных платах, ориентированных на серверы и рабочие станции, обычно используется буферизация. В-третьих, должна использоваться коррекция ошибок (ECC), или контроль четности, так как вероятность сбоя возрастает с увеличением объема памяти.

в начало

в начало

Пропускная способность и шина 100 МГц

В современных системах в подавляющем большинстве случаев применяется синхронная динамическая память SDRAM. Она работает на частоте процессорной шины, которая и определяет максимальную пропускную способность памяти. Повышение частоты процессорной шины с 66 до 100 МГц подняло предел пропускной способности с 533 (64 бит, 66,7 МГц) до 800 Мбайт/с (64 бит, 100 МГц), что, в свою очередь, привело к росту производительности. Производительность заметно возросла в системах с внешней кэш-памятью 2-го уровня и гораздо меньше — в системах со встроенной кэш-памятью (рис. 1 и 2), так как с увеличением частоты процессорной шины пропорционально возрастает и пропускная способность внешней кэш-памяти 2-го уровня, а для встроенной кэш-памяти она не меняется.

Выгода от 100-мегагерцевой шины не исчерпывается только повышением производительности на стандартных приложениях. Возрастает и эффективность функционирования ускоренного графического порта AGP, так как для того, чтобы скорость передачи данных через AGP приблизилась к максимальному значению (533 Мбайт/с для режима 2х), нужен определенный запас общей пропускной способности.

Планируемое увеличение скорости передачи AGP еще в 2 раза (режим 4х) потребует дальнейшего повышения пропускной способности процессорной шины и, соответственно, применения более быстродействующей памяти. Предельные рабочие частоты SDRAM составляют в настоящее время примерно 166-180 МГц (1,3-1,4 Гбайт/с). Новый тип синхронной памяти DDR SDRAM (Double Data Rate) с удвоенной пропускной способностью за счет передачи данных по обоим фронтам тактового сигнала способен функционировать на частотах до 133 МГц (2 Гбайт/с). Еще более высокую скорость передачи данных способна обеспечить память типа Direct Rambus DRAM (1,6; 3,2; 4,8 и 6,4 Гбайт/с).

в начало

в начало

Надежность и PC100

Увеличение скорости функционирования и объемов памяти требуют принятия адекватных мер по обеспечению надежной, абсолютно стабильной работы без сбоев. Для памяти, предназначенной для работы на частоте процессорной шины 100 МГц, фирмой Intel разработана спецификация PC100 (название очень похоже на PC’97, PC’98, PC’99, но это абсолютно разные вещи), выполнение которой производителями памяти гарантирует полную совместимость со 100-мегагерцевыми системными платами. В случае использования больших объемов памяти для повышения надежности применяется контроль четности и коррекция ошибок — ECC (Error Checking and Correction).

PC100. Быстродействие синхронной памяти характеризуется максимальной частотой тактового сигнала. Для систем с шиной 66 МГц используется память, рассчитанная на максимальную частоту 83 или 100 МГц (обычно в обозначениях памяти используется значение не частоты, а периода — это 12 или 10 нс). С началом использования шины 100 МГц (а такая возможность впервые появилась в системных платах на чипсете Intel 440BX), обнаружилось, что не все модули памяти, номинально рассчитанные на частоту 100 МГц (то есть с микросхемами памяти 10 нс) оказались работоспособными на этой частоте в этих платах. Связано это с тем, что столь высокие тактовые частоты предъявляют особые требования как к качеству использованных компонентов, так и к качеству исполнения, под которым понимается строгое соблюдение мер, препятствующих «размыванию» фронтов импульсов.

Эти требования суммированы фирмой Intel в спецификации PC100. В ней детально регламентированы как критичные временные параметры микросхем памяти, так и конструктивные особенности самих модулей DIMM. Фирма Intel организовала тестирование микросхем памяти на предмет соответствия временных параметров спецификации PC100. В списке совместимых в настоящее время присутствует продукция всех ведущих мировых производителей микросхем памяти.

Конструктивные требования включают в себя: строгое соблюдение предложенной Intel топологии (разводки) печатной платы; использование 6-слойных плат; применение терминирующих резисторов; применение только позолоченных контактов; обязательное присутствие запоминающего устройства EEPROM SPD (Serial Presence Detect) и наличие в нем определенной информации. Модули памяти, соответствующие PC100, должны иметь маркировку типа PC100-abc-def, где a, b, c, d — временные параметры, e и f — версия SPD.

Надо отметить, что проблема совместимости модулей 100 МГц с платами 100 МГц была решена достаточно быстро, и подавляющее большинство выпускаемых сейчас модулей предназначено для работы на шине 100 МГц. По цене они практически не отличаются от обычных, предназначенных для шины 66 МГц, которые уже снимаются с производства. Далеко не все из имеющихся в продаже модулей 100 МГц соответствующим образом сертифицированы. Об этом свидетельствуют, в частности, отступления от правил маркировки. Практика, впрочем, показывает, что все модули, предлагаемые как PC100 или аналогичные PC100, на самом деле нормально работают на частоте 100 МГц. Нужно только учитывать, что не только модули, но и сами системные платы бывают разного качества. Некоторые модели системных плат весьма чувствительны к типу модулей памяти и работают только с самыми качественными изделиями, для других же подходит очень широкий круг модулей. То есть чем качественнее модуль, тем менее он чувствителен к качеству платы, и наоборот, чем качественнее плата, тем менее она чувствительна к качеству модулей.

Модули 100 МГц собираются на микросхемах памяти 10 или 8 нс (100 или 125 МГц). Более быстродействующие не используются, а встречающиеся в маркировке некоторых микросхем цифры 7 или 6 могут означать не период тактового сигнала, а другой параметр. Никакого различия между модулями с точки зрения нормального использования нет, хотя для экспериментов по «разгону» до более высоких частот модули 8 нс предпочтительнее.

ECC. С ростом объема памяти пропорционально возрастает и вероятность сбоя, вызванного внешними неконтролируемыми причинами, например космическими лучами или другими источниками излучений. Так, по данным фирмы IBM, при объеме памяти 256 Мбайт подобные сбои могут встречаться в среднем раз в месяц. Для их предотвращения используется коррекция ошибок ECC. Она основана на некоторой избыточности, закладываемой в модуль памяти. В него вводится дополнительный контрольный разряд на каждые 8 бит информационных данных (72-разрядный модуль DIMM). Восемь дополнительных бит на 64-разрядное слово позволяют обнаружить все одиночные и двойные ошибки и исправить все одиночные. В современных системах функция обнаружения и исправления ошибок возлагается чаще всего на входящий в состав чипсета контроллер памяти. Коррекция ошибок весьма актуальна для сложных систем с большим объемом памяти и по спецификации PC’99 является обязательной для рабочих станций. Очевидно, что для серверов ECC она тем более является обязательной. В некоторых случаях рекомендуется застраховаться не только от одиночных сбоев, но и от кратных, вероятность которых совсем не исчезающе мала, так как современные микросхемы памяти имеют не одно-, а многоразрядную организацию. Для этих целей в некоторых системах используются, например, 80-разрядные модули DIMM.

в начало

в начало

Direct Rambus DRAM

Из возможных кандидатов на роль памяти для будущих систем фирма Intel выбрала память типа DRDRAM (Direct Rambus DRAM) и получила поддержку от всех ведущих мировых производителей памяти, которые, лицензировав соответствующую технологию у фирмы Rambus, способны быстро наладить производство в нужных объемах, особенно с учетом предложенных Intel масштабных инвестиций. Первым чипсетом, поддерживающим память Direct Rambus DRAM, будет 440JX фирмы Intel для процессора Pentium III. Выход этого чипсета и системных плат на его основе ожидается во второй половине года.

Память типа DRDRAM является по сути разновидностью синхронной памяти, но снабжена специальным интерфейсом. Каждая микросхема DRDRAM имеет внутреннюю многобанковую структуру с чередованием (16 банков), что и обеспечивает высокую пропускную способность. Для связи памяти с контроллером памяти используется специальная быстродействующая шина Rambus Channel. Тактовая частота составляет 400 МГц, но обмен осуществляется по обоим фронтам импульсов, то есть с частотой 800 МГц. Данные шириной 16 бит поступают с интервалом 1,25 нс, так что пропускная способность составляет 1,6 Гбайт/с. Может использоваться несколько (до 4) каналов; пропускная способность при этом возрастает до 3,2; 4,8 или 6,4 Гбайт/с.

К шине Rambus Channel может быть непосредственно подключено до 32 микросхем DRDRAМ. Никаких буферов или согласующих элементов не требуется. Выпускаемые в настоящее время DRDRAM имеют емкость 64 Мбит (8 Мбайт), поэтому максимальная емкость одного канала ограничена пока величиной 256 Мбайт. С освоением производства более емких микросхем DRDRAM она будет, естественно, увеличиваться.

Микросхемы DRDRAM устанавливаются на модули типа RIMM. По размеру они аналогичны обычным 168-контактным модулям DIMM, но имеют 184 контакта. На каждой стороне модуля может быть до 8 микросхем, соответственно, емкость модулей — от 8 до 128 Мбайт.

Высокоскоростная шина соединяет только контроллер памяти и DRDRAM. Сам же контроллер соединяется с шиной процессора обычным образом. Контроллер согласует частоту и разрядность процессорной шины и DRDRAM, формируя 64-разрядное слово из 16-разрядных (при 1 канале) и передавая его в процессор с частотой процессорной шины.

Хотя память типа DRDRAM и обеспечивает впечатляющий рост пропускной способности (рис. 3), остается другой лимитирующий фактор — пропускная способность процессорной шины, которая при частоте 100 МГц составляет 800 Мбайт/с. Кроме того, по времени доступа (lattency) она не лучше обычной синхронной памяти, так что рост производительности для обычных приложений скорее всего будет незначительным. Преимущества DRDRAM могут проявиться только в случае увеличения частоты процессорной шины (причем для частоты 133 МГц синхронная память либо в стандартном, либо в одном из новых вариантов также сохраняет хорошие перспективы). Есть определенные трудности и с большими объемами памяти, с контролем четности и коррекцией ошибок, а также с производством. На первом этапе, возможно, будет использоваться память на 600, а не на 800 МГц. Тем не менее Intel считает DRDRAM весьма перспективной памятью, о чем свидетельствует рис. 4.

Материал предоставлен журналом Upgrade

КомпьютерПресс 6'1999