Памяти и денег много не бывает

Как и что выбирать среди современных типов памяти

Виктор Арковенко

4 Гбайт для домашнего ПК 2005 года…

Пропускная способность и процессорная шина

Память SDRAM

Память RDRAM

DDR SDRAM

Тип памяти и производительность

Память для графических адаптеров

    Память – домой: сколько брать и чего именно?

Быстрый рост требований к объему оперативной памяти со стороны новых операционных систем, современных программных приложений и игр заставляет специалистов то и дело пересматривать свои рекомендации минимального размера ОЗУ для компьютеров среднего класса производительности. Еще лет пять назад компьютеры под управлением только что появившейся Windows 95 вполне сносно работали с 8 Мбайт памяти и процессором с тактовой частотой 75-100 МГц. Сейчас же в большинстве случаев для новых ПК следует рекомендовать объем ОЗУ выше 64 Мбайт, а лучше с небольшим запасом — 128 Мбайт. В частности, Windows 2000 раскрывает свой потенциал только при наличии сопоставимого («с запасом») объема памяти, да и многие игры уже рассчитаны на 128 Мбайт ОЗУ. Для серверов уровня предприятия объемы установленной памяти нередко достигают 1-4 Гбайт и даже выше. При сохранении нынешних темпов роста требований к аппаратным ресурсам ПК (а никаких оснований предполагать, что они могут снизиться, сегодня нет) средний персональный компьютер через 5-6 лет будет иметь 4 Гбайт оперативной памяти. Эта величина является естественным эффективным пределом для 32-разрядных процессоров, однако к тому времени значительную часть процессорного парка будут составлять 64-разрядные ЦП. В данной статье мы кратко рассмотрим критерии выбора оперативной памяти, ее типы и параметры производительности. А уже на этой основе можно будет сформулировать некие общие рекомендации по оснащению ПК памятью «впору» или «на вырост».

Процессорная шина (FSB) современных процессоров с системой команд x86 имеет ширину 64 разряда и работает на частотах 66,6 МГц (Celeron), 100 МГц (Pentium II, Pentium III, K6-2, K6-III), 133,3 МГц (Pentium III) и 200 МГц (Athlon), так что пропускная способность шины составляет соответственно 533, 800, 1066 и 1600 Мбайт/с. Оперативная память для получения максимальной производительности должна иметь не меньшую полосу пропускания, особенно с учетом дополнительных потребностей графического порта AGP (пропускающего в режиме 2x до 533 Мбайт/с и в режиме 4x — до 1066 Мбайт/с) и шины PCI (133 Мбайт/с).

Синхронная динамическая память SDRAM, работающая на частоте процессорной шины 66, 100 или 133 МГц (указываются обычно целые значения, дробная часть отбрасывается), то есть память PC66, PC100, PC133, обеспечивает минимальные требования к пропускной способности на уровне пропускной способности процессорной шины. При этом для режима AGP 4x пропускной способности 100-мегагерцевой шины и памяти PC100 уже не хватает: нужны как минимум 133-мегагерцевая шина и память PC133. Для увеличения пропускной способности подсистемы памяти до уровня потребностей современных и будущих процессоров и периферии в настоящее время предлагаются два подхода. Один из них основан на принципиально новой архитектуре памяти RDRAM (Rаmbus DRAM), а другой — на усовершенствованном варианте синхронной памяти DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM).

При увеличении частоты процессорной шины с 66 до 100 МГц особых проблем с подсистемой памяти компьютеров не возникло. Вместо памяти SDRAM, работающей на частоте 66 МГц, стала использоваться более быстрая SDRAM, способная работать на частоте 100 МГц. Эта память получила название PC100 в соответствии со спецификацией фирмы Intel, подробно регламентировавшей требования к микросхемам памяти и конструкции модулей DIMM для обеспечения совместимости с системными платами на основе чипсета Intel 440BX. Следующий шаг в увеличении частоты процессорной шины до 133 МГц привел к появлению двух радикально различающихся точек зрения на построение подсистемы памяти для компьютеров на таких процессорах. Традиционное решение — ограничиться пропускной способностью на уровне процессорной шины и использовать обычную синхронную память PC133 — было отвергнуто фирмой Intel, которая сделала ставку на память RDRAM с большей пропускной способностью и отказалась развивать линию SDRAM выше PC100. В то же время и производители памяти, и другие (помимо Intel) производители чипсетов не отказались от SDRAM, в результате чего появились соответствующие модули памяти и системные платы (сначала на базе чипсетов фирмы VIA). Свое принципиальное неприятие памяти PC133 фирма Intel продемонстрировала на чипсете i810, который хотя и поддерживает процессоры с шиной 133 МГц, но обеспечивает работу памяти SDRAM только на частоте 100 МГц, что выглядит довольно странным. В дальнейшем точки зрения сторон существенно сблизились. Не отказываясь от RDRAM, фирма Intel начала поддерживать решения на базе и SDRAM, и DDR SDRAM.

Увеличение пропускной способности памяти — главный, но не единственный способ повышения ее производительности. Второй способ — уменьшение задержек (lattency) при обращении к памяти. Фирма NEC усовершенствовала память SDRAM именно в этом направлении. В памяти VCM SDRAM (Virtual Channel Memory) уменьшение времени задержек достигается за счет организации одного или нескольких виртуальных каналов доступа к памяти для каждого из обратившихся устройств (процессор, графический адаптер, шина PCI и другие). Эффективность работы при перекрывающихся запросах существенно увеличивается, особенно с учетом того, что память в каждом канале может кэшироваться независимо. Увеличение производительности в некоторых случаях может достигать 10-30%. Память VCM может производиться на том же оборудовании, что и обычная SDRAM, и по ценам отличается от нее незначительно. При этом модули памяти VCM совместимы с обычными DIMM. Поддержка VCM SDRAM включена во все новые чипсеты фирм VIA, ALi и SiS. В принципе, технология виртуальных каналов легко может быть расширена и на другие типы памяти — DDR SDRAM и даже RDRAM. Однако пока перспективы памяти VCM не очень ясны. Производится она только фирмой NEC.

В 1996 году фирма Intel в качестве памяти для будущих поколений компьютеров (то есть для нынешних) выбрала память типа RDRAM (точнее, ее разновидность — Direct RDRAM), предложенную фирмой Rambus. Она построена на базе специального интерфейса Rambus Interface, которым снабжается как контроллер памяти, так и каждая микросхема. Контроллер и микросхемы памяти (их может быть до 32 штук) присоединяются непосредственно к специальной 33-проводной шине и образуют канал Direct Rambus Channel. Таких каналов, работающих параллельно, может быть несколько. Данные, адреса и управляющие сигналы передаются по единой 16-разрядной шине. Уменьшение ширины слова данных до 16 разрядов с избытком компенсируется более высокой тактовой частотой передачи. Для узкой шины она может быть резко увеличена без риска потери целостности сигналов из-за электромагнитной интерференции. Тактовая частота — 400 МГц, но так как данные передаются по обоим фронтам, реальная частота передачи составляет 800 МГц, а пропускная способность канала достигает 1,6 Гбайт/с. Сама же память работает на частоте 100 МГц, но за счет многобанковой структуры имеет такую же пропускную способность — 1,6 Гбайт/с. При использовании четырех каналов (общая ширина шины данных — 64 разряда) пропускная способность достигает 6,4 Гбайт/с. Таким образом, преимущества памяти RDRAM достигаются за счет специального интерфейса, высоких скоростей передачи и многобанковой структуры, обеспечивающей эффективную обработку перекрывающихся запросов. Контроллер памяти RDRAM транслирует запросы к памяти (адрес, управляющие сигналы) в соответствующие сигналы и передает их в Direct Rambus Channel и, наоборот, сигналы, получаемые по каналу, преобразует в обычный формат (ширина шины данных — 64 бит, частота до 200 МГц).

Для использования в качестве оперативной памяти в компьютерах память RDRAM выполняется в виде модулей типа RIMM, несколько напоминающих обычные модули DIMM. Они имеют размер 133,25 x 34,93 мм при толщине печатной платы 1,27 мм, количество контактов — 184, все контакты позолоченные. На модуле присутствует запоминающее устройство EEPROM для реализации функции идентификации параметров модуля системой SPD (Serial Presence Detect). Напряжение питания составляет 2,5 В (у SDRAM — 3,3 В).

Память типа RDRAM имеет более высокую пропускную способность, чем синхронная память SDRAM, однако начальные задержки при обращении к RDRAM существенно выше, чем при обращении к SDRAM (это связано с необходимостью преобразования форматов при обращении к RDRAM), так что выигрыш в производительности в обычных условиях не очень большой. К сожалению, большие задержки — это не единственный и не главный недостаток памяти RDRAM. Главный недостаток — высокая цена. Первоначально предполагалось, что превышение цены над обычной SDRAM будет находиться в пределах 5-15%. Однако все оказалось намного серьезнее. Архитектура RDRAM значительно проигрывает обычной SDRAM по размеру кристалла. Кроме того, она намного сложнее и более требовательна к оборудованию. Предпочтительный технологический процесс — 0,18 мкм или ниже. Потребовалось абсолютно новое тестирующее оборудование. Выход годных кристаллов, по всей вероятности, не столь велик, как у обычной памяти (об этом свидетельствует то, что теперь начали предлагаться и менее скоростные варианты RDRAM — на 600 и 700 МГц). В результате цены на память RDRAM оказались очень высокими, в несколько раз выше, чем на SDRAM. Цены могли бы снизиться при развертывании действительно массового производства, однако ситуация на рынке этому не очень способствует. С одной стороны, у фирмы Intel, по данным информационных агентств, было много проблем с выпуском чипсета i820, поддерживающего RDRAM. Конфигурация с тремя модулями RIMM оказалась неустойчивой, поэтому было рекомендовано использовать только два модуля (это не более 512 Мбайт памяти при существующей пока максимальной емкости модуля 256 Мбайт), что для систем высокого класса, сравнительно терпимых к высокому уровню цен, совершенно недостаточно. С другой стороны (и это тоже важный фактор), практически готовы альтернативные решения на основе синхронной памяти DDR SDRAM, гораздо более дешевые и не менее производительные. В связи с этим перспективы RDRAM уже не выглядят столь впечатляющими, как раньше. По многим прогнозам, доля RDRAM на рынке в ближайшие год-два не превысит 10%, а потом начнет уменьшаться. Есть и более оптимистичные прогнозы, предсказывающие для RDRAM до половины рынка памяти. Во всяком случае, фирма Intel своих позиций по отношению к RDRAM существенно не меняла и считает эту память по-прежнему приоритетной.

Архитектура памяти DDR SDRAM не является столь революционной, как RDRAM, что и обеспечивает ее основные преимущества. DDR SDRAM — это синхронная память с двойной скоростью передачи данных (по обоим фронтам тактового сигнала). Так, при тактовой частоте 133 МГц она передает данные в два раза быстрее, чем обычная SDRAM PC133, поэтому и называется PC266. Отличия ее от SDRAM во внутренней архитектуре очень незначительны, поэтому при производстве и тестировании используются тот же технологический процесс и то же оборудование. Вследствие этого DDR DRAM лишь немного дороже, чем SDRAM (и намного дешевле, чем RDRAM). Более того, изменения в дизайне системных плат для DDR SDRAM не слишком существенны, что тоже благоприятно влияет на общую стоимость компьютеров.

Память PC266, уже освоенная в производстве всеми ведущими производителями, обладает пиковой пропускной способностью 2,1 Гбайт/c, что больше, чем у одноканальной RDRAM. При этом задержки остались на уровне SDRAM, то есть меньше, чем у RDRAM. Поэтому по производительности системы на базе DDR SDRAM вряд ли уступят своим конкурентам на базе RDRAM. Память DDR SDRAM будет претендовать на значительную часть рынка уже начиная со второй половины текущего года, когда развернется ее массовое производство и появятся чипсеты с поддержкой DDR SDRAM. Они будут выпущены всеми фирмами-производителями, включая Intel.

Модуль памяти DDR SDRAM несколько отличается от обычного модуля DIMM — число контактов увеличено со 168 до 184, а напряжение питания уменьшено до 2,5 В. Поэтому прямого перехода от SDRAM к DDR DRAM не будет. Поскольку чипсеты, поддерживающие DDR SDRAM, могут работать и с обычной SDRAM, будет выпускаться несколько разновидностей системных плат, как под память только одного из типов, так и (на каком-то этапе) комбинированные, под оба типа памяти.

Сравнение производительности систем с памятью типа SDRAM PC133, SDRAM PC100 и RDRAM PC800 представлено на рис. 1. Следует отметить, что прямое сравнение, когда влияние всех других факторов, кроме памяти, исключено, практически невозможно, так как различаются частоты шины процессоров (133 или 100 МГц) и чипсеты (чипсетов, поддерживающих все типы памяти, не существует), а производительность зависит как от частоты процессорной шины, так и от эффективности работы чипсета с памятью. Более того, такое прямое сравнение не имеет особого смысла: гораздо полезнее оценить производительность реальных систем. Из рис. 1 видно, что при использовании обычных приложений особых различий в уровне производительности нет. Можно отметить только уверенное преимущество RDRAM и примерно одинаковый уровень PC133 и PC100. Последнее связано просто с тем, что чипсет Intel 440BX (он использовался для тестирования PC100) более эффективно работает с памятью, чем чипсет VIA Apollo Pro 133A (он использовался для тестирования PC133).

Результаты сравнения памяти RDRAM и DDR SDRAM представлены на рис. 2. Тестировались две системы с памятью RDRAM PC800 (на чипсете i820 с пропускной способностью памяти 1,6 Гбайт/с и на чипсете i840 с двумя каналами памяти с общей пропускной способностью 3,2 Гбайт/с) и система с памятью DDR SDRAM PC266 с пропускной способностью 2,1 Гбайт/с (на чипсете Samurai DDR фирмы Micron). Несмотря на предварительный характер результатов (использовалась предварительная версия чипсета Samurai), можно с уверенностью заключить, что DDR SDRAM не уступает RDRAM по производительности. Поэтому перспективность этой памяти, особенно с учетом невысокой стоимости, вполне очевидна.

Память DDR SDRAM должна со временем вытеснить SDRAM и занять свое место в компьютерах любого уровня. Она обладает неплохими перспективами роста производительности вплоть до PC400 (3,2 Гбайт/с). Еще большую производительность способна обеспечить память следующего поколения — DDRII. Однако вопрос о типе памяти для будущих систем пока остается открытым. Фирма Intel организовала специальный альянс Advanced DRAM Technology по разработке нового типа памяти, который начнет применяться в 2003 году. В этот альянс вошли Intel и крупнейшие фирмы — производители памяти — Hyundai, Infineon, Micron, NEC и Samsung.

Память типа Rambus разрабатывалась применительно к графическим приложениям и использовалась в некоторых графических адаптерах. Сейчас она продолжает использоваться в игровых приставках Sony PlayStation 2, а в графических адаптерах практически повсеместно используется обычная синхронная память SDRAM или ее графическая модификация SGRAM. В графических адаптерах ширина слова данных не ограничена шириной шины процессора в 64 разряда, как в случае системной памяти. Поэтому на протяжении достаточно долгого времени рост пропускной способности достигался за счет увеличения ширины слова данныx — 32, 64, 128, а в некоторых случаях уже и 256 разрядов. Одновременно использовалась все более быстродействующая SDRAM, вплоть до тактовых частот 180-200 МГц. Это уже практически предел возможностей обычной синхронной памяти, поэтому интерес производителей графических адаптеров к памяти с удвоенной пропускной способностью DDR SDRAM вполне закономерен.

128-разрядная SDRAM с тактовой частотой 183 МГц обладает пиковой пропускной способностью 2,9 Гбайт/с. С точки зрения 3D-графики это не так уж много. Так, по данным фирмы Nvidia, этого достаточно для нормального воспроизведения (60 кадров в секунду) лишь не очень сложных сцен при не самых больших разрешениях. В современных играх используются все более сложные сцены, для воспроизведения которых с разрешением 1024 x 768 и выше при 32-битной глубине цвета такой пропускной способности памяти уже не хватает. Переход к памяти DDR SDRAM позволяет на современном этапе полностью решить проблему с достижением требуемой пропускной способности (даже с учетом того, что DDR SDRAM обладает относительно большими задержками, чем SDRAM: число циклов задержки не меняется, но, поскольку передача идет по обоим фронтам и занимает меньшее количество циклов, влияние задержек усиливается). Использование даже 266 МГц памяти DDR SDRAM позволяет очень заметно поднять пропускную способность и соответственно производительность: до такого уровня, что становится возможным воспроизведение вплоть до разрешения 1600 x 1200.

Статья подготовлена по материалам аналитического обзора журнала Upgrde (http://www.upgrade.ru/)

КомпьютерПресс 7'2000