מדוע כדאי לעבור לזיכרונות DDR4

Haim Cohen, Freescale

כאשר איגוד טכנולוגיות מצב מוצק JEDEC הכריז על הפרסום הראשוני של התקן שלו לזיכרונות SDRAM מסוג DDR4, שכה רבים ציפו לו, מסמך JESD79-4 מקיף ביותר תיאר את התקני הזיכרון DDR4 SDRAM בפירוט רב ומדויק. עם זאת, JESD79-4 לא יועד להיות ספר הדרכה לתכנון מערכת או לספק הסברים בנוגע לאופן שבו יש להגר תכנוני מערכות מסוימות לשימוש בהתקני SDRAM מסוג DDR4, ותשובה לשאלה אם בכלל צריך לעשות זאת, ועל כן לא נותר לקוראים אלא לדמיין את היתרונות שאפשר שיצמחו מהטכנולוגיה הזו ברמת המערכת. כתוצאה מכך קיים פער בידע בין ההצגה של הפרטים הטכניים שבמסמך JESD79-4 לבין הבנת הכוחות המניעים שביסוד התקן והבסיס ההגיוני שהובילו לתקן. בניסיון לגשר על פער ידע זה, ננסה להסביר כמה מבין המטרות של התקן DDR4 SDRAM, ולהציב אותם במסגרת ההקשר של המגמות ברמת המערכת. כאשר מהנדסים ומנהלי תוכניות יבינו את הכוחות המניעים שביסוד מפרט התקני DDR4 SDRAM, הם יוכלו להחליט טוב יותר האם להעביר את התכנונים הנוכחיים או העתידיים שלהם לתמיכה בהתקני DDR4 SDRAM.
התקן DDR4 SDRAM הוא התקן מתקדם בעל שיפורים על פני התקני דור DDR3 של זיכרונות SDRAM מבחינת הקיבולת, יכולת השידרוג בביצועים, נצילות ההספק, וכן גם בתחומי האמינות, הזמינות ויכולת השירות (RAS) ברמת המערכת. בה בעת, זיכרונות DDR4 חייבים להפחית למינימום את השינויים שמעקבים מעבר לשימוש ברכיבי התקן התעשייתי החדש ואימוץ שלהם בתכנונים.
נחקור את ההבדלים שבין התקני DDR3 לבין התקני DDR4, כיצד מרחיבים התקני DDR4 את הקיבולת ויכולת השידרוג ברמת המערכת ואת החידושים השונים המשולבים בהתקני DDR4 אשר משפרים את נצילות ההספק. לאחר מכן נבחן את הטכניקות השונות שתוכננו בתוך התקני DDR4 SDRAM אשר משפרים את יכולות RAS ברמת המערכת. לבסוף, נענה על האתגרים של העברת מערכות עם זיכרון DDR3 לשימוש בזיכרון DDR4 SDRAM.

קיבולת משופרת ויכולת שידרוג הביצועים
הבדל עדין אחד שעם זאת הוא גם בעל חשיבות אשר מבדיל ביניהם הוא שזיכרון DDR4 מאורגן באופן שונה מזה שבו מאורגן זיכרון DDR3 – במיוחד בתחום האופן שבו זיכרון DDR4 מתוכנן לתמוך במעבדים מהירים מרובי ליבות. למשל התקן DDR4 SDRAM ב-8 ג’יגה סיביות עם ממשק אפיק נתונים ברוחב 4 סיביות (x4), מאורגן באופן פנימי כהתקן בעל ארבע קבוצות בנקים וארבעה בנקים בכל קבוצת בנקים. בתוך כל בנק בהתקן DDR4 SDRAM ב- 8 ג’יגה סיביות עם ממשק x4 יש 131,072 (217) שורות, עם 512 ביית של תאי DRAM בכל שורה. בהשוואה להתקן DDR3 SDRAM
ב-8 ג’יגה סיביות עם ממשק x4, שיש לו ארבעה בנקים עצמאיים, 65,536 (216) שורות בכל בנק ו-2048 ביית בכל שורה, יש להתקן DDR4 SDRAM ב-8 ג’יגה סיביות עם x4 יותר בנקים. מעבר לכך, להתקן DDR4 SDRAM ב-8 ג’יגה סיביות עם x4 יש גודל שורות קטן יותר באופן משמעותי מאשר להתקן DDR3 SDRAM ב-8 ג’יגה סיביות עם x4 והמשמעות היא שכל התקן DDR4 SDRAM ב-8 ג’יגה סיביות עם x4 יכול לבצע מחזור דרך בנקים שונים בקצב גבוה בהרבה מאשר יכול התקן DDR3 SDRAM ב-8 ג’יגה סיביות עם x4.
השוואת זיכרון DDR3 LRDIMM לזיכרון DDR4 RDIMM מראה שאפשר ליצור את מודול DDR3 SDRAM הגדול ביותר במארזים של ארבעה שבבים (QDP) של התקני DRAM ב-8 ג’יגה סיביות עם x4, ולהגיע לקיבולת תיאורטית מרבית של 128 ג’יגה ביית עבור מודול זיכרון יחיד (עיין באיור 1). איור 1 מראה גם שאפשר ליצור זיכרון DDR4 RDIMM עם יחידות של שמונה מחסניות DRAM ולתמוך בקיבולת תיאורטית מרבית של 512 ג’יגה ביית לכל מודול. בנוסף, תרשים זה מראה שמספר הפינים במודול זיכרון DDR4 הוגדל ל- 284 פינים על מנת לתמוך ביכולת מיעון גבוהה יותר וביחס של 1:1 של אות להארקה עבור אותות ממשק אפיק הנתונים (DQ). באופן כללי, האיור מדגיש כמה שיניים ברכיבים וברמת המודול אשר מאפשרים למודול זיכרון DDR4 לתמוך בו זמנית בקיבולת גבוהה יותר ובביצועים גבוהים יותר מאשר מודול הזיכרון DDR3.

נצילות הספק משופרת
תחום חשוב נוסף שבו נועד מפרט DDR4 SDRAM לאפשר שיפור לעומת מפרט DDR3 SDRAM הוא נצילות ההספק. מעבר להקטנה נוספת של מתח היציאות והכניסות של זיכרון (VDDQ)
מ-1.35 וולט המשמש ביחידות זיכרון DRAM מסוג DDR3L למתח של 1.2 וולט, מפרט התקני DDR4 SDRAM מגדיר גם תוספת של מתח אספקה VPP נפרד כדי לתמוך בדרישות של מתח קו מילת הליבה של זיכרון DRAM. העברת האותות בממשק החשמלי של כניסות ויציאות הנתונים שונתה מלוגיקת סיומת טורית (SSTL) לחיבור drain דמוי פתוח (pseudo open drain – POD). השוואה בין העברת האותות בחיבור SSTL של DDR3 לבין העברת האותות בחיבור POD של DDR4 מראה שמעגל הדחיפה במוצא דוחף את המצב החשמלי הגבוה ומעגל SSTL סובל מהעלות של זרם הדחיפה I2 וגם של זרם הסיומת I1 כתוצאה מהסיומת בחיבור מרכזי (CTT).
בניגוד לכך, בהעברת האותות בחיבור POD של זיכרון DDR4 אין עלות מעבר זרם במצב של דחיפת מצב חשמלי גבוה. ביחד, מתח VDDQ המוקטן, השימוש באספקת מתח VPP עבור מתח קו המילה המוגדל, השינוי להעברת אותות בחיבור POD ולסיומת VDDQ וגודל השורה הקטן יותר שנדון קודם אשר מקטין את זרמי ההפעלה מובילים להפחתה משמעותית בצריכת ההספק של זיכרון DDR4 בהשוואה לזיכרון DDR3 SDRAM. ניתוח ראשוני מרמז שבקצבי נתונים דומים יש להתקן DDR4 SDRAM יתרון של 30% בנצילות ההספק בהשוואה להתקן DDR3 SDRAM. אפשר להשתמש בשיפור זה כדי להפעיל את התקן DDR4 SDRAM במהירויות גבוהות יותר ובכך להשיג ביצועים טובים יותר או צריכת הספק נמוכה יותר ברמות ביצועים דומות.

אמינות, זמינות ויכולת שירות (RAS) משופרות
תחום נוסף שבו נועד מפרט DDR4 SDRAM לאפשר שיפור לעומת מפרט DDR3 SDRAM הוא תחום RAS. אחת הדוגמאות לכך שבה מאפשר מפרט DDR4 SDRAM לשפר את האמינות הזמינות ויכולת השירות הוא בכך שהתקני DDR4 תומכים בגילוי שגיאות זוגיות (parity) בפקודות ובכתובות וכן ביכולת התאוששות משגיאת זוגיות. דוגמה נוספת היא שהתקן זיכרון DDR4 תומך במצב בדיקת קישוריות, כך שבקר מערכת יכול לבדוק ולגלות תקלות קישוריות בלי שיהיה צורך לעבור את תהליך רצף האתחול של זיכרון DRAM. בנוסף, אוגר זיכרון DDR4 מספק גם יכולות RAS מורחבות לעומת אוגר DDR3 בכך שאפשר להגדיר אותות בקונפיגורציה כך שיתמוך בחסימת פקודה עם גילוי שגיאת זוגיות. כלומר, במקרה של גילוי שגיאת זוגיות בפקודה ובכתובת, אוגר DDR3 מעביר את הפקודה השגויה להתקני DRAM ובכך הופכת ההתאוששות משגיאה לקשה. בניגוד לכך, אוגר DDR4 מחוסם את הפקודה השגויה והתקן DDR4 SDRAM לעולם לא מקבל פקודות שגויות במקרים של שגיאות זוגיות כתובת, ובכך קטנה המורכבות של תהליך ההתאוששות משגיאות. בנוסף, מפרט התקני DDR4 SDRAM כולל כמה תכונות אופציונליות כמו למשל הגנת בדיקת יתירות מחזורית (CRC) עבור נתוני כתיבה על מנת לשפר עוד את יכולות RAS. קבוצת התכונות הנרחבת מבטיחה שהתקן DDR4 SDRAM משופר עוד בתחום התדירות כאשר קצבי השגיאות עלולים שלא להיות זניחים, ועל כן, מערכות זיכרון עתידיות יכולות להשתמש בתכונות RAS המורחבות של התקני DDR4 SDRAM על מנת לשפר את העמידות של מערכות הזיכרון. כך מתאפשר שימוש ביכולות של דיווח והתאוששות מסוגים רבים של שגיאות ולא רק גילוי שגיאות.
מפרט JESD79-4 להתקני DDR4 SDRAM הונחה על ידי כמה שיפורי התפתחות לעומת התקני DDR3 SDRAM. התקני DDR4 SDRAM ומודולי זיכרון DDR4 עדיין מסתמכים על אותן הדרישות של העברת אותות בקצה בודד (single ended) ושל תשתית המערכת כמו מערכות זיכרון DDR3 SDRAM. שינויים שונים נעשו בארגון של ההתקנים על מנת לאפשר טוב יותר הגירה אל מערכות בעלות ריבוי ליבות ואל יישומים בעלי ריבוי תהליכונים (thread). בעיקרו של דבר, החברות השונות החברות באיגוד JEDEC ניצלו את הניסיון שנצבר בשטח בתחום מערכות זיכרון DDR3 SDRAM, והרחיבו את הביצועים ואת יכולת השדרוג ושיפרו באופן משמעותי את יכולות RAS ברמת המערכת תוך השגת נצילות הספק משופרת.
עם שורות קטנות יותר ונצילות הספק טובה יותר שמובילים ליתרונות של ביצועים והספק, התקני זיכרון DDR4 אמורים להיות משולבים באופן נרחב במערכות שרתים ותחנות עבודה מרובי ליבות החל משנת 2014. לאחר מכן, זיכרונות DRAM של 8 ג’יגה סיביות יאומצו לשימוש נרחב ביותר, התקני DDR4 SDRAM אמורים בהמשך להפוך להיות סוג הזיכרון הנסחר השולט בשוק ולספק יתרונות של עלות לסיבית בנוסף ליתרונות הביצועים וההספק שנזכרו לעיל. אנשי תכנון המעונינים לשפר עד למקסימום את הביצועים, צריכת ההספק, יכולות RAS ואת המערכות שבהן יש חשיבות לעלות בשרתי הדור הבא, צריכים לשקול להשתמש בהתקני DDR4 SDRAM עבור סוג הזיכרון שבו ישתמשו.