از سیر تا پیاز ddr3

[*hit m@n*]

توجه*** این مقاله مربوط به 3 سال قبل می باشد به طوری که از اولین چیپ های اینتل با قابلیت پشتیبانی از DDR3 صحبت میکند اما اطلاعات آن بسیار عالی و کامل می باشد به طوری که هرکس آن را بخواند طرز کار حافظه ها را به طور کامل یاد میگیرد ***

مقدمه
در اين مقاله قصد داريم به بررسي توانايي‌هاي حافظه DDR3 پرداخته و از نقطه نظر فني عملکرد آن را در مقايسه با ديگر استانداردهاي حافظه بررسي کنيم٬ سپس از نقطه نظر کارايي٬ عملکرد آن را نسبت به حافظه DDR2 مورد بررسي قرار خواهيم داد.

چيپ‌سيت‌هاي اينتل و حافظه‌هاي جديد
اينتل به تازگي سري جديد چيپست‌هاي خود را با نام P35 و X38 براي کامپيوترهاي خانگي معرفي كرده است. اين چيپست‌ها از پردازنده‌هايي با FSB برابر با 1333 مگاهرتز و نسل آينده پردازنده‌هاي اينتل موسوم به "Penryn" پشتيباني مي‌کنند. يكي از تحولات و نو‌آوري‌هاي جديد بكار گرفته شده در اين سري از چيپ‌ست‌ها پشتيباني از حافظه‌هاي DDR3 است. بطور كلي P35 و X38 داراي کنترل حافظه‌ي سازگار با هر دو نوع حافظه DDR2 و DDR3 هستند. بنابراين مادربردهاي مبتني بر اين چيپست از نقطه نظر پشتيباني ماژول‌هاي حافظه در سه دسته جاي مي‌گيرند :

1ـ مادربردهايي که تنها داراي شيارهاي حافظه DDR3‌ هستند.
2ـ مادربردهايي که تنها شيارهاي حافظه DDR2 را دارند و
3ـ مادربردهايي که داراي هر دو نوع شيار حافظه ( DDR2 و DDR3 ) هستند.

با وجود اينکه پهناي باند حافظه‌هاي متداول DDR2 در پيکره‌بندي دو کاناله از پهناي باندگذرگاه FSB پردازنده‌هاي اينتل حتي در پردازنده‌هاي با فرکانس FSB‌ معادل 1333 مگاهرتز بيشتر است ( پردازنده‌هاي اينتل با FSB 1333 مگاهرتز داراي پهناي باندي معادل 10.66گيگابايت بر ثانيه‌ هستند در حاليكه حافظه‌هاي DDR2 800 در وضعيت دو كاناله پهناي باندي معادل 12.8 گيگابايت بر ثانيه دارند ) اما مهندسين اينتل معتقدند که پلتفورم‌هاي آينده آنها به پهناي باند حافظه بيشتري نياز دارند. بر اساس مشخصات رسمي اعلام شده٬ سريع‌ترين نوع حافظه DDR2 که با چيپست P35‌ سازگاري دارد DDR2-800 با پهناي باندي معادل 12.8گيگابايت بر ثانيه در پيکره‌بندي دو کاناله است٬ در حالي‌که حافظه‌هاي DDR3 امکان استفاده از فركانس 1066 مگاهرتز را براي کامپيوترهاي امروزي فراهم مي‌کنند که حداکثر پهناي باندي معادل
17.1 گيگابايت بر ثانيه را در پيکربندي دو کاناله به ارمغان خواهد آورد.



تحول تكنولوژي‌هاي حافظه از DDR به DDR2
بطور كلي براي رسيدن به كارايي بالاتر نياز است كه تكنولوژي‌هاي بكار گرفته شده در حافظه‌ها متحول شود. بعنوان مثال تحول تكنولوژي از حافظه‌هاي DDR به DDR2. اين تحول اصولاً چندين دليل دارد كه در ادامه به بررسي آنها خواهيم پرداخت. عمده‌ترين دليل تحول از يك استاندارد حافظه قديمي به يك استاندارد حافظه جديدتر ( بعنوان مثال از DDR به DDR2 ) محدوديت فركانس تراشه‌هاي حافظه تا سقف 200 مگاهرتز است. افزايش فركانس تراشه‌هاي حافظه موجب افزايش فركانس ماژول‌هاي حافظه شده و كارايي كلي سيستم حافظه را تحت تاثير قرار خواهد داد. اما از طرفي تراشه‌هاي حافظه براي افزايش فركانس نيازمند افزايش ولتاژ هستند. بعنوان مثال در حافظه‌هاي DDR 600 كه فركانس تراشه‌ها برابر با 300 مگاهرتز است ولتاژ حافظه بايد از 2.5ولت به حدود 2.85ولت تغيير پيدا كند تا توان مورد نياز براي چيپ‌هاي حافظه كه فركانس آنها از محدوده 200 مگاهرتز فراتر رفته تامين شود. اين افزايش ولتاژ موجب افزايش مصرف توان و مشكل انتشار حرارت مي‌شود. با اين توضيحات مي‌توان نتيجه گرفت كه يك تكنولوژي حافظه مانند DDR به خودي خود جهت افزايش كارايي و ارائه پهناي باند بيشتر داراي محدوديت‌هاي هست كه تنها راه‌حل غلبه بر اين مشكل متحول كردن تكنولوژي‌هاي بكار گرفته شده در آن‌ها است.
در اولين پيشرفت تكاملي در تكنولوژي حافظه‌هاي DDR كه پلتفورم حافظه‌هاي كامپيوترها را از DDR به DDR2 تغيير داد، افزايش پهناي باند حافظه، كاهش زمان‌هاي تاخير، كاهش مصرف توان و افزايش حجم ماژول‌هاي حافظه صورت گرفت. اولين نسخه از حافظه‌ DDR در فركانس 100 مگاهرتز ( DDR 200 ) عمل مي‌كرد كه پهناي باندي برابر با 800 مگابايت بر ثانيه را موجب مي‌شد. در طي دو سال حضور اين تكنولوژي فركانس بتدريج به 200 مگاهرتز ( DDR 400 ) افزايش و زمان‌هاي تاخير كاهش پيدا كردند. نخستين زمان‌بندي حافظه‌هاي DDR بصورت 8-3-3-3 بود كه در انتها به 5-2-2-2 بهبود پيدا كرد. البته ماژول‌هاي حافظه DDR با فركانس‌هاي بالاتر نيز توليد شدند كه هيچ‌گاه بصورت رسمي توسط استاندارد JEDEC پذيرفته نشدند ( حداكثر 300 مگاهرتز كه DDR 600 است و پهناي باندي برابر با 4800 مگابايت بر ثانيه را فراهم مي‌كند ). بنابراين زماني‌كه افزايش فركانس حافظه‌هاي DDR براي رسيدن به پهناي باند بيشتر غير ممكن شد نسل دوم حافظه‌هاي‌ DDR موسوم به حافظه‌هاي DDR2 عرضه شدند. اين حافظه‌ها بتدريج برتري‌هاي خود را به اثبات رساندند و سپس جايگزين حافظه‌هاي DDR شدند. اولين نسخه از حافظه‌هاي DDR2 داراي فركانس 200 مگاهرتز ( DDR2 – 400 ) و 266 مگاهرتز ( DDR2 – 533 ) بود. بعبارتي مي‌توان گفت DDR2 از نقطه‌ي شروع كرد كه DDR در آن نقطه به پايان راه خود رسيد. استاندارد DDR2 در ادامه راه خود ماژول‌هاي حافظه با فركانس‌هاي بالاتر يعني DDR2 667 و DDR2 800 را معرفي كرد. JEDEC قصد دارد در آينده‌ي نزديك حافظه‌هاي DDR2 1066 را نيز بعنوان استاندارد حافظه‌هاي DDR2 تصويب كند.
تراشه‌هاي DRAM حافظه‌هاي DDR2 داراي طراحي و تکنولوژي ساخت مدرني بودند كه اين امر اجازه ‌داد تا ولتاژ اين حافظه‌ها به 1.8 ولت در مقايسه با 2.5 ولت حافظه‌هاي DDR کاهش يابد. اين کاهش ولتاژ موجب صرفه‌جويي در مصرف توان و كاهش حرارت توليدي در آنها ‌شده است. علاوه بر اين، تكنولوژي ساخت جديد موجب شده‌ تا توانايي مجتمع سازي سلول‌هاي حافظه در داخل يک تراشه DRAM افزايش يابد و بنابراين شاهد عرضه تراشه‌هايي با ظرفيت بالاتر تا سقف 1Gbit و ماژول‌هاي حافظه 2 گيگابايتي مبتني بر تكنولوژي DDR2‌ باشيم.
حافظه‌هاي DDR2 چگونه توانستند براي افزايش پهناي باند به فركانس‌هاي بالاتر برسند؟ چگونه در اين حافظه‌ها همزمان با افزايش پهناي باند مصرف توان كاهش يافت؟ ما به اين سوالات در ادامه پاسخ خواهيم داد اما قبل از آن اجازه دهيد به نحوه انتقال اطلاعات در يك حافظه DDR نگاه كنيم.
در تكنولوژي SDRAM ( نسل قبل از DDR ) در هر سيكل كاري يك‌ مرتبه عمل انتقال اطلاعات انجام مي‌گرفت. اما در تكنولوژي DDR در هر سيكل دو مرتبه عمل انتقال اطلاعات انجام مي‌گيرد:

1ـ لبه‌ بالارونده
2ـ لبه پايين‌رونده ( به شكل 1 توجه كنيد ).

براي همين منظور فركانس موثر حافظه‌هاي مبتني بر تكنولوژي DDR هميشه دو برابر فركانس واقعي است. بعنوان مثال يك حافظه DDR 400 داراي فركانس حقيقي 200 مگاهرتز و فركانس موثر 400 مگاهرتز است.

شكل 1: نحوه انتقال اطلاعات در تكنولوژي DDR

در حافظه‌هاي مبتني بر تكنولوژي DDR تراشه‌هاي حافظه، اطلاعات را از طريق يك گذرگاه ( در شكل 2 با نام Data Bus مشخص شده ) در لبه‌هاي بالارونده و پايين‌رونده هر سيكل به كنترلر حافظه ( مجتمع شده در چيپ‌ست مادربرد و يا پردازنده ) منتقل مي‌كنند. همانطور كه در بالا توضيح داديم گذرگاه حافظه‌هاي DDR داراي يك فركانس موثر و يك فركانس حقيقي است. بعنوان مثال فركانس موثر گذرگاه DDR 400 برابر با 400 مگاهرتز و فركانس واقعي آن ( فركانس I/O Buffer ) برابر با 200 مگاهرتز است. بنابراين در يك حافظه DDR 400 از آنجاييكه فركانس حقيقي گذرگاه حافظه برابر با 200 مگاهرتز و عرض گذرگاه برابر با 64 بيت است و همچنين در هر سيكل 2 مرتبه عمل انتقال اطلاعات انجام مي‌گيرد، نرخ انتقال اطلاعاتي برابر با 3200 مگابايت بر ثانيه فراهم مي‌شود.
( 8 بايت ( 64 بيت ) * 200 مگاهرتز * 2 = 3200 مگابايت بر ثانيه ) .

اما طبق استاندارد JEDEC به دلايل توضيح داده شده فركانس اين تراشه‌ها نبايد از 200 مگاهرتز بيشتر شود. بعنوان مثال تراشه‌هاي حافظه روي ماژول‌هاي DDR 400 داراي فركانس 200 مگاهرتز هستند و از آنجاييكه اين تراشه‌ها در هر سيكل يك بيت اطلاعات را از طريق هر يك از گذرگاه‌هاي داده درون ماژول‌هاي حافظه به I/O Buffer انتقال مي‌دهند ( گذرگاه داده داخلي كه با فلش‌هاي قرمز رنگ در شكل 2 مشخص شده ) بنابراين بايد روشي اتخاذ مي‌شد كه نرخ انتقال اطلاعات در دو گذرگاه حافظه و گذرگاه داده داخلي يكسان شود. در طراحي استاندارد DDR مهندسين چاره‌ي نداشتند جز آنكه عرض گذرگاه داده داخلي را دو برابر عرض گذرگاه حافظه كنند. بنابراين از آنجاييكه گذرگاه حافظه يك گذرگاهي با عرض 64 بيت است گذرگاه داده داخلي در حافظه‌هاي DDR يك گذرگاهي با عرض 128 بيت مي‌باشد. اين طرح دسترسي اطلاعات 2n Prefetch ناميده مي‌شود.

شكل 2 : ساختار تكنولوژي حافظه DDR

برخلاف تصور اكثريت مردم، در حافظه‌هاي DDR2 هنوز نحوه انتقال اطلاعات بصورت DDR است و در هر سيكل دو مرتبه عمليات انتقال اطلاعات صورت مي‌پذيرد. بنابراين در حافظه‌هاي DDR2 نيز مانند حافظه‌هاي DDR فركانس حقيقي گذرگاه حافظه هميشه نصف فركانس موثر است. بعنوان مثال فركانس حقيقي يك حافظه DDR2 800 برابر با 400 مگاهرتز است. در اين حافظه‌ها نيز طبق استاندارد JEDEC براي عملكرد صحيح نبايد فركانس تراشه‌هاي حافظه به بيش از 200 مگاهرتز برسد. براي مثال در يك حافظه‌ DDR2 800 فركانس تراشه‌هاي حافظه برابر با 200 مگاهرتز است. همانطور كه در بخش اول مقاله نيز ذكر كرديم فركانس گذرگاه داده داخلي برابر با فركانس چيپ‌هاي حافظه‌ است. بنابراين در يك حافظه DDR2 براي انتقال يك بيت داده از گذرگاه حافظه لازم است 4 بيت از گذرگاه داده داخلي انتقال پيدا كند. بعبارت ساده‌تر، گذرگاه داده داخلي DDR2 مي‌بايست 4 برابر عريض‌تر از گذرگاه حافظه‌‌‌ و برابر با 256 بيت باشد. اين شيوه دسترسي به اطلاعات كه در حافظه‌هاي DDR2 بكار گرفته شده 4n-Prefetch ناميده مي‌شود. اين روش برتري‌هاي آشكاري نسبت به روش 2n-Prefetch مورد استفاده در DDR دارد. بعنوان مثال در نرخ انتقال اطلاعات يكسان مثلاً 3200 مگابايت بر ثانيه تراشه‌‌هاي حافظه‌هاي DDR 400 داراي فركانس 200 مگاهرتز هستند در حاليكه فركانس تراشه‌هاي حافظه‌هاي DDR2 400 برابر با 100 مگاهرتز است. بنابراين براي رسيدن به نرخ انتقال اطلاعات يكسان تراشه‌هاي حافظه‌هاي DDR2 قادرند از نصف فركانس تراشه‌هاي حافظه‌هاي DDR استفاده كنند كه اين موضوع موجب كاهش حرارت و مصرف توان به ميزان قابل توجهي مي‌شود. از طرف ديگر زمانيكه تراشه‌هاي حافظه DDR و DDR2 در يك فركانس يكسان عمل كنند نرخ انتقال اطلاعات حافظه DDR2 دو برابر بيشتر از DDR خواهد بود. بطور مثال در حافظه‌‌هاي DDR 400 و DDR2 800 كه فركانس تراشه‌هاي حافظه در هر دوي آنها برابر با 200 مگاهرتز است نرخ انتقال اطلاعات براي حافظه DDR 400 برابر با 3200 مگابايت بر ثانيه است در حاليكه براي DDR2 800 برابر با 6400 مگابايت بر ثانيه است.

همانطور كه در شكل 3 مشاهده مي‌كنيد چيپ‌هاي حافظه DDR2 از يك مبدل خيلي پيچيده 4 به 1 استفاده مي‌كنند ( حافظه‌هاي DDR داراي مبدل 2 به 1 بودند ) كه موجب افزايش زمان‌هاي تاخير به مقدار قابل توجهي مي‌شود. اگر به نتايج آزمايشات در ابتداي زمان معرفي حافظه‌هاي DDR2 توجه كرده‌ باشيد بطور قطع متوجه اين موضوع شده‌ايد. البته 4n-Perfetch تنها نوآوري بكار گرفته شده در حافظه‌هاي DDR2 نيست. اما اين نوآوري عمده‌ترين تفاوت را نسبت به نسل قبلي حافظه‌ها ايجاد مي‌كند. بنابراين ما در اين مقاله تنها به توضيح در مورد اين نوآوري اكتفا مي‌كنيم.

.
شكل 3 : ساختار تكنولوژي حافظه DDR2

زمان‌هاي تاخير در حافظه‌هاي DDR2
زمان‌هاي تاخير در حافظه‌هاي DDR2 با گذشت زمان و معرفي حافظه‌هاي با فركانس بالاتر كاهش پيدا كرد و بنابراين در حافظه‌هاي DDR2 667 و DDR2 800 شاهد كاهش زمان‌هاي تاخير به ميزان قابل توجهي بوديم. در حال حاضر يك نسخه رسمي جديد از JEDEC ) JESD72-2B ) انتشار يافته كه اجازه مي‌دهد زمان‌بندي براي حافظه‌هاي DDR2 533 از 4-4-4 به 3-3-3 ؛ حافظه‌هاي DDR2 667 از 5-5-5 به 4-4-4 و براي حافظه‌هاي DDR2 800 از 6-6-6 به 5-5-5 و يا حتي 4-4-4 كاهش پيدا كند. توليدكنندگان حافظه‌ها همانطور كه در قبل نيز اشاره كرديم از هيچ‌ استاندارد خاصي براي بهبود عملكرد حافظه‌هاي DDR2 خود پيروي نمي‌كنند و اكنون برخي از آنها حافظه‌هاي DDR2 800 با زمان‌بندي 3-3-3 و يا حافظه‌هاي DDR2 با فركانس 625 مگاهرتز ( DDR2 1250 ) و زمان‌بندي 5-5-5 توليد كرده‌اند. همانطور كه قبلاً نيز اشاره كرديم اين تغييرات نيازمند افزايش ولتاژ به ميزان قابل توجهي است. براي مثال حافظه‌هاي DDR2 1250 و يا DDR2 800 با زمان‌بندي 3-3-3 بجاي 1.8ولت به 2.4ولت توان نياز دارند. اين افزايش ولتاژ بطور قطع موجب افزايش مصرف توان و حرارت خواهد شد. بنابراين سازندگان چنين محصولاتي مجبور هستند كه محصولات خود را همراه با خنك‌كننده‌ها و حرارت‌گيرهاي پيشرفته معرفي كنند.
همانند حافظه‌هاي DDR، حافظه‌هاي DDR2 نيز به انتهاي راه خود رسيده‌اند. حافظه DDR2-800 مسلماً نقطه توقف تکنولوژي‌هاي حافظه نخواهد بود. همانطور كه گفتيم ماژول‌‌هاي حافظه از تراشه‌هاي DRAM تشكيل شده‌ است و استاندارد JEDEC اجازه نمي‌دهد كه اين تراشه‌ها داراي فركانسي بالاتر از 200 مگاهرتز باشند. از آنجاييكه DDR-400 نقطه توقف رشد تکنولوژي حافظه‌ها نبود٬ DDR2-800 نيز چنين وضعيتي خواهد داشت. حافظه DDR3 و پس از آن DDR4 گام‌هاي بعدي در تکنولوژي حافظه‌هاي اصلي به شمار مي‌روند. اکنون دوران جانشيني DDR3 فرا رسيده و دو شركت اينتل و AMD به عنوان متوليان بزرگ صنعت کامپيوترهاي شخصي با تمام نيرو از اين تکنولوژي‌ جديد حمايت خواهند کرد.
ارتقا از DDR2 به DDR3 از نظر تكنولوژي تقريباً مشابه با ارتقا از DDR به DDR2 است. نحوه انتقال اطلاعات در حافظه‌هاي DDR3 هنوز بصورت DDR است و در هر سيكل كاري گذرگاه حافظه دو داده توسط هر يك از اتصالات انتقال داده مي‌شود. در اين حافظه‌ها نيز گذرگاه حافظه داراي يك فركانس حقيقي و يك فركانس موثر است كه در نتيجه همانند گذشته فركانس موثر از ضرب فركانس حقيقي در عدد 2 بدست مي‌آيد. حافظه‌هاي DDR3 قرار است در نسخه‌هاي DDR3 800 تا DDR3 1600 ( و احتمالاً فركانس‌هاي بالاتر ) معرفي شوند. در اين حافظه‌ها يكبار ديگر فركانس گذرگاه داخلي و تراشه‌هاي حافظه به نصف كاهش يافته در حاليكه پهناي باند حافظه 2 برابر شده است. اگر به شكل 4 توجه كنيد خواهيد ديد كه در هر سيكل به ازاي انتقال يك بيت داده از گذرگاه حافظه لازم است كه 8 بيت اطلاعات از گذرگاه داخلي حافظه انتقال پيدا كند. بنابراين در حافظه‌هاي DDR3 گذرگاه داده داخلي ماجول حافظه DDR3 ، بايد از گذرگاه حافظه 8 برابر عريض‌تر باشد. اين طرح انتقال اطلاعات با مبدل 8 به 1،
8n-Prefetch ناميده مي‌شود. مزاياي ارتقا از DDR2 به DDR3 دقيقاً مشابه با ارتقا از
DDR به DDR2 است، از يك طرف مصرف توان حافظه كاهش پيدا مي‌كند و از طرف ديگر فرصت جديدي براي افزايش فركانس و پهناي باند حافظه ايجاد مي‌شود. البته اين تكنولوژي جديد مانند DDR2 نيز داراي معايبي است. حافظه‌هاي DDR3 بدليل استفاده از مبدل 8n-Prefetch داراي وقفه‌هاي زيادي هستند. اين وقفه‌ها موجب زمان‌هاي تاخير بالايي در حافظه‌هاي DDR3 خواهد شد.

شكل 4 : ساختار حافظه‌هاي DDR3