DDR2 SDRAM: Технология и особенности второго поколения DDR памяти.

Введение

Второе поколение синхронной динамической памяти с двойной скоростью передачи данных.
В дополнение к двойной передаче данных по шине, как в DDR SDRAM (передача данных по переднему и заднему фронтам тактового сигнала шины), DDR2 обеспечивает более высокую скорость шины и снижает энергопотребление за счет работы внутреннего тактового генератора на половине скорости шины данных. Эти два фактора в совокупности обеспечивают четыре передачи данных за один внутренний тактовый цикл. Поскольку внутренний тактовый генератор DDR2 работает на половине частоты внешнего тактового генератора DDR, память DDR2, работающая на той же частоте шины данных, что и DDR, обеспечивает ту же пропускную способность, но с меньшей задержкой. Альтернативно, память DDR2, работающая на удвоенной частоте шины данных по сравнению с DDR, может обеспечить вдвое большую пропускную способность при той же задержке. Лучшие модули памяти DDR2 как минимум в два раза быстрее лучших модулей памяти DDR. Максимальная емкость коммерчески доступных модулей DDR2 DIMM составляет 8 ГБ, однако поддержка чипсетов и доступность таких DIMM ограничены, и чаще используются модули емкостью 2 ГБ на DIMM.

История

DDR2 SDRAM впервые была произведена компанией Samsung в 2001 году. В 2003 году организация по стандартизации JEDEC вручила компании Samsung награду за техническое признание за вклад в разработку и стандартизацию DDR2. DDR2 была официально представлена во втором квартале 2003 года с двумя первоначальными тактовыми частотами: 200 МГц (обозначается как PC2 3200) и 266 МГц (PC2 4200). Обе эти реализации демонстрировали более низкую производительность по сравнению с оригинальной спецификацией DDR из-за увеличенной задержки, что приводило к увеличению времени доступа. Однако оригинальная технология DDR имеет ограничение по тактовой частоте примерно в 200 МГц (400 МТ/с). Существуют чипы DDR с более высокой производительностью, но JEDEC заявила, что не будет их стандартизировать. Эти чипы, как правило, представляют собой стандартные чипы DDR, прошедшие тестирование и оценку производителя на возможность работы на более высоких тактовых частотах. Такие чипы потребляют значительно больше энергии, чем чипы с более низкой тактовой частотой, но обычно не обеспечивают существенного улучшения производительности в реальных условиях. DDR2 начала становиться конкурентоспособной по сравнению со старым стандартом DDR к концу 2004 года, когда появились модули с меньшей задержкой.

Обзор

Ключевое отличие между DDR2 и DDR SDRAM заключается в увеличении длины предварительной выборки (префетча). В DDR SDRAM длина предварительной выборки составляла два бита на каждый бит в слове, в то время как в DDR2 SDRAM – четыре бита. Во время доступа четыре бита считывались или записывались из или в очередь предварительной выборки глубиной четыре бита. Эта очередь принимала или передавала данные по шине данных за два тактовых цикла шины данных (каждый цикл передавал два бита данных). Увеличение длины предварительной выборки позволило DDR2 SDRAM удвоить скорость передачи данных по шине данных без соответствующего удвоения скорости доступа к массиву DRAM. DDR2 SDRAM была разработана с использованием такой схемы, чтобы избежать чрезмерного увеличения энергопотребления. Частота шины DDR2 увеличена благодаря улучшениям в электрическом интерфейсе, внутреннему завершению, буферам предварительной выборки и внешним драйверам. Однако, задержка значительно возрастает в качестве компромисса. Буфер предварительной выборки DDR2 имеет глубину четыре бита, в то время как для DDR – два бита. В то время как DDR SDRAM имеет типичные задержки чтения от двух до трех циклов шины, DDR2 может иметь задержки чтения от трех до девяти циклов, хотя типичный диапазон составляет от четырех до шести. Таким образом, память DDR2 должна работать на удвоенной скорости передачи данных для достижения той же латентности. Еще одной ценой увеличения пропускной способности является требование к упаковке чипов в более дорогой и сложный в монтаже корпус BGA по сравнению с корпусом TSSOP предыдущих поколений памяти, таких как DDR SDRAM и SDR SDRAM. Это изменение упаковки было необходимо для поддержания целостности сигнала при более высоких скоростях шины. Экономия энергии достигается главным образом за счет усовершенствованного производственного процесса, включающего уменьшение размеров кристалла, что приводит к снижению рабочего напряжения (1,8 В по сравнению с 2,5 В у DDR). Более низкая тактовая частота памяти также может снизить энергопотребление в приложениях, не требующих максимальной доступной скорости передачи данных. Согласно JEDEC, максимальное рекомендуемое напряжение составляет 1,9 вольт, и его следует считать абсолютным максимумом, когда стабильность памяти имеет решающее значение (например, в серверах или других критически важных устройствах). Кроме того, JEDEC утверждает, что модули памяти должны выдерживать до 2,3 вольт, прежде чем получить необратимые повреждения (хотя они могут и не функционировать правильно на этом уровне).

The key difference between DDR2 and DDR SDRAM is the increase in prefetch length. In DDR SDRAM, the prefetch length was two bits for every bit in a word; whereas it is four bits in DDR2 SDRAM. During an access, four bits were read or written to or from a four bit deep prefetch queue. This queue received or transmitted its data over the data bus in two data bus clock cycles (each clock cycle transferred two bits of data). Increasing the prefetch length allowed DDR2 SDRAM to double the rate at which data could be transferred over the data bus without a corresponding doubling in the rate at which the DRAM array could be accessed. DDR2 SDRAM was designed with such a scheme to avoid an excessive increase in power consumption. DDR2's bus frequency is boosted by electrical interface improvements, on die termination, prefetch buffers and off chip drivers. However, latency is greatly increased as a trade off. The DDR2 prefetch buffer is four bits deep, whereas it is two bits deep for DDR. While DDR SDRAM has typical read latencies of between two and three bus cycles, DDR2 may have read latencies between three and nine cycles, although the typical range is between four and six. Thus, DDR2 memory must be operated at twice the data rate to achieve the same latency. Another cost of the increased bandwidth is the requirement that the chips are packaged in a more expensive and difficult to assemble BGA package as compared to the TSSOP package of the previous memory generations such as DDR SDRAM and SDR SDRAM. This packaging change was necessary to maintain signal integrity at higher bus speeds. Power savings are achieved primarily due to an improved manufacturing process through die shrinkage, resulting in a drop in operating voltage (1.8 V compared to DDR's 2.5 V). The lower memory clock frequency may also enable power reductions in applications that do not require the highest available data rates. According to JEDEC the maximum recommended voltage is 1.9 volts and should be considered the absolute maximum when memory stability is an issue (such as in servers or other mission critical devices). In addition, JEDEC states that memory modules must withstand up to 2.3 volts before incurring permanent damage (although they may not actually function correctly at that level).

Совместимость с другими технологиями

Модули DDR2 DIMM несовместимы с модулями DDR DIMM. Вырез на модулях DDR2 DIMM расположен в другом месте, чем на модулях DDR DIMM, а плотность контактов выше, чем у DDR DIMM в настольных компьютерах. DDR2 – это модуль с 240 контактами, DDR – модуль с 184 контактами. Ноутбуки используют 200-контактные SO DIMM для DDR и DDR2, однако вырез на модулях DDR2 расположен немного иначе, чем на модулях DDR. Более быстрые модули DDR2 DIMM можно смешивать с более медленными DDR2 DIMM, хотя контроллер памяти будет работать со всеми DIMM на скорости самого медленного модуля.

Отношение к памяти GDDR

GDDR2, разновидность GDDR SDRAM, была разработана компанией Samsung и представлена в июле 2002 года. Первым коммерческим продуктом, заявлявшим об использовании технологии "DDR2", стала видеокарта Nvidia GeForce FX 5800. Однако, эта память GDDR2, используемая в видеокартах, не является DDR2 в строгом смысле, а скорее представляет собой ранний промежуточный вариант между технологиями DDR и DDR2. Использование термина "DDR2" по отношению к GDDR2 является распространенным, но неточным обозначением. В частности, отсутствует повышение производительности за счет удвоения частоты шины данных. Она страдала от серьезных проблем с перегревом из-за стандартного напряжения питания DDR. Позднее компания ATI усовершенствовала технологию GDDR, разработав GDDR3, которая основана на DDR2 SDRAM, но с рядом дополнений, адаптированных для видеокарт. GDDR3 широко использовалась в видеокартах и некоторых планшетных компьютерах. Однако, появление бюджетных и среднебюджетных видеокарт, заявляющих об использовании "GDDR2", внесло дополнительную путаницу. Фактически, эти карты используют стандартные чипы DDR2, предназначенные для основной системной памяти, хотя и работают с повышенными задержками для достижения более высоких тактовых частот. Эти чипы не способны достигать тактовых частот GDDR3, но они недороги и достаточно быстры для использования в качестве памяти в видеокартах среднего уровня.