IDF в Москве: перспективы оперативной памяти и технологии соединений

Прошедший 2 октября в Москве Форум Intel для разработчиков (IDF, см., например, наше сообщение), состоял из общего пленарного заседания (о нем мы писали ранее) и следующих за ним нескольких параллельных потоков лекционных и практических занятий. Об одном из таких потоков, который был посвящен аппаратному обеспечению, мы расскажем в этой публикации.

Собственно, этот аппаратный поток состоял из пяти докладов (каждый длительностью примерно в академический час). Сначала Стив Павловски, ведущий советник по перспективным технологиям и директор по технологиям коммуникаций и межсоединений корпоративной группы по исследованиям и разработкам Intel (см. справку внизу материала), рассказал о стратегии корпорации и технических особенностях применения перспективных технологий оперативной памяти на 2003 год и далее. Следом Рудигер Грунд, инженер подразделения ICP-Vortex компании Intel, представил интерфейс SerialATA для следующего поколения устройств хранения данных, а ведущий инженер подразделения исследований и разработок Intel Бойд Бангертер детально ознакомил присутствующих с архитектурой PCI Express - объединительного стандарта для обмена данными между блоками персонального компьютера. В третьем и четвертом докладах Лесли Фишер, инженер центра по поддержке дизайн-проектов, Intel Swindon, осветил решение проблемы охлаждения для высокопроизводительных процессоров настольных персональных компьютеров и требования системного уровня при поддержке процессоров Intel Pentium 4 с частотами 3 ГГц и выше.

О Serial ATA мы уже неоднократно и подробно писали - как в рамках репортажей о сентябрьском IDF в Сан-Хосе (см. www.ferra.ru/online/system/20092), так и наши собственные первые практические испытания нового интерфейса. И поскольку на IDF в Москве ничего принципиально нового в этой области не было, отсылаем вас к этим двум публикациям, а также рекомендуем изучить (на русском языке), особенно в части технических деталей нового интерфейса, полезности его в серверах и сетевых устройствах хранения данных, планов выпуска продукции с поддержкой Serial ATA и грядущего нового интерфейса Serial Attached SCSI, обратно совместимого с Serial ATA (то есть к контроллерам Serial Attached SCSI можно будет подключать диски Serial ATA). Про перспективную технологию PCI Express, идущую (в рамках общей тенденции перехода на последовательные шины связи, см. рисунок выше) на смену текущим параллельным шинам связи внутри компьютера (PCI, AGP и т. п.) мы, возможно, расскажем в другой раз. А сейчас отметим наиболее интересные моменты остальных докладов.

О памяти

Выбор того или иного типа памяти для компьютеров следующего поколения зависит от большого количества противоречивых факторов технического и экономического характера, готовности индустрии, формирования партнерских отношений, перспектив усовершенствования поколений памяти, концентрации или распределения ресурсов проектирования внутри компаний-разработчиков чипсетов и др. Доклад Стива Павловски как раз знакомит нас с результатами анализа данных проблем, проведенного инженерами Intel, и перспективами разработки и использования основных современных и будущих типов оперативной памяти - DDR, DDR II, RDRAM и памяти других типов. Информацию, полученную во время публичной презентации, мы дополним сведениями, добытыми из интервью со Стивом в узком кругу представителей прессы после этого доклада и из моей частной беседы с ним в кулуарах IDF.

Прежде всего, Стив отметил, что сейчас на рынке DRAM одновременно сосуществуют три основных типа памяти: SDRAM, RDRAM и DDR SDRAM (см. слайд выше). И каждый из этих типов памяти предназначен (и успешно используется) в своем сегменте. Например, устаревающая для настольных систем память SDRAM (PC100, PC133) по прежнему весьма актуальна для использования в карманных компьютерах, ноутбуках и низкостоимостных экономичных серверах. RDRAM находит свое применение не только в высокопроизводительных рабочих станциях и наиболее дорогих ПК, но также в многочисленных сетевых устройствах. Мэйнстрим же представляет сейчас память DDR SDRAM, которая уже практически вытеснила RDRAM из серверов и начинает доминировать в остальных сегментах рынка. Г-н Павловски специально подчеркнул, что миграция с RDRAM на DDR в серверах обусловлена тем, что там важнее общая емкость установленной памяти, высокая надежность работы и не очень высокое энергопотребление и низкая латентность при обращениях, нежели пиковая пропускная способность, хотя и в последнем пункте у DDR тоже есть весомые козыри по сравнению с RDRAM в виде двухканальных синхронных чипсетов (типа E7500).

В текущих планах выпуска чипсетов Intel значится прекращение производства чипсетов для SDRAM PC133 к 2004 году, продолжение выпуска нынешних чипсетов для RDRAM и развитие чипсетов для DDR, а также появление следующего поколения чипсетов для памяти DDR II в 2004 году. Поддержка скоростных типов DDR333 (PC2700) и RDRAM PC1066 была недавно усилена выпуском (сразу вслед за окончанием московского IDF) чипсетов Intel 845GE/PE/GV (для одноканальной DDR333) и валидацией чипсета Intel 850E для использования памяти PC1066. Платформа для памяти DDR333 прошла длительный путь от проекта спецификаций до массового производства, включая изменение технических требований и сертификацию в JEDEC и переработку фотошаблонов для производства стандартизованных модулей (детали см. на слайде ниже). Меньше усилий потребовалось для подготовки к массовому выпуску RDRAM PC1066: фотошаблоны менять не пришлось, спецификации модулей потребовали минимальных изменений по сравнению со стандартом PC800, и минимальные изменения коснулись системных плат для PC1066. Касаясь будущего памяти RDRAM, Стив заметил, что оно пока туманно, поскольку пока Intel не планирует поддерживать в будущем память, более быструю, чем PC1066 (имеются ввиду разрабатываемые в Samsung модули PC1200 и выше). Более того, в планах Intel не значится проектирование в будущем новых чипсетов для RDRAM, то есть нынешние 850E и 860, по всей видимости, станут последними в линейках. Между тем, производство 850E будет продолжаться еще достаточно долго, поскольку Intel по-прежнему считает память PC1066 самой высокопроизводительной основой для настольных ПК и рабочих станций на базе процессора Intel Pentium 4.

Касаясь перспектив памяти DDR400, Стив Павловски отметил, что в Intel сейчас ведутся работы по определению практической целесообразности поддержки такой памяти в будущем. Однако ее стандартизации в индустрии и поддержки в будущих чипсетах Intel в планах пока нет и вряд ли предвидится, поскольку сейчас для применения этой памяти существует ряд нерешенных проблем: нет повторяемости на уровне системы, проблемы с поддержкой чипов большой емкости (512 Мбит и 1 Гбит), проблемы с тепловыделением, контролем мощности и температуры при питании от 2,5 вольт (по сравнению с DDR333 память DDR400 выделяет на 20% больше тепла, что уже критично для массовых применений), низкий выход годных и высокие цены при мизерном приросте производительности на нынешних чипсетах и системах. Кроме того, при выработке спецификаций на память DDR400 нельзя пойти путем «просто разогнанной» DDR333 (как это уже делают WinBond, Samsung и ряд других, выпуская «доморощенные» модули DDR400), поскольку для DDR400 потребуется не только изменить требования по таймингам работы и тепловые характеристики, но и существенно переработать требования к фотошаблонам, материнским платам и самим модулям DRAM, включая новые походы при проектировании плат (PCB) самих модулей DDR400. А поскольку все эти шаги неизбежно ведут к громадным (в рамках отрасти) расходам на проектирование, овчинка, как оказывается, не стоит выделки - куда эффективнее развивать двухканальные решения на базе уже существующей памяти DDR333/266.

Вместе с тем, отмечая перспективы двухканальных решений для DDR, на вопрос о конкретных сроках их внедрения в потребительские системы Стив туманно ответил, что это будет сильно зависеть от потребностей рынка - для ноутбуков этого пока не нужно, а для настольных ПК такие чипсеты готовятся, но сроки их внедрения пока не определены (по неофициальной информации двухканальные DDR-чипсеты с кодовым именем Springdale для Pentium 4 должные появиться в начале будущего года). Также в частной беседе г-н Павловски подтвердил, что интерес к двухканальной RDRAM у Intel упал еще и потому, что синхронные двухканальные DDR-системы превосходят их по всем параметрам, то есть появление Springdale может поставить окончательную точку в судьбе RDRAM для высокопроизводительных компьютеров на базе архитектуры Intel, как это уже случилось в серверах и происходит в сегменте рабочих станций, где есть чипсеты Intel E7500 и ему подобные.

Малый интерес к DDR400 связан еще и с тем, что в будущем Intel планирует активно поддерживать значительно более перспективную память нового стандарта DDR II, массовое производство которой намечено на 2004 год (см. слайд выше). Эта память, в частности, будет поддерживать более современные технологии прямого обращения к памяти при отсутствии нужных данных в кэше процессора, нежели нынешняя DDR, что должно дополнительно ускорить систему. На данный момент есть рабочая спецификация на DDR II версии 0.5 и первые инженерные образцы самой памяти. В скором будущем будут выпущены окончательные спецификации на чипы и модули DDR II, предстоит убедиться в серийной реализуемости платформы, унифицировать поставки памяти от разных производителей и представить саму платформу. Основные проблемы на пути внедрения DDR II - это выход годных, доступность изделий и изготовление приборов с напряжением работы 1.8 вольт.

Отдельно Стив коснулся более далекого будущего и разработки перспективных направлений памяти на базе единой технологии ядра DRAM, известной также под названием DDR III. Здесь требуется найти компромисс между тремя извечными требованиями: большой пропускной способностью, низкой рассеиваемой мощностью и большой емкостью. Будущая технология ядра DRAM должна подходить всем сегментам рынка - от ноутбуков и ПК до рабочих станций и серверов. Требуется объединить в единый стандарт разные виды модулей - DIMM, SO-DIMM, базирующиеся на разном количестве чипов от 4 до 32. Единый стандарт позволит создать массовый рынок стандартизованной памяти DRAM. Отвечая на вопрос о возможности интегрирования контроллера системной памяти непосредственно в центральный процессор, докладчик ответил, что такие подходы внутри Intel обсуждаются, но пока конкретных планов на их использование в конечных продуктах нет.

В заключение этого доклада от имени корпорации Стив Павловски посоветовал активно использовать сейчас системы на базе памяти DDR333 и PC1066 и следить за работой комитета JEDEC совместно с Intel по выпуску спецификаций DDR II для ее массового запуска в 2004 году. Информация по новым разработкам памяти доступна, в частности, на сайте http://developer.intel.com.

Межсоединения

Второй доклад Стива Павловски на московском IDF был посвящен исследованиям в области межсоединений и будущему в этой области. Многолетнее развитие компьютерных технологий и центральных процессоров (хотя бы на примере Intel, см. слайд ниже) свидетельствует о необходимости одновременно совершенствовать как возможности самих процессоров, так и возможности платформ, их поддерживающих. Если процессоры нынче перешагнули за гигагерцовый рубеж, то и остальные возможности платформ, включая межсоединения, также должны обладать «гигагерцовыми способностями», чтобы не сдерживать дальнейший рост системы в целом.

Далее последовал детальный и вполне научный доклад, сопровождаемый массой графиков - о роли и ограничениях медных межсоединений и возможности использования других способов передачи данных, включая оптические. Мы не будем здесь в подробностях пересказывать «научную» часть презентации Стива, а приведем лишь несколько наиболее характерных графиков и отметим наиболее важные положения.

Основная проблема дальнейшего наращивания скорости электрических межсоединений заключается в частотных ограничениях, накладываемых медными проводниками (из-за потерь сигнала). На практике оказалось, что частотные потери в медных проводниках растут с частотой быстрее, чем по теоретическому квадратичному закону (см. графики вверху и внизу). В результате, предел частоты передачи электрических сигналов по медным проводникам может составить 15-20 ГГц (точнее - до 20 Гбит/с на один пин, проводник). Инженеры Intel пытаются обойти эти ограничения путем различных ухищрений, и лабораторные моделирования таких процессов вселяют некоторую надежду, что предел 20 Гбит/с «по меди» может быть отодвинут.

Еще одна проблема - влияние материала диэлектрика печатных плат на распространение СВЧ сигналов при большом количестве соседних параллельных проводников. Это влияние уже становится заметным при применении современных высокочастотных микросхем DDR-памяти на частотах выше 500 МГц (например, в видеокартах и перспективных модулях памяти).

Здесь для снижения влияния диэлектрической проницаемости предлагается применение периодического профилирования материала подложки с чередующимися и перекрывающимися слоями стекла и специальной смолы, что позволяет получить периодически изменяемую диэлектрическую проницаемость и снизить ее в промежутках между медными проводниками (то есть снизить перекрестную емкость и взаимовлияние соседних проводников).

Задачи, которые нужно решить на пути повышения частот передачи сигналов, Стив отметил на этом слайде:

В частности, одним из путей решения проблем являются методы специальной предкомпенсации сигналов при их передаче по электрическим каналам. Это тоже позволить отодвинуть порог «по меди» в более высокочастотную область.

Говоря об одном из путей повышения скоростей передачи сигналов, г-н Павловски отметил безусловно важную роль оптических каналов связи. Однако, подчеркнул он, на данный момент невозможно точно указать, на каком рубеже (частоте передачи сигналов) произойдет переход от электрических к оптическим способам передачи. Данный переход будет определяться конкуренция этих двух методов, усилиями инженеров в каждой из областей и стоимостным соотношением конечных решений. В частности, Стив верит, что электрический способ передачи еще долго сможет жить благодаря применению новых материалов и методов. Хотя, ответил он на вопрос, уже сейчас в лабораториях Intel ведутся работы по проектированию оптических каналов связи в пределах печатной платы, например, между северным и южным мостами чипсетов.

О последних двух докладах аппаратного потока московского IDF, где рассказывалось о решении проблемы охлаждения для высокопроизводительных процессоров настольных персональных компьютеров и требованиях системного уровня при поддержке процессоров Intel Pentium 4 с частотами 3 ГГц и выше, мы напишем в нашей следующей статье.