Quad Band Memory (QBM): новый стандарт против DDRII и RDRAM

«Благодаря …сигнальной схеме, позволяющей передавать данные с учетверенной скоростью…процессор  Pentium 4 обладает наиболее быстродействующей в индустрии системной шиной».
Intel Corporation.

«Вы хороши ровно настолько, насколько хорош ваш последний чип».
IT- афоризм.

Форсируем DDR

Созданная в 1966 году Робертом Деннардом из исследовательского центра Уотсона корпорации IBM, ячейка DRAM из одного транзистора и конденсатора оказалась на редкость удачным изобретением. Успех DRAM в основном обусловлен уникальным для полупроводниковой памяти соотношением емкость/цена и невысоким тепловыделением.

Другой весомый плюс DRAM (и других разновидностей твердотельной памяти) — возможность наращивания пропускной способности путем модификации одного лишь интерфейса. В самом деле, большинство «технологий» динамической памяти — FPM и EDO, SDRAM и DDR, Rambus и DDRII — существенно отличаются лишь на уровне взаимодействия чипа и контроллера; при этом, сохраняя неизменной структуру DRAM уже более тридцати лет, удается достичь значительного роста пропускной способности. В последнее время даже делаются попытки «приспособить» высокоскоростные интерфейсы статической памяти для работы с DRAM («PseudoSRAM»). Однако «обычные» интерфейсы DRAM, а именно модули и чипы DDR, обладают определенным «запасом прочности», позволяющим путем некоторых ухищрений еще больше повысить пропускную способность, причем, как мы дальше увидим, не обязательно увеличивая частоту синхронизации. Именно этот путь избрала американская фирма Kentron Technologies, создав Quad Band Memory, QBM. Основанная в 1998 году, Kentron поначалу занималась разработкой и производством модулей памяти высокой плотности для специальных применений — телекоммуникационного оборудования, серверов в корпусах 1U, сопроцессоров на картах PCI и т. д. Фирмой были разработаны модули DIMM SDR- и DDR-памяти повышенной плотности FEMMA (до 2 Гбайт), низкопрофильные модули DIMM и SODIMM, совместимые со стандартом JEDEC. Видимо, не удовлетворившись скромной ролью разработчика модулей, Kentron в 2001 году приступила к ускорению DDR. Как, может быть, уже догадался читатель, «ускорение» в данном случае означает увеличение пропускной способности вдвое; QBM, таким образом, нацеливается в конкуренты двухканальным решениям на базе DDR, а в перспективе — и DDRII. Для стандартизации и облегчения принятия новой памяти был образован «альянс QBM», куда вошла сама Kentron, разработчики дополнительных чипов для функционирования QBM — STMicroelectronics и ICS, фирмы-разработчики чипсетов — VIA и SiS, небезызвестная фирма S3, ALi, а также некоторые компании, занимающиеся производством модулей памяти, в частности PNY. Цели при создании новой памяти декларируются самые благородные: удешевление материнских плат и чипсетов, низкая стоимость новой памяти, невысокие затраты на изменение инфраструктуры при производстве новых модулей, ну и, разумеется, скорость уровня DDRII и даже выше. QBM будет применяться в персональных компьютерах, рабочих станциях и серверах, игровых приставках и устройствах хранения данных, телекоммуникационном оборудовании и видеокартах — во всяком случае, таковы надежды ее создателей.

QBM и QDR

Разработчики QBM пошли по пути максимальной совместимости — они взяли стандартный 184-контактный модуль DIMM, стандартные чипы DDR SDRAM… и получили удвоенную пропускную способность. Но все не так просто. Посмотрев на модуль QBM, можно убедиться, что, кроме чипов памяти и SPD, на PCB находится ряд микросхем.

Эти небольшие микросхемы между чипами памяти и позолоченными контактами — коммутаторы QBM (QBM10 switch), специально разработанные STMicroelectronics устройства для коммутации банков. Сущность технологии QBM в следующем: два банка DDR-памяти синхронизируются сигналами, сдвинутыми на 90°  (CLK, CLK_90). Коммутатор QBM «упаковывает» сигналы двух банков (DQ[71:0], DQ_90[71:0]) в один (DQ_QBM) и выдает его на шину (см. диаграмму).

Конечный результат — та же «предвыборка 4 бит», что и у DDRII. У коммутатора QBM три линии управляющих сигналов — ME, SB, BE и три набора линий для приема/передачи данных: A и B — к банкам памяти, C — к контактам модуля DIMM; есть линии для сигналов строба, DQS (см. схему).

Сначала рассмотрим работу коммутатора QBM в режиме записи. Линии C подключаются к A и B, данные разделяются на два потока и передаются от чипсета к банкам памяти. Данные от чипсета передаются с частотой, в четыре раза большей частоты синхронизации. Выбор банка осуществляется по уровню сигнала DQS, поэтому каждый банк «воспринимает» свою порцию данных и пропускает данные для другого банка. Запись происходит по восходящему и нисходящему срезам фронта синхросигнала, как и положено DDR (см. диаграмму).

Записываемые данные показаны зеленым: видно, что данные, предназначенные для разных банков, чередуются во входящем потоке. В режиме чтения коммутатор QBM принимает самое непосредственное участие в формировании выходного сигнала. Происходит его переключение с частотой 200/266–333 МГц между наборами линий A и B (в зависимости от частоты синхронизации DDR), в итоге на линиях С[0,7] мы получаем данные с удвоенной частотой, а на линиях DQS CA, DQS CB генерируются синхросигналы, сдвинутые друг относительно друга на 180° (они необходимы для считывания данных чипсетом).

Еще одно преимущество QBM перед DDR и DDRII, по заверениям Kentron, — снижение емкостной нагрузки на шину памяти, что позволяет подключить к шине больше модулей памяти. Действительно, неработающие в данный момент модули можно отключить от шины с помощью коммутаторов. Однако уже существующие решения на базе DDR (E7205, SiS655) вполне устойчиво работают с четырьмя модулями DIMM. О повышении латентности просят не беспокоиться — обещается преобразование данных «на лету» без добавления циклов ожидания.

Теперь осмыслим происходящее. Что же, в конце концов, мы получили? QBM — стандартная память с механизмом параллельного считывания данных из двух банков, благодаря чему скорость передачи данных удваивается. Ничего не напоминает? Конечно, похожим образом работает любой двухканальный чипсет! Там тоже есть коммутатор, который «смешивает» потоки данных от банков памяти двух модулей и передает их процессору. Получается, разработчики QBM перенесли часть функций двухканального чипсета на модули памяти (их и выполняют коммутаторы QBM). Естественно, это не может не сказаться на цене. Сама Kentron утверждает, что конечная стоимость 256-мегабайтного модуля PC4200 QBM превысит цену равноемкого модуля DDR PC2100 на 18 долларов и будет примерно равна цене 256 Мбайт DDR PC2700. Это вызывает большие сомнения. Пока не известно, с кем из крупных производителей модулей налаживает связи Kentron, как идут дела по продвижению новой памяти на рынок. Фактор стоимости может сильно ограничить продвижение QBM.

А что же такое QDR SDRAM? Существует ли такая память вообще? Нет, QDR SDRAM пока никем не «изобретена». Зато есть QDR SRAM, разработанная Micron, Cypress и IDT. Эта разновидность статической памяти имеет мало общего с QBM, ее ключевая особенность — использование для записи и чтения двух параллельно работающих DDR-шин (разновидность двухпортовой памяти). Такая технология была специально разработана для сетевых применений и способна обрабатывать чередующиеся запросы на чтение и запись одновременно и с высокой эффективностью; QDR SRAM применяется в сетевых коммутаторах и маршрутизаторах.

Путь VIA

Судьба QBM тесно переплетена с судьбой VIA Technologies, одним из членов альянса QBM. На сегодня VIA — единственный производитель чипсетов, официально заявивший о поддержке QBM в своих будущих разработках. «Золотой век» VIA пришелся на 2000 год, когда руководство Intel, увлекшись диверсификацией бизнеса, допустило ряд ошибок по продвижению чипсетов для Pentium III c шиной 133 МГц. Intel предлагала откровенно неудачный чипсет i820 с очень дорогой тогда памятью RDRAM, а его версия с поддержкой SDRAM «прославилась» багом в чипе MTH и низкой производительностью. Практически единственным выбором для пользователей, желавших иметь систему с приемлемым быстродействием и поддержкой PC133 SDRAM, AGP 4x, UDMA 66/100, стали чипсеты VIA Apollo Pro 133(A).

Надо сказать, чипсеты эти вызывали противоречивые чувства. C одной стороны — богатая функциональность, с другой — зачастую медленная работа с памятью, проблемы со скоростью у ранних ATA-контроллеров. Большинство «особенностей» этих чипсетов можно было «пофиксить» с помощью новых прошивок BIOS, нередко написанных энтузиастами, патчей и «энаблеров», однако осадок оставался. Именно тогда и сложился имидж VIA как производителя недорогих чипсетов. Позиции фирмы на рынке наборов логики для процессоров Intel несколько пошатнулись с выходом серии чипсетов i815, но тут подоспела AMD. Эта компания проводила политику по привлечению сторонних производителей чипсетов для ее новых тогда процессоров Athlon и Duron, и VIA удалось занять лидирующие позиции с KX133/KT133/KT133A, а позже и с KT266(A)/KT333/KT400 для памяти DDR. Несмотря на возрастающее давление SiS и особенно Nvidia с ее очень удачным nForce2, VIA до сих пор является крупнейшим поставщиком чипсетов для Socket A.

С созданием чипсетов для процессоров Intel Pentium 4 дела у VIA сразу пошли плохо. Intel потребовала лицензировать шину нового процессора, VIA отказалась; последовал ряд судебных исков. Дело зашло далеко, и сейчас отношения между компаниями таковы, что разрешения проблемы не видно даже в перспективе. Первый «незаконнорожденный» чипсет для P4 — VIA P4X266 — не пользовался большим успехом у производителей системных плат. ASUS, MSI и Gigabyte, три фирмы из большой четверки производителей материнских плат, являются прямыми партнерами Intel. Сотрудничество с крупнейшим производителем чипсетов имеет ряд преимуществ (скидки, ранние поставки), и эти компании по понятным причинам не хотят вызывать гнев Intel, выпуская платы на наборах микросхем VIA. Elitegroup Computer Systems, еще одна компания из большой четверки, имеет тесные связи с SiS и явно предпочитает продукции VIA чипсеты этого разработчика.

В то же время Intel, учтя ошибки прошлых лет, производит наборы системной логики под любые запросы — с поддержкой SDRAM (i845), DDR (i845D/E/PE, E7205), RDRAM (i850/E), с интегрированной графикой (i845G/GL). Давний соперник VIA компания SiS, будто очнувшись от многолетней спячки, смогла воспользоваться ситуацией, приобрела лицензию на шину P4 у Intel и выпустила ряд весьма привлекательных быстродействующих чипсетов. Последнее достижение — SiS655 с поддержкой двухканальной DDR400, нередко опережает новую звезду от Intel — E7205. А вот чипсеты VIA — и P4X266, и пришедшие ему на смену P4X266A и P4X400 с улучшенным контроллером памяти — как назло, получились весьма «неторопливыми».

Для VIA настали тяжелые времена: с одной стороны, все возрастающая конкуренция на рынке чипсетов для Socket A плюс объективное сокращение этого рынка из-за агрессивной политики Intel по продвижению Pentium 4 и Celeron. С другой стороны, отсутствие лицензии на производство чипсетов для платформы P4 и их невысокие скоростные характеристики привели к тому, что спрос на них невелик. Чтобы увеличить продажи чипсетов, VIA налаживает связи в том числе и с фирмами, известными больше как производители видеокарт — Manli и Sapphire, начинает продажу плат под своим брэндом (реально они производятся фирмой Soltek). Тем не менее, чтобы хотя бы приблизиться к утраченным позициям, VIA необходим новый чипсет, способный конкурировать с двухканальными решениями SiS и Intel, желательно обладающий дополнительными «фичами», способными повысить его привлекательность в глазах пользователей. Поддержка новой памяти с «учетверенной» пропускной способностью — хороший повод, чтобы заявить о себе как о производителе решений hi-end за умеренную цену. Планы VIA по выпуску чипсетов выглядят так: в ближайшее время выйдет PT600 с поддержкой двухканальной DDR400, его анонс, видимо, будет приурочен к «CeBIT 2003», потом выйдет PT800. Поддержка AGP 8x, Serial ATA, двухканальной DDR, USB 2.0 будет в обоих чипсетах. Тут есть некая интрига: в роадмэпе на сайте Kentron утверждается, что уже PT600 будет поддерживать QBM (PC4200, на базе чипов DDR266), в то время, как роадмэп самой VIA более пессимистичен, и поддержка QBM объявлена только в PX800 (PT800), который выйдет… в первом квартале 2003 года. На самом деле, поскольку появление PT600 было задержано на четыре месяца, вероятнее всего, PT800 следует ждать ближе к концу лета. Тогда, хочется верить, и удастся опробовать QBM в деле. Возможно, подобные «странности» обусловлены тем, что Kentron очень хотелось бы увидеть поддержку своей памяти в чипсетах быстрее, чем это должно произойти по мнению VIA. Пока нет информации от SiS, также участвующей в альянсе QBM; не исключено, что в течение года выйдет чипсет с поддержкой новой памяти и от этой фирмы.

Unhappy End

Сама по себе QBM производит благоприятное впечатление. Теоретически ее использование действительно могло бы упростить разводку материнских плат, сделать чипсеты более дешевыми и даже упростить сборку компьютеров (еще бы, надо вставлять всего один модуль памяти вместо двух!). QBM отлично смотрится в blade- и 1U-серверах, возможно, в ноутбуках и как кэш-память RAID-контроллеров — в достаточно узком спектре применений, где площадь имеет критическое значение; это традиционный рынок Kentron. Далее я изложу свой взгляд на перспективы QBM как памяти для «обычных» персональных компьютеров; вполне возможно, читатель со мной не согласится. Ключевой фактор, от которого зависит успех или провал QBM как широко распространенной памяти, — поддержка Intel. Вероятность получить такую поддержку близка к нулю: Intel, наученная опытом «общения» с Rambus, подготовила для своих Pentium 4 надежный плацдарм в виде стандартизированной JEDEC (двухканальной) DDR, а дальше — переход на DDRII опять же в рамках стандарта JEDEC. Несколько дней назад на IDF Spring 2003 Intel подтвердила свое решение использовать DDRII как основную память после ухода DDR; был продемонстрирован модуль памяти DDRII 667 МГц CL4 от Infineon. Любой чипсет, созданный VIA или SiS для Pentium 4 с поддержкой одной лишь специфической памяти вроде QBM, автоматически обречен на провал, поэтому QBM будет поддерживаться опционально, в виде дополнительной «фичи» к чипсетам с обязательной поддержкой (двухканальной) DDR. Все надежды на удешевление плат и чипсетов мгновенно улетучиваются. Теперь представьте: мы собираем недорогой компьютер, покупаем плату на чипсете VIA. Можно установить пару DIMM DDR и получить требуемое быстродействие, а можно купить один модуль QBM, который будет стоить явно дороже (и вначале уж точно не на 18 долларов), и получить ту же скорость. Для крупных сборщиков при массовом производстве экономия в 18 долларов на модулях памяти для одного компьютера запросто выливается в сотни тысяч долларов, если не в миллионы. При этом платы с чипсетами Intel поддерживать QBM не будут, равно как и еще не выпущенные 64-разрядные системы от AMD (в обозримом будущем). Что же получается? Экзотическая память с относительно высокой ценой для недорогих компьютеров — это звучит как смертный приговор. Несколько лет назад VIA уже сделала нечто подобное — ввела поддержку VCM SDRAM с пониженной латентностью в чипсетах серии Apollo Pro 133 для Pentium III. Вначале VCM вызвала всплеск интереса, в Сети вышло много сравнений этой памяти с SDRAM и Rambus, но потом шумиха утихла… и про VCM постепенно забыли. Ждет ли QBM судьба VCM SDRAM? Может быть. Убийство DDR пока отменяется.