Память RAMBUS (RDRAM)

На данный момент существует только один способ повышения пропускной способности (BW — BandWidth) любой подсистемы — это увеличение либо частоты коммутации шины, либо ее «ширины» (разрядности). Совместное увеличение этих параметров довольно проблематично и имеет быстрое «насыщение», поскольку влияние электромагнитной интерференции (ЭМИ) и частотных эмиссий в этом случае возрастает нелинейно — EMIkIAf2. Это обстоятельство вынуждает разработчиков идти на компромиссы. В противовес технологии SDRAM, где используется 64bit магистраль и частоты до 133MHz, Rambus DRAM предоставляет 16bit шину и результирующую частоту обмена до 800MHz, используя технологию DDR, передавая/принимая данные по фронту/срезу синхросигнала. Узкая шина и сверхвысокая частота значительно повышают эффективность использования и загрузку канала, максимально освобождая протокол от временных задержек. Итак, детально рассмотрим технологию Rambus DRAM. Вообще, существует три разновидности памяти RDRAM, представляющие собой некую эволюцию развития технологии: Base (BRDRAM), Concurrent (CRDRAM) и Direct (DRDRAM). Отличие первого и второго совсем небольшие, а вот изменения последнего просто революционны. Причем, технологии Base и Concurrent настолько сильно переплетаются, что, в принципе, это одно и тоже.

Табл. — Характеристики различных видов памяти RDRAM:

Технология Direct Rambus DRAM, разработанная компанией Rambus, представляет собой высокоскоростную замкнутую систему функционирования, которая имеет свою адаптированную логику управления и точно рассчитанные параметры. DRDRAM позволяет достичь очень больших пиковых скоростей передачи данных: до 1.6 Гбайт/с на один канал и до 6.4 Гбайт/с при четырех каналах.

Вся подсистема состоит из следующих компонентов: основной контроллер (RMC — Rambus Memory Controller), канал (RC — Rambus Channel), разъем для модулей (RRC — Rambus RIMM Connector), модуль памяти (RIMM — Rambus In-line Memory Module), генератор дифференциальных синхроимпульсов (DRCG — Direct Rambus Clock Generator) и сами микросхемы памяти (RDRAM — Rambus DRAM).

Физические, электрические и логические принципы и согласования, применяемые в системе, определены компанией Rambus и должны строго выполняться всеми производителями для соблюдения абсолютной совместимости ее частей, так она функционирует на очень большой частоте 600/711/800 МГц, синхронизируясь сигналом 300/350/400 MГц соответственно.

Рисунок 1.4 — Схематическое изображение подсистемы памяти Direct Rambus:

Сигнальный протокол Direct Rambus основан на новом электрическом интерфейсе RSL (Rambus Signaling Levels), дающем возможность при помощи технологии удвоенной передачи данных (DDR — Double Data Rate) получить результирующую частоту 600/711/800 MГц и использовать стандартный CMOS-интерфейс (см. рисунок 1.1 и рисунок 1.2) сигналов управленияядра ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Высокоскоростной протокол сигналов RSL использует низковольтный размах (Swing) номинальных напряжений логического «0» (VOH = 1.8 В) и логической «1» (VOL = 1.0 В) с разностью 0.8 В:

VCOS = VOH — VOL.

За счет внешнего опорного напряжения (VREF = 1.4 В) стандартного CMOS-интерфейса, генерирующегося при помощи резистивного делителя, логические значения «0» и «1» представляются как 2.5 В (VOH, CMOS) и 1.7 В (VOL, CMOS) соответственно, т. е., разрядность составляет все те же 800 мВ, чтобы сохранить совместимость дискретизации уровней.

Меры частотного «разнесения» сигнальных групп вынужденные, и направлены на разделение стандартных сигналов питания/контроля (CMOS), и высокоскоростных (RSL) командных сигналов и интерфейса приема/передачи данных для уменьшения паразитного воздействия ЭМИ и ВЧ-шумов коммутаций шины.

Тактовый генератор вырабатывает импульсы с частотой 267−400 MГц, которые распространяются от крайней точки канала к контроллеру (CTM — Clock To Master), где разворачиваются и по другой линии идут в обратном направлении (CFM — Clock From Master), после чего попадают на терминатор (нагрузку, VTERM = 1.8 В).

Четкое согласование становиться возможным благодаря двум блокам автоподстройки длительности задержки в библиотечном макроядре (RAC — Rambus ASIC Cell), которые производят синхронизацию исходящих и входящих сигналов: блок передачи (TDLL — Transmit Delay Locked Loop) и блок приема (RDLL — Receive Delay Locked Loop). Передача команд и данных (блок TDLL) основана на эффекте точной 180° квадратурной фазы, выполняемой в цикле CFM.

Все сигналы, распространяющиеся по направлению к контроллеру, синхронизируются входящими тактовыми импульсами, а сигналы, исходящие из контроллера — импульсами, идущими по направлению к нагрузке (функции блока RDLL).

В процессе работы каждый блок DLL периодически осуществляет частотную ре-калибровку, учитывая условия функционирования, температуру (документ JESD63), возможные девиации напряжения и частоты. «Ре» синхронизация (Re-Sync) всех узлов подсистемы, включая физические интерфейсы типа сдвига уровня напряжения и восстановления синхросигналов, представляется отдельным особенным комплексом мер, поскольку с увеличением частоты, длина волны сигнала становиться более короткой относительно собственной сигнальной трассы.

В этом случае полагаться на пассивные элементы задержки (например, RC-цепь), помогающие восстановить «плывущий» протокол синхронизации, довольно опасно, учитывая влияние температуры, напряжения и 3s-вариаций (зависимость сечения рассеяния электромагнитной волны от ее частоты).

Непосредственно сам генератор представляет собой отдельную микросхему с внешним интерфейсом 24pin 150mil SSOP, и обеспечивает «гибкий синхронизм» управления по дифференциальному импульсу с минимальным периодом следования импульсов 50ps: вырабатывает синхросигналы, необходимые для функционирования отдельных компонентов памяти, синхронизирует частоту каналов с внешней системой или синхроимпульсами системного процессора, обеспечивает независимое тактирование отдельных каналов.

Кроме чего формирователь обеспечивает независимое тактирование отдельных каналов, если это предусмотрено его внутренней схемотехникой, для чего применяется специализированная версия DRCG-D (Dual Direct Rambus Clock Generator) интерфейса 28pin 170mil TSSOP, поскольку обычно используется правило «один генератор на один канал».

Помимо этого DRCG поддерживает коэффициенты умножения частоты 8x, 6x, 4x, 8/3x и два расширенных режима функционирования: режим Clk Stop («clock off» — прекращение подачи на внешние цепи каналов синхроимпульсов, позволяющее осуществлять быстрые транзакции между периодами clock-off/clock-on и действующее совместно с режимом «дремоты» NAP интерфейса RDRAM/RAC) и режим Power DowN (переход системы в состояние пониженного энергопотребления для минимизации рассеивания мощности, который действует совместно с режимом деактивации PDN интерфейса RDRAM/RAC).

Генератор DRCG-D поддерживает коэффициенты умножения 8, 6, 4, 8/3, 9/2 и 16/3, и частоту синхронизации канала 267−533 MHz. Сигнальный интерфейс генератора предусматривает 20 сигнальных групп (здесь и далее в аналогичном контексте имеется в виду число групп отдельных сигналов без учета разрядности отдельной сигнальной шины).

Внутренние блоки DRCG предусматривают наличие транзитного (BypassMux), тест (TestMux) и основного (MainMUX) мультиплексоров, дифференциального выходного буфера (DOB — Differential Output Buffer), фазового детектора (fD — Phase Detector), блока выравнивания фазы сигнала (Phase Aligner) и двух делителей (A/B) во входной цепи внутри кристального блока фазовой автоподстройки частоты (PLL — Phase Locked Loop), который введен с целью создания петли обратной связи для стабилизации частоты на выходе. Специальная «усеченная» версия тактового генератора (DRCG-Lite), пакующегося в корпус типа 16pin 225mil TSSOP, рассчитана на применение в системах с «низкочастотным» входом: внешний интерфейс DRCG-Lite содержит опорный вход от внешнего кварцевого резонатора (сигнал XIN), где нижний порог значения входной частоты составляет 14.0625 МГц, а типичный — 18.75 MГц. Также предусмотрен «низкочастотный» опорный выход (сигнал XOUT) для создания петли обратной связи в цепи внешнего резонатора, контролирующую девиации опорной частоты.

Кроме этого имеется второй LVCMOS-выход (сигнал LCLK), реализованный по схеме частотного делителя, дающего половину опорной частоты и применяющийся для синхронизации остальных компонентов системы. Lite-генератор используется в «изолированных» системах с замкнутым циклом синхронизации (например, в видеоадаптерах), с использованием памяти, работающей в частотном диапазоне 300−400 MГц, и поддерживает коэффициенты умножения частоты 16x и 64/3x.

В состав блок-схемы DRCG-Lite входят: блок формирования исходящих синхроимпульсов (OSC — Output Signal Clocks), умножитель (Multipler), блок ФАПЧ (PLL), делитель выходного OSC-синхросигнала (2) и два дифференциальных выходных буфера (DOB). Активная мощность генераторов составляет менее 350 мВт при опорном напряжении (VDD) 3.3 В. Как дополнение, введен специальный режим спектральной модуляции тактового импульса (SSC — Spread Spectrum Clock) в диапазоне 30−33 КГц для минимизации паразитного воздействия электромагнитной интерференции.

Поскольку DRCG является задающим устройством согласования внешних и внутренних цепей Rambus DRAM, рассмотрим детально схему синхронизации всей подсистемы. Входной сигнал REFCLK подается на преобразователь В, находящийся во входном каскаде ФАПЧ.

Делитель А, находящийся в цепи обратной связи ФАПЧ, генерирует промежуточную частоту:

PLLClk = RefClk * (A / B).

RefClk = PClk * 4N / (M * X).

Важен также параметр:

Y = 4N / (M * X) = RefClk / PClk.

— характеризующий степень зависимости опорной частоты (RefClk) от частоты синхронизации с внешней системой (PClk). MULT подающие сигнал на вход делителя А, задают коэффициент умножения ФАПЧ:

X = A / B.

Частоты PClk и SynClk различаются, однако передаточная логика, входящая в состав контроллера RMC, должна выбрать подходящий делитель M или N таким образом, чтобы выполнялось обязательное условие эквивалентности:

PClk / M = SynClk / N.

Например, рассмотрим стандартный случай, когда CTM=400 MГц:

PClk = 133MHz * SynClk = 100MHz.

Получим коэффициенты M=4, N=3 и имеем частотную зависимость:

PClk / M = SynClk / N = 33 МГц Параметр f@PD характеризует частоту на фазовом детекторе относительно действующей частоты (PClkSynClk) на делителе (M/N). Фактически:

f@PD = PClk / M = SynClk / N.

Блок приложений (Application Unit), входящий в состав RMC. d1, управляет сигналами по линиям M2m1[2:0] (шина соединения блока приложений и блока механизмов, являющаяся входной линией передаточной логики, и определяющая степень значимости коэффициента M), N2m1[2:0] (шина соединения блока приложений и блока механизмов, являющаяся входной линией передаточной логики, и определяющая степень значимости коэффициента N) и MULT[1:0] (шина передачи от блока приложений к DRCG, использующая параметр Х, определяющий степень отношения между PClk и RefClk), передавая их в передаточную логику и компоненты DRCG. Сами входы напрямую связаны частотными отношениями между PClk, SynClk (SClk) и CTM/CTMN (CTMN выступает как негативный «двойник» CTM — особенность дифференциального протокола) через коэффициенты M и N следующими зависимостями:

M2m1 = (M / 2) — 1.

N2m1 = (N / 2) — 1.