Gepufferte Module

Hintergrund

Da Speichersysteme ständig weiterentwickelt werden, erreicht die Bandbreite von Speichersystemen durch die Nutzung breiterer Speichersystem-Busse und höherer Übertragungsraten pro Pin ein noch höheres Niveau. Aufgrund der Kosten für Controller-Baugruppen, komplexes Routing auf der Hauptplatine und Platzbeschränkungen des Systems ist eine weitere Steigerung der Speicherbusbreiten schwierig. Das führt dazu, dass der Steigerung der Übertragungsraten pro Pin in Speichersystemen ein noch größerer Stellenwert beigemessen wird.

Bei herkömmlichen Speichersystemen, wie sie beispielsweise in PCs und Workstations zu finden sind, müssen in der Regel mehrere Module unterstützt werden, um die Speicherkapazität in Zukunft noch aufstocken zu können. Herkömmliche Speicherbusse unterstützen mehrere Module durch Verwendung von Multidrop-Topologien, die mehrere Bausteine pro Datenbusleitung ermöglichen. Da jedoch Multidrop-Topologien mehrere Bausteine pro Datenbusleitung unterstützen, nimmt die Kapazitätsladung für den Speicherbus zu. Zudem können Speichersysteme, die mehrere Speichermodule unterstützen, auch über längere Busleitungen verfügen, und die entsprechende Ladekapazität dieser langen Busleitungen trägt zusätzlich zur kapazitiven Ladung des Speicherbusses bei. Durch diese Zunahme der kapazitiven Ladung wird die Signalintegrität verringert, wodurch die maximale Übertragungsrate für diese Speichersysteme eingeschränkt wird. Um höhere Übertragungsraten pro Pin zu erzielen, neigte man bei Speicherbussen bisher zu kürzeren Leitungen und weniger Modulen. Aufgrund diese Design-Entscheidungen können Übertragungsraten durch Minimieren der Auswirkung von kapazitiven Ladungen gesteigert werden. Dazu müssen jedoch Speicherkapazität und Anzahl der unterstützten Speicher-Upgrades verringert werden.

Was sind gepufferte Module?

Gepufferte Module zeichnen sich dadurch aus, dass die Speicherbusgeschwindigkeit durch Verringerung der kapazitiven Ladung des Speicherbusses erhöht werden kann. Doch anders als bei herkömmlichen Methoden, die die Buslänge und die Anzahl der unterstützten Module beschränken, unterstützen gepufferte Module eine sehr hohe Speicherkapazität durch höhere Anzahl von Speichermodulen.

Abbildung 1 veranschaulicht die kapazitive Ladung in herkömmlichen Speichersystemen, die DDR-SDRAM und DDR2-SDRAM unterstützen. Wie in der Abbildung zu sehen, können Datenbusleitungen mehrere kapazitive Ladungen haben. Jede Datenbusleitung kann maximal 2 kapazitive Ladungen pro Speichermodul aufweisen (eine vom DRAM auf der Vorderseite des Moduls und eine vom DRAM auf der Rückseite des Modulss (sofern es sich um ein doppelseitiges Modul handelt). Da die Anzahl der unterstützten Module auf dem Speicherbus zunimmt, erhöht sich auch die potenzielle kapazitive Ladung des Busses.

In Abbildung 2 wird deutlich, dass einige Module physisch weiter vom Speicher-Controller entfernt sind als andere. Bei einer hohen Übertragungsrate haben die weiter vom Speicher-Controller entfernten Module eine höhere Zugriffslatenz als jene, die sich näher am Controller befinden. Aufgrund dieser unterschiedlichen Zugriffslatenzen können direkt aufeinander folgende Speicherverweise, die auf verschiedene Module zugreifen, eine „Blase“ auf dem Speicherbus verursachen, was wiederum zu einer geringeren Effizienz führt. Um die Effizienz zu steigern, können die Puffer so entworfen werden, dass unterschiedlich lange Verzögerungen eingefügt werden, um die Zugriffslatenzen aller Module im Speicher entsprechend anzugleichen. Auf diese Weise können direkt aufeinander folgende Speicherverweise so weitergeleitet werden, dass die effektive Bandbreite des Speichersystems erhöht wird.

Die Modulpuffer können auch für eine integrierte Takt- und Datenregeneration sorgen. Die Signale werden auf ihrem Weg durch den Speicherbus schwächer, und wenn sie zu schwach werden, gehen die übertragenen Informationen womöglich verloren. Die Modulpuffer stellen daher eine praktische Möglichkeit dar, Takt- und Datensignale zu empfangen und sie auf ihren ursprünglichen Signalpegel zu bringen. Dadurch wird die Signalintegrität auf dem Speicherbus erhöht.

Modulpuffer haben den Vorteil, dass für die Busse, die die Modulpuffer miteinander verbinden (Speicherbus), und für die Busse, die einen Modulpuffer mit den DRAMs auf dem Modul (Modulbus) verbinden, verschiedene Busbreiten verwendet werden können. Um die Anzahl der Pins sowie die Routing-Komplexität zu reduzieren und Routing-Platz auf der Hauptplatine zu sparen, kann der Speicherbus schmaler als der Modulbus sein. Bei einem solchen System ist es sinnvoll, dass die Bandbreite des Speicherbusses höher als oder mindestens so hoch ist wie die des Moduls, der Speicherbus also mit einer höheren Frequenz arbeitet als der Modulbus. Die Modulpuffer sollten die Seriell-Parallel-Umsetzung und die Parallel-Seriell-Umsetzung effizient durchführen können, um den Informationsfluss zwischen zwei Bussen unterschiedlicher Breite und Betriebsfrequenz verwalten zu können.

Wer profitiert davon?

Durch die Reduzierung der kapazitiven Ladung auf dem Speicherbus und durch das elektrische Isolieren der DRAMs mit einem Modulpuffer lassen sich die Busgeschwindigkeiten steigern. Dadurch sind höhere Übertragungsraten pro Pin sowie höhere Busbandbreiten beim Speicher- und beim Modulbus möglich. Diverse Gruppen profitieren von gepufferten Modulen:

• Endbenutzer: Dadurch, dass die DRAMs vom Speicherbus elektrisch isoliert sind, nimmt die kapazitive Ladung ab. Eine geringere kapazitive Ladung ermöglicht höhere Busgeschwindigkeiten beim Speicher- und Modulbus, wodurch die Systemleistung gesteigert wird. Außerdem können durch gepufferte Module Speichersysteme mit hoher Kapazität konstruiert werden, die mit einer hohen Speicherbusgeschwindigkeit arbeiten. Die Kombination dieser Faktoren ist unerlässlich, um bei Servern eine hohe Leistung zu erzielen.
• Controller- und Board-Designer: Da gepufferte Module hohe Übertragungsraten pro Pin ermöglichen, können Entwickler von Controllern die Anzahl von I/O-Pins reduzieren, wodurch sich wiederum Baugruppenkosten, Bauteilanzahl, Routing-Bereich und -Komplexität verringern.
• Modulhersteller: Dadurch, dass der Speicherbus von den Modulbussen elektrisch isoliert ist, können die Modulbusse kürzer sein. Diese Busse müssen keine Anschlüsse überqueren, wodurch die Signalintegrität auf dem Modul erhöht wird.