Vollständig differenzielle Speicherarchitektur (Fully Differential Memory Architecture, FDMA)

Zusammenfassung

FDMA (Fully Differential Memory Architecture) von Rambus bietet eine verbesserte Signalintegrität und Rauschfestigkeit im Vergleich zu Single-Ended-Speicherarchitekturen. Diese hoch entwickelte Signalübertragungstechnologie ermöglicht eine sehr schnelle Datenübertragung und eine hervorragende Speicherbandbreite.

FDMA implementiert eine vollständig differenzielle Signalübertragung (mithilfe der Punkt-zu-Punkt-Topologie) für Befehls- und Adress (C/A)-, Takt (CLK)- und Daten (DQ)-Kanäle. Diese Technologie ist auf der Hochgeschwindigkeits-Diffenzialsignalübertragung für die in der XDR™-Speicherarchitektur verwendeten DQ- und CLK-Kanäle aufgebaut.

Differenzialsignalübertragung ermöglicht eine stabile Kommunikation zwischen Speicher-Controller und DRAM-Komponenten. Solche Übertragung reduziert naturgemäß das Interferenzrauschen von gleichzeitig schaltenden Ausgängen (Simultaneous Switching Outputs, SSO) sowie auch Nebensignaleffekte. Ferner reduziert Differenzialsignalübertragung die elektromagnetische Interferenz (EMI), die in einem Single-Ended-Sytem mit derselben Datenübertragungsrate oder Frequenz auftreten würde.

Zusammen mit der 16X Data Rate-Technologie bewirkt FDMA, dass C/A- und DQ-Kanäle mit Signalgeschwindigkeiten von 12,8 Gbps bei einem externen Takt von 800 MHz laufen können.

Was ist Differenzialsignalübertragung?

In den dem Industriestandard entsprechenden Speicherarchitekturen wird Single-Ended-Signalübertragung verwendet. Dabei wird die Spannung auf der Signalleitung mit einer Referenzspannung (normalerweise Masse) auf einer anderen Leitung verglichen. Wenn die gemessene Spannung ungefähr der Versorgungsspannung entspricht, wird das Signal als „1“ angegeben. Wenn die gemessene Spannung dagegen unterhalb eines bestimmten Grenzwerts in Bezug auf die Referenzspannung liegt, wird das Signal als „0“ angegeben. Single-Ended-Signalübertragung ist einfach zu implementieren, aber die Rauschfestigkeit ist bei den in der modernen Elektronik normalerweise verwendeten kleinen Spannungen gering. Diese Übertragung ist auch wegen der induktiven Kopplung durch gemeinsame Verwendung derselben Rückleitung gegenüber Nebensignaleffekten sehr anfällig. In Hochgeschwindigkeitssystemen äußern sich alle diese Nachteile in Form von Fehlern, die durch die Bitfehlerrate (Bit Error Ratio, BER) angegeben werden.

Bei der Differenzialsignalübertragung werden für jedes Signal zwei Leitungen verwendet. Abhängig vom logischen Zustand wird mittels schwachem Gleichstroms ein komplementäres Signal auf der einen oder anderen Leitung übertragen. Der Strom wird auf jeder Leitung über einen Widerstand geschickt, um eine Spannung zu erzeugen, deren Differenz dann am Empfänger gemessen wird. Je nach Polarität wird das Signal als „1“ oder „0“ interpretiert. Das SSO-Rauschen (Simultaneous Switching Output), eine Funktion des kumulierten Werts der gesamten Stromstärkenänderung, wird ebenfalls reduziert, da unabhängig davon, ob das Bit "1" oder "0" ist, jeweils dieselbe Stromstärke generiert wird.

Der Vorteil der Differenzialsignalübertragung besteht darin, dass bei einer gegebenen Spannung am Sender dann am Empfänger die doppelte Spannungsdifferenz gemessen wird (d. h. die Differenz in den Spannungen zwischen den beiden Leitungen der aktuellen Schleife). Dies entspricht einer Single-Ended-Signalübertragung, bei der am Sender und Empfänger dieselbe Spannung besteht (da die Differenz zwischen der Spannung in der Leitung und der Masse = 0 V ist). Die doppelte Spannung am Empfänger bedeutet, dass zum Überschreiten des gültigen Spannungspegels doppelt so viel Rauschen erforderlich ist.

Ferner verfügt die Differenzialsignalübertragung wegen der inhärenten Unterdrückung des Common-Mode-Rauschens über eine höhere Rauschfestigkeit als die Single-Ended-Signalübertragung. Ein Spannungsrauschen, das sich auf das eine Element eines benachbarten Paars auswirkt, hat wahrscheinlich dieselbe Auswirkung auch auf das andere Element desselben Paars. Da die Differenz zwischen den beiden Signalen am Empfänger gemessen wird, heben sich die Rauschkomponenten in den beiden Elemente effektiv auf.

Differenzielle Signalpaare sind nicht nur weniger empfindlich gegen Rauschen, sondern erzeugen weniger EMI als Singe-Ended-Signale. Dies liegt daran, dass die Änderung des Signalzustands in den beiden Leitungen entgegengesetzte elektromagnetische Felder erzeugt, die sich durch Überlagerung auslöschen, wodurch Nebensignaleffekte und störende Emissionen reduziert werden.

Was ist vollständig differenzielle Speicherarchitektur?

In Speicherarchitekturen nach traditionellem Industriestandard wie GDDR und DDR wird Single-Ended-Signalübertragung für Daten-, Befehls- und Adress-Signale verwendet. Bei den steigenden Speichergeschwindigkeiten und der wachsenden Anzahl von Leiterbahnen auf den Platinen zur Erhöhung der Busbreite sind Rauschen und Nebensignaleffekte zu einem echten Problem geworden.

Rambus hat in seiner XDR™-Speicherarchitektur die Differenzialsignalübertragung für DQ- und CLK-Kanäle eingeführt. In der XDR-Speicherarchitektur von Rambus wurde zur Reduzierung von Rauschen und Nebensignaleffekten die Single-Ended-Signalübertragung beibehalten. Die 16X Data Rate-Technologie profitiert allerdings von der Differenzialsignalübertragung auf DQ-, CLK-, und C/A-Leitungen, was zur vollständig differenziellen Speicherarchitektur (FDMA) führt.

Bei der Differenzialsignalübertragung werden zwei Leitungen pro Kanal verwendet. Bei Single-Ended-Systemen wird dagegen eine einzelne Leitung pro Kanal und eine gemeinsame Masseleitung für alle Kanäle verwendet. Die Vorteile der Differenzialsignalübertragung sind bei Multi-Gbps-Datenübertragungsraten am deutlichsten. Bei diesen Geschwindigkeiten werden die Single-Ended-Systeme mehr und mehr durch physikalische Phänomene wie SSO und Nebensignaleffekte durch induktive Kopplung eingeschränkt. Ferner verbraucht die Differenzialsignalübertragung weniger Strom und es werden weniger Massesignale als bei Single-Ended-Techniken benötigt. Der XDR-Speicher von Rambus implementiert Differenzialsignalübertragung von Daten, während beim branchenüblichen Haupt- und Grafikspeicher noch bei Datenübertragungsraten bis zu 6 Gbps Single-Ended-Signalübertragung von Daten verwendet wird. Ferner wird die Differenzialsignalübertragung in Verbindung mit der FlexLink™ C/A-Schnittstelle von Rambus, einer Punkt-zu-Punkt-C/A-Schnittstelle mit zwei Leitungen, noch attraktiver.

Wirtschaftliche und technische Vorteile

• FDMA bietet eine skalierbare Architektur für eine schnelle Erhöhung der Speicherbandbreite bis zu und jenseits von 1 TB/s (Terabyte pro Sekunde).
• Bei höheren Datenübertragungsraten und bei Verwendung zusammen mit der FlexLink C/A-Schnittstelle bietet FDMA eine praktische und kostengünstige Alternative für die schnelle Skalierung der Speicherbandbreite im Vergleich zu Verfahren, bei denen die Speicherschnittstelle mit mehr Leitungen und Pins verbreitert wird, damit mehr DRAM-Bausteine adressiert werden können.
• FDMA erhöht die Unterdrückung des Common-Mode-Rauschens und reduziert die Anfälligkeit für Nebensignaleffekte und EMI.
• FDMA reduziert die vom Speichersystem generierte EMI.
• FDMA baut auf der bewährten in der XDR-Architektur verwendeten Differenzialsignalübertragung von Rambus für DQ- und CLK-Kanäle auf.

FDMA ist eine Entwicklung der Terabyte Bandwidth Initiative von Rambus. Die Terabyte Bandwidth Initiative fördert die Entwicklung von für Speicherarchitekturen der Zukunft benötigte Signalübertragungstechnologien, die eine Speicherbandbreite von einem Terabyte pro Sekunde für einen einzigen SoC-Baustein (System-on-Chip) liefern können.