Modules à mémoires tampons

Contexte

À mesure que les systèmes mémoire évoluent, la bande passante mémoire des systèmes progresse vers de plus hauts niveaux grâce à l'utilisation de bus mémoire plus larges et de débits de signalisation par broche plus élevés. Le coût de la configuration du contrôleur, la complexité du routage de la carte mère et les contraintes d'encombrement du système compliquent les possibilités d'élargissement des bus mémoire, ce qui explique l'accent mis sur l'amélioration des taux de signalisation par broche des systèmes mémoire.

Les systèmes mémoire traditionnels, tels que ceux que l'on trouve dans les ordinateurs et les stations de travail, requièrent généralement la prise en charge de plusieurs modules pour permettre de futures mises à niveau de la capacité mémoire. Les bus mémoire classiques prennent en charge plusieurs modules en utilisant des topologies multipoints qui permettent de connecter plusieurs dispositifs par fil de bus de données. Toutefois, étant donné que les topologies multipoints prennent en charge plusieurs dispositifs par fil de bus de données, la charge capacitive du bus mémoire augmente. De plus, les fils de bus des systèmes mémoire prenant en charge plusieurs modules de mémoire peuvent être assez longs. La capacité associée à ces fils augmente encore la charge capacitive du bus mémoire. Cette augmentation de la charge capacitive diminue l'intégrité des signaux, ce qui limite le débit de signalisation maximal de ce type de système mémoire. Pour réussir à atteindre des débits de signalisation par broche élevés, la tendance a été au raccourcissement des bus mémoire et à la diminution du nombre de modules. Ces choix de conception permettent d'accroître les débits de signalisation en diminuant les effets de la charge capacitive. Toutefois, cela implique de réduire la capacité mémoire et le nombre de mises à niveau de mémoire prises en charge.

Qu'est-ce qu'un module à mémoire tampon ?

Les modules à mémoire tampon permettent d'augmenter la vitesse du bus mémoire en réduisant la charge capacitive de celui-ci. Cependant, contrairement aux approches classiques qui consistent à limiter la longueur du bus et le nombre de modules pris en charge, les modules à mémoire tampon assurent une capacité mémoire élevée grâce à la prise en charge d'un plus grand nombre de modules de mémoire.

La figure 1 illustre la charge capacitive d'un système mémoire traditionnel prenant en charge les mémoires DDR SDRAM et DDR2 SDRAM. La figure 1 montre que les fils du bus de données peuvent avoir plusieurs charges capacitives. Chaque fil du bus de données peut avoir jusqu'à 2 charges capacitives par module de mémoire (une due à la DRAM à l'avant du module et l'autre due à la DRAM à l'arrière du module, dans le cas d'un module à double face). Étant donné que le nombre de modules pris en charge par le bus mémoire augmente, la charge capacitive potentielle du bus augmente également.

Sur la figure 2, il apparaît que certains modules sont plus éloignés du contrôleur mémoire que d'autres. Lorsque le débit de signalisation est élevé, la latence d'accès des modules les plus éloignés du contrôleur mémoire est supérieure à celle des modules les plus proches du contrôleur. Du fait de cette variation de la latence d'accès, les références mémoire consécutives qui accèdent à différents modules peuvent créer une « bulle » sur le bus mémoire, ce qui se traduit par une baisse de l'efficacité du système. Pour améliorer l'efficacité du système, les tampons peuvent être conçus de manière à introduire des retards différents afin d'uniformiser les latences d'accès de tous les modules de la mémoire (voir figure 3). En procédant ainsi, les références de mémoire consécutives peuvent être mises en pipeline afin d'élargir la bande passante efficace du système mémoire.

Les tampons des modules peuvent également fournir une régénération intégrée de l'horloge et des données. Les signaux s'atténuent à mesure qu'ils se propagent le long du bus mémoire. Si leur atténuation est trop importante, les informations transmises risquent d'être perdues. Les tampons des modules constituent un mécanisme pratique pour recevoir les signaux de données et d'horloge et les amplifier jusqu'à leur niveau d'origine, améliorant ainsi l'intégrité des signaux sur le bus mémoire.

Les tampons des modules autorisent différentes largeurs de bus pour les bus reliant les tampons des modules (le bus mémoire) et pour ceux reliant le tampon d'un module aux DRAM du module (le bus de module). Le bus mémoire peut être moins large que le bus module afin de réduire le nombre de broches, la complexité du routage et l'encombrement du routage sur une carte mère. Dans un tel système, il est préférable que la bande passante du bus mémoire soit supérieure ou égale à celle du module, c'est-à-dire que la fréquence de fonctionnement du bus mémoire soit supérieure à celle du bus de module. Pour gérer le flux d'informations entre deux bus de largeurs et de fréquences de fonctionnement différentes, il est nécessaire que la conversion série-parallèle et parallèle-série effectuée par les tampons de modules soit efficace.

Qui en bénéficie ?

La réduction de la charge capacitive du bus mémoire et l'isolation électrique des DRAM offertes par le tampon d'un module permettent d'augmenter la vitesse des bus et ainsi de fournir des débits de signalisation par broche et des bandes passantes supérieurs, aussi bien pour le bus mémoire que pour le bus de module. Ainsi, les modules avec tampon présentent des avantages pour de nombreux groupes :

• Utilisateurs finals : l'isolation électrique des DRAM des bus mémoire réduit la charge capacitive. La réduction de la charge capacitive assure une vitesse plus élevée des bus mémoire et de module, améliorant par là même les performances du système. Les modules avec tampon permettent également de créer des systèmes mémoire alliant haute capacité et vitesses de bus mémoire élevées, combinaison essentielle pour atteindre des performances optimales au niveau des serveurs.
• Concepteurs de cartes et de contrôleurs : en permettant des taux de transfert par broche élevés, les modules avec tampon permettent aux concepteurs de contrôleurs de réduire le nombre de broches E/S, ce qui réduit les coûts de fabrication, le nombre de composants, ainsi que l'encombrement et la complexité du routage.
• Fabricants de modules  l'isolation électrique entre le bus mémoire et les bus de module permet de réduire la longueur de ces derniers. Ces bus ne traversant pas de connecteurs, l'intégrité des signaux du module est améliorée.