Pamięć operacyjna przyszłości

O ile wydajność CPU nieprzerwanie rośnie, o tyle kości RAM coraz bardziej stają się wąskim gardłem: współczesne moduły pamięci nie są w stanie dostarczać procesorowi danych z wystarczającą szybkością. Pomóc ma Hybrid Memory Cube (HMC) opracowany wspólnie przez Intela i Microsoft.

Zarówno szerokość pasma, jak i szybkości odczytu oraz zapisu obecnych pamięci operacyjnych są zbyt małe. Problem narasta zawsze, kiedy na rynek trafia nowy procesor, bo nowe konstrukcje z reguły wymagają jeszcze więcej danych w jeszcze krótszym czasie. Równocześnie wzrasta zapotrzebowanie na oszczędniejsze i mniejsze podzespoły, przede wszystkim do smartfonów i tabletów. Urządzenia te potrzebują coraz więcej pamięci montowanej na bardzo małych płytach głównych.

Pomóc w tej sytuacji może Hybrid Memory Cube, czyli pamięć wielowarstwowa, której poziomy połączone są ze sobą pionowymi stykami elektrycznymi. Całą konstrukcję umieszczono na nowego typu warstwie logicznej, która szybko i efektywnie udostępnia dane całemu procesorowi bądź tylko jego poszczególnym rdzeniom.

Błyskawicznie i oszczędnie

Podczas Intel Developer Forum 2011 obaj producenci po raz pierwszy pokazali prototyp HMC z czterema warstwami pamięci. Może on przesyłać 128 GB danych na sekundę, ale zanim tak będzie, producenci płyt głównych mają jeszcze sporo do zrobienia: muszą opracować płytę, która będzie w stanie przetworzyć tak gigantyczny strumień danych. Bo na co się zda pasmo o szerokości 128 GB/s, gdy na końcu dane będą sączyć się po kropelce przez zbyt ciasne łącza? Również inne podzespoły, na przykład dyski twarde, muszą znacznie szybciej odczytywać i zapisywać dane. Właśnie z tego powodu obecnie dostępne nośniki zostaną zastąpione przez memrystory, pamięci millipede albo inne technologie, które mogę być nawet do pięciu razy szybsze niż SSD.

Dużą szerokość pasma w Memory Cube zapewniają liczne połączenia krzemowe, przesyłające dane pomiędzy warstwami pamięci a warstwą logiczną z szybkością do 1 TB/s. Korzyści z tego będzie mógł wyciągnąć Windows, który wciąż zapisuje i odczytuje dane w pamięci RAM, ale zyskać mogą także zadania wymagające dużych nakładów obliczeniowych, na przykład edycja wideo. Dla porównania dodajmy, że współczesny moduł DDR3-1333 pracuje zaledwie z szybkością 11 GB/s.

Warstwa logiczna HMC rozwiązuje jeszcze jeden problem: nowoczesne procesory mają już po osiem rdzeni, a to dopiero początek trendu. We współczesnych kościach RAM istnieje tylko jedno połączenie z CPU, zarządzane zewnętrznym kontrolerem. Natomiast w pamięci hybrydowej warstwa logiczna przez przełącznik matrycowy może precyzyjnie wybierać pojedyncze rdzenie albo inne kości Memory Cube. Połączenia z kolejnymi rdzeniami lub chipami pamięci budowane są równolegle, a każde pojedyncze połączenie działa z pełną szybkością. Dzięki tej właściwości pamięć operacyjna wreszcie może dotrzymywać kroku procesorowi. Jeśli kiedyś na rynku pojawi się procesor o dziesięciu rdzeniach, to warstwa logiczna po prostu udostępni dwa kolejne połączenia, które również będą działały z maksymalną szybkością.

Na następnych stronach budowa pamięci HMC i porównanie z pamięciami DDR.

Na podobnej zasadzie działają dostępne już moduły pamięci RDIMM Samsunga. One też łączą warstwy pamięci za pomocą styków krzemowych, jednak nie mają warstwy logicznej. Dlatego są – podobnie jak zwykłe RAM – skazane na zewnętrzne kontrolery pamięci, które mogą zarządzać tylko jednym połączeniem z CPU. Pomimo tego RDIMM mają nad normalną pamięcią ogromną przewagę: zużywają o 40 proc. mniej energii niż moduły DDR3. Mniejsza konsumpcja energii wynika przede wszystkim ze skróconych dróg transportu danych.

Dzięki inteligentnemu zarządzaniu pamięcią przez warstwę logiczną Hybrid Memory Cube zaoszczędzi kolejne 30 proc. energii na bit. Przynajmniej teoretycznie znacznie wydajniejsze Cube’y zużyją więc o 70 proc. mniej energii na wysłany bit niż współczesne kości DDR. Konsekwencje takiego rozwoju są dla emisji ciepła jeszcze nieznane. Jeśli dane będą się przemieszczać tak szybko i wydajnie, to logicznie rzecz biorąc, pamięć będzie wymagać wysokiego taktowania. W efekcie każda pamięć DRAM będzie się mocno rozgrzewać. Możliwe więc, że zaoszczędzoną energię trzeba będzie wykorzystać do chłodzenia stosu pamięci.

Wszechstronna pamięć nie tylko do peceta

Dzięki ułożeniu warstw pamięci w stosy i trójwymiarowemu układowi zintegrowanych obwodów HMC ma bardzo kompaktową budowę. Na płycie głównej hybrydowa pamięć zajmie o 90 proc. mniej miejsca niż tradycyjne moduły RAM. Konsorcjum odpowiedzialne za opracowanie nowej kości pamięci chciałoby przyłączać nową pamięć jak najbliżej CPU, procesorów graficznych i wyspecjalizowanych w określonych zadaniach mikroprocesorów. Tym samym Hybrid Memory Cube stałaby się ciekawym rozwiązaniem dla innych urządzeń, na przykład telewizorów.

Od roku 2013 Hybrid Memory Cube będzie dostępna dla stacji roboczych i serwerów. Użytkownicy komputerów domowych z zakupem superpamięci muszą prawdopodobnie poczekać do końca roku 2015. Przed rozpoczęciem produkcji masowej żaden z producentów wchodzących w skład konsorcjum nie potrafił podać ceny HMC.

Rozwój modułów pamięci (dane Micron)
Typ pamięciSzerokość pasma w GB/sZużycie energii w watachRok wprowadzenia
SDRAM PC133 (1 GB)1,067,691997
DDR-333 (1 GB)2,667,52001
DDR II-667 (2 GB)5,345,22004
DDR3-1333 (4 GB)10,664,612007
DDR4-2667 (8 GB)21,343,42011 (prototyp)
Hybrid Memory Cube (0,5 GB)1287,972013 (plan)

Budowa pamięci hybrydowej: Hybrid Memory Cube

Pamięć warstwowa i nowa warstwa logiczna kontrolująca przepływ danych pomiędzy pamięcią a CPU gwarantują zwielokrotnienie wydajności – i to przy mniejszych rozmiarach.

[1] Stos pamięci

Dzięki czterem położonym na sobie warstwom pamięci DRAM większa ilość danych zapisywana jest w mniejszej przestrzeni. Tym samym Hybrid Memory Cube może się pochwalić około dwunastokrotnym wzrostem szerokości pasma w porównaniu z aktualnymi pamięciami DDR3.

[2] Połączenia krzemowe

Przez warstwy pamięci pionowo przechodzą przelotki krzemowe (through-silicon via), łączące ze sobą poszczególne warstwy. Przenoszą one dane do warstwy logicznej.

[3] Warstwa logiczna

Kontrolery pojedynczych stosów kierują dane do zarządzania pamięcią. To ostatnie decyduje, kiedy i jakie dane kontroler interfejsu prześle do CPU. Przełącznik matrycowy umożliwia precyzyjne wysyłanie danych z określonej warstwy pamięci do pojedynczego rdzenia CPU. Oprócz tego warstwa logiczna potrafi przesyłać dane do innych HMC, które można łączyć ze sobą w sieci.

[4] Wielordzeniowy CPU

Hybrid Memory Cube może komunikować się z każdym pojedynczym rdzeniem procesora. Różne transfery przebiegają wtedy równolegle i z pełną szybkością.

Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.