Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ»
Факультет «Автоматики и электроники»
Кафедра «Микро- и наноэлектроники»
Отчет по Домашнему Заданию №1 по курсу “Сети компьютеров”
на тему:
«ИМС SRAM в DRAM сетевом оборудовании»
Выполнил студент группы А9-11
Дроздецкий М. Г.
Проверил доцент кафедры №27
Лапшинский В. А.
Москва 2014
Аннотация
В работе приведено описание и принцип работы, а также сравнение динамической и статической памяти с произвольным доступом с точки зрения использования их в сетевом оборудовании. Рассмотрены различные виды памяти с произвольным доступом. Также сделан краткий обзор перспектив развития DRAM и SRAM памяти.
В отчете 24 страницы, 7 рисунков, 9 использованных источников.
Ключевые слова: ИМС, SRAM, DRAM, сетевое оборудование, система на кристалле.
Оглавление
Глоссарий...........................................................................................................4
1 Введение.........................................................................................................5
2 Сравнение типов памяти SRAM и DRAM..............................................................6
3 Использование DRAM и SRAM памяти в сетевом оборудовании.............................8
4 Некоторые используемые виды DRAM...............................................................10
5 Регенерация и автоматическая коррекция ошибок в DRAM.................................14
6 Некоторые используемые виды SRAM...............................................................16
7 Принцип работы чтения и записи данных на примере SRAM памяти....................18
8 Перспективы развития DRAM памяти................................................................20
9 Перспективы развития SRAM памяти................................................................21
Заключение......................................................................................................22
Литература.......................................................................................................23
Глоссарий
ИМС — интегральная микросхема.
SRAM — статическая память с произвольным доступом.
DRAM — динамическая память с произвольным доступом.
Произвольный доступ (от англ. RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из битов или байтов.
Сетевая карта (или NIC) — периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети.
FPGA (англ. Field-Programmable Gate Array) — полупроводниковое устройство, которое может быть сконфигурировано производителем или разработчиком после изготовления (одна из разновидностей ПЛИС).
MAC-адрес (от англ. Media Access Control) — уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице активного оборудования компьютерных сетей.
DMA (англ. Direct memory access, прямой доступ к памяти) — режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью без участия центрального процессора
Конвейер — специальная техника, позволяющая выполнять следующую операцию до окончания выполнения предыдущей.
ASIC (от англ. application-specific integrated circuit, «интегральная схема специального назначения») — интегральная схема, специализированная для решения конкретной задачи.
СНК (система на кристалле, SoC) — электронная схема, выполняющая функции целого устройства и размещенная на одной ИМС.
1. Введение
В современных информационных технологиях невозможно обойтись без элементов памяти. Сетевые технологии не являются исключением. Более того, можно утверждать, что в современных сетях память является «узким местом». Действительно, появление технологий, осуществляющих скорость передачи данных в десятки терабит в секунду, требует использование памяти буферов сопоставимой скорости. В то же время, повсеместно используемая память типа DRAM не обеспечивает необходимой скорости. Помимо скорости, встает вопрос о контроле передаваемой информации и обработке ошибок «на лету», т.е. встраивание процессорных модулей непосредственно в память.
2. Сравнение типов памяти SRAM и DRAM
Что же представляют собой элементы памяти SRAM и DRAM? Оба типа предоставляют произвольный доступ к памяти, но из-за фундаментальных физических различий в устройстве имеют различные характеристики. Так, SRAM # полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью[1]. Ячейка такого типа памяти представляет собой триггер (см. рис. 1). Такой вид памяти использовался в первых компьютерах. Преимуществами SRAM являются высокая скорость работы и простота устройства – для нее не требуются контроллеры. Кроме того, отсутствие контроллеров обуславливает низкое энергопотребление.
Рисунок 1 Схема хранения одного бита для простейшей SRAM [1]
DRAM # полупроводниковая оперативная память, в которой каждый разряд хранится в виде заряда на конденсаторе (см. рис. 2). Преимущество этого типа памяти в высокой плотности информации – на один бит информации требуется всего один транзистор и конденсатор. Недостатком является необходимость регенерации заряда на конденсаторе, и, следовательно, наличие специальных контроллеров. Кроме того, на высоких частотах сопротивление конденсатора уменьшается, что увеличивает утечки заряда. Вследствие этого DRAM работает на частотах порядка 800 МГц.
Рисунок 2 Схема хранения одного бита в DRAM памяти [2]
Этими различиями обусловлено применение этих типов памяти. DRAM память повсеместно применяется в качестве оперативной памяти большого объема. SRAM память используется как быстрая оперативная память – например, в качестве кэша ядра процессора.
Рисунок 3 Процентное соотношение типов производимой памяти
Как видно из рис. 3, наибольший процент производимых микросхем RAM памяти приходится на динамический тип. Связано это с дешевизной одного бита памяти DRAM и возможность на небольшом кристалле получать память большого объема.
3. Использование DRAM и SRAM памяти в сетевом оборудовании
Сетевое оборудование – это устройства, необходимые для обеспечения работы компьютерной сети. Оно разделяется на активное СО и пассивное. Пассивное СО – такое СО, которое не получает дополнительного внешнего питания, например, витая пара. К активному СО относят сетевые адаптеры, репитеры, концентраторы, коммутаторы и т.д. С точки зрения применения памяти интересен только этот тип СО, и в дальнейшем под сетевым оборудованием понимается активное СО.
Несмотря на разнообразии различного СО, существует много общих элементов. Так, любое СО содержит внешние интерфейсы для коммутации с сетью, причем входной и выходной интерфейсы могут различаться (трансивер). Более сложные устройства, осуществляющие некую обработку данных (например, пересыл данных с определенным MAC-адресом на нужный порт), содержат вычислительные устройства и оперативную память разных типов. К этой памяти предъявляются требования высокого быстродействия с одновременным обеспечением надежности передаваемых данных. Кроме того, в сетях с высокой плотностью данных, например, при передаче потокового видео высокого разрешения, требуется обеспечить достаточный объем памяти DRAM или SRAM.
Как уже отмечалось выше, что основное достоинство типа памяти SRAM это скорость. Именно поэтому такую память применяют в сетевом оборудовании.
Рассмотрим такое типичное устройство СО, как устройство сетевой адаптер (сетевая карта, см. рис. 4). На сетевой карте расположены: контроллер MAC-адресов (в данном случае он выполнен в виде модуля FPGA, но может быть микроконтроллер), модули оперативной памяти DRAM, буферная память SRAM, постоянная память, на которой записана прошивка карты и идентификатор NIC, и различные контроллеры интерфейсов, как физических для связи с сетью, так и для передачи данных на компьютер.
Рисунок 4 Устройство сетевой карты DSPACE (Digital Signal Processor for Space Applications) [4]
Сетевая карта должна принять информацию, пересылаемую компьютером, наладить связь с сетевой картой принимающего компьютера, произвести перевод данных из параллельного формата передачи по шине в последовательный формат передачи по кабелю, и, наконец, направить эту информацию на трансивер [5]. Информация с компьютера и сети поступает гораздо быстрее, чем карта успеет ее обработать. Блоки памяти DRAM и SRAM используются в качестве буферов для устранения этой проблемы. Информацию буферизуется как при передаче, так и при приеме. При этом DRAM память используется как буфер большого объема, SRAM используется в качестве быстрого буфера информации непосредственно при приеме или передаче информации. При специальном режиме DMA компьютер имеет возможность записывать информацию в память непосредственно с буферов карты. Также, иногда для ускорения работы сетевого адаптера компьютер использует оперативную память адаптера так же, как и свою собственную [5].
Кроме того, если в используемом сетевом оборудовании имеется управляющее устройство на основе микропроцессора или микроконтроллера, то его кэш-память, разумеется, тоже имеют тип SRAM.
4. Некоторые используемые виды DRAM
Помимо стандартной асинхронной DRAM, использующей несколько (обычно 12) адресных входов и от одного до четырех порта данных, существует множество других типов, со специфическими характеристиками или сферой применения. На рис. 5 изображены некоторые виды динамической RAM с указанием их особенностей.
Рисунок 5 Различные виды памяти типа динамической RAM с указанием соответствующих им векторов развития [8]
Высокоскоростные DRAM [8]:
- EDO (Extended Data Out) – скорость передачи данных увеличена за счет добавления дополнительного этапа конвейера в выходной буфер памяти при сохранении асинхронного доступа. Максимальная скорость составляет 4 Мбит/с. Также существует следующее поколение памяти этого типа, Burst EDO DRAM. В этом случае память может за один импульс обрабатывать до 4 адресов, дополнительно ускоряя скорость передачи данных [9].
- SDRAM (Synchronous DRAM) – данные имеют синхронный доступ, а увеличение скорости передачи достигается использованием конвейера данных или одновременной предварительной выборкой нескольких битов. Макс. скорость 16 Мбит/с. Для этой памяти также используют метод DDR (Double Data Rate). Удвоение скорости передачи достигается тем, что для обработки данных использую не только фронт тактового сигнала, но и спад. В последующих версиях DDR2, DDR3 и DDR4 была удвоена частота работы шины данных (DDR2), увеличен размер предподкачки до 8 бит (DDR3) и удвоено число банков (DDR4) [9].
Некоторые виды памяти позволяют увеличить скорость произвольного доступа за счет разделения модуля DRAM на несколько независимых банков или встраивания модулей памяти SRAM. Так, EDRAM(Enhanced DRAM) и CDRAM (cached DRAM) используют соответственно распределенный и локализованный SRAM кэш. MDRAM (Multibank DRAM) напротив, использует распределенный DRAM кэш.
- Rambus DRAM использует пакетный интерфейс памяти. Используется там, где не требуется высокая детализация памяти, но требуется высокая пропускная способность. Поэтому, несмотря на высокую скорость (до 500 Мб/с), в СО не применяется.
DRAM с расширенными функциональными возможностями [8]:
- VRAM (Video RAM) – память, созданная для обработки видео.
- WRAM (Window RAM) создана для ускорения обработки графики. В отличие от VRAM, в которой дополнительные регистры располагаются рядом с усилителями считывания, здесь они расположены вне массива памяти.
- 3DRAM функционально похожа на WRAM, но заточена специально для обработки 3D-графики. Имеет встроенное АЛУ для расчета прозрачности или глубины пикселей. Также существует память SGRAM (Synchronous Graphics RAM) для обработки графики, но она отличается тем, что имеет только один порт – порт данных [9]. Используется в видеокартах.
DRAM может совмещать память и логику. Чаще всего это используется для встроенных графических процессоров. Существует два основных подхода: 1) DRAM память располагается на одной плате с ASIC ИМС; 2) логика располагается на одной микросхеме с памятью. Преимущество единой микросхемы в скорости работы и компактности. Преимущество размещения на плате – простота и дешевизна устройства.
- IRAM (Intelligent RAM) – память, совмещенная с процессором. Такая память обеспечивает высокую пропускную способность с предсказуемым результат и минимальными задержками. В силу этого, такая память имеет перспективы применения в СО.
- PPRAM (Parallel Processing RAM) содержит 256 мегабитную DDR память и четыре вычислительных устройства, каждый из которых состоит из RISC-процессора, 8 Мб DRAM оперативной памяти и SRAM кэш на 24 Кб.
Для использования в сетевом оборудовании требуется динамическая память с минимальными задержками и вероятностью ошибок. С этой точки зрения интересны также следующие виды памяти [9]:
- PSRAM (Pseudo Static RAM) – это динамическая память, содержащая схемы автоматической регенерации заряда, что позволяет ей функционировать как статическая. Такой вид памяти используется и в носимых устройствах, например в Apple iPhone.
- 1T DRAM – этот вид памяти не использует конденсатор для хранения бита. Заряд сохраняется на паразитной емкости подложки в технологии «кремний на изоляторе». Чтение при этом неразрущающее, но регенерация все равно требуется.
- RLDRAM (Reduced Latency DRAM) – это паять со сниженной задержкой. Эта память разработана специально для применения в сетевом оборудовании, а также в качестве кэша L3. В стандарте памяти RLDRAM II используется 8 банков вместо 4, что означает большую вероятность того, что ряд, к которому происходит обращение, будет открыт. Кроме того, RLDRAM имеет схожий с SRAM памятью интерфейс, что делает его удобным для применения в качестве, например, буферной памяти в СО.
Помимо вышеупомянутых трех видов DRAM памяти в сетевом оборудовании широко применяется асинхронная память, благодаря своей дешевизне и распространенности, но в основном в качестве оперативной памяти вычислительных блоков. Синхронную динамическую память применяют в качестве буферов СО из-за высокой скорости передачи данных. DRAM со специальными функциональными возможностями не применяется по очевидным причинам.
5. Регенерация и автоматическая коррекция ошибок в DRAM
Практически любой тип DRAM памяти обладает существенным недостатком # любое чтение является разрушающим, то есть сразу после обращения к ячейке информацию нужно снова записать в ту же ячейку. Другой общей проблемой является необходимость постоянной регенерации памяти. Это связано с тем, что данные в памяти хранятся в виде заряда конденсатора малой емкости (~10 пФ). Подпороговые токи МОП-транзистора, утечки через подложку, уменьшение импеданса конденсатора с повышением частоты — все это приводит к утечки заряда. Поэтому для DRAM памяти создаются специальные контроллеры, которые перезаписывают биты каждые 8-64 мс.
В сетевом оборудовании такой контроллер устанавливается на плате СО или центральном процессоре, а может размещаться на одном кристалле с памятью. Преимущество первого метода — дешевизна, а преимущество второго — компактность и более высокая скорость работы. Причем скорость имеет первостепенное значение, так как в процессе регенерации обращение к памяти невозможно, что может влиять на производительность памяти.
Помимо необходимости перезаряжать конденсатор каждые несколько миллисекунд, существует проблема возникновения ошибок в записанных данных. Магнитные или электрические поля в компьютере могут вызывать переключения бита данных в памяти. Причиной также может быть ионизирующее излучение, причем не только в космосе, но и на Земле. Чтобы бороться с этим, используется несколько методов: использование специальных кодов, например, проверки четности, применение специальных устройств поиска и исправления ошибок (ECC # Error Correction Code) и резервирование битов [9].
- При резервировании памяти, один бит данных хранится не на одном транзисторе с конденсатором (см. Рис. 2), а на нескольких таких схемах, включенных параллельно. В этом случае, даже если один из транзисторов переключится, данные на других не изменятся и бит будет сохранен. Такой способ, однако увеличивает размер кристалла. Аналогичный способ резервирования используется и для статической памяти.
- Код проверки четности использует несколько бит в слове (в простейшем случае один) для хранения четности суммы битов сохраненных данных. При чтении проверяется четность данных, и если это значение не совпадает с сохраненным при записи, данные признаются неверными. Такой способ, однако не осуществляет коррекцию.
- ECC memory — это вид памяти DRAM, оснащенный функцией поиска и исправления ошибок. Чаще всего для этого используется код Хэмминга, позволяющий обнаружить ошибки в двух битах, и исправить в одном. Многие современные модули памяти автоматически исправляют однобитовые ошибки.
Код Хэмминга — это такой способ шифрования двоичных данных, который позволяет обнаруживать и исправлять ошибки в словах. Сразу стоит сказать, что Код Хэмминга состоит из двух частей. Первая часть кодирует исходное сообщение, вставляя в него в определённых местах контрольные биты (вычисленные особым образом). Вторая часть получает входящее сообщение и заново вычисляет контрольные биты (по тому же алгоритму, что и первая часть). Контрольные биты устанавливаются в позициях, номера которых равны степеням двойки. Если все вновь вычисленные контрольные биты совпадают с полученными, то сообщение получено без ошибок. В противном случае, выводится сообщение об ошибке и при возможности ошибка исправляется.
6. Некоторые используемые виды SRAM
- Синхронная SRAM – этот тип памяти осуществляет запись и считывание только по тактовому сигналу. В условиях высокоскоростной передачи данных не используется, так скорость обработки в этом случае ограничена тактовой частотой.
- Асинхронная SRAM – запись и считывание контролируется поступающими данными (т.е. все действия осуществляются по фронту сигнала данных). Широко используется в сетевом оборудовании и обеспечивает время доступа к памяти несколько наносекунд.
- nvSRAM (от англ. Non-volatile Static RAM) – разновидность энергонезависимой памяти с произвольным доступом. Наиболее распространен такой тип памяти, когда обычная SRAM память совмещена с энергонезависимой, например, FLASH. В случае nvSRAM данные могут сохраняться в энергонезависимую память автоматически, а могут по команде встроенного контроллера или пользователя. Такие элементы памяти могут использоваться в различных полевых условиях и при возможных перебоях питания – передаваемая информация, таким образом, не будет утрачена. Все это позволяет использовать такие элементы для военной и космической связи. Однако у nvRAM есть недостаток – минимально достижимое время обращения составляет около 25 нс [6].
7. Принцип работы чтения и записи данных на примере SRAM памяти
Рассмотрим процесс приема данных на примере микросхемы 225A833 – радиационно стойкой SRAM памяти объемом 128K 32 битных слов от компании BAE Sytems. Ее функциональная схема показана на рис. 6.
Рисунок 6 Функциональная схема SRAM памяти 225A833. Здесь A0-16 – адресные входы, DQ0-31 – входы/выходы данных, S̅1-S̅4 – инвертированные сигналы переключения между обращением к памяти или хранением, W̅ # инвертированный флаг разрешения записи, G̅ # инвертированный флаг разрешения выхода [7]
Временная диаграмма приема данных приведена на рис. 7. Чтение производится при низком уровне сигналов S̅1-4 и G̅. Сначала переключаются сигналы S̅1-4 практически без задержки (tAVQV-tSLQV = 25-25 = 0 нс). Здесь tAVQV – задержка доступа к адресу, tSLQV – задержка выбора чипа. Затем также без задержки переключается сигнал разрешения выхода (tSLQX = tGLQX = 0 нс, где tSLQX – время подготовки чипа к чтению, tGLQX – время подготовки выходного контакта). Основной вклад в задержку чтения данных вносит подготовка выходного буфера к передаче данных tGLQV = 12 нс. При прекращении чтения данных аналогичные процессы происходят в обратной последовательности. Основной вклад в задержку в завершение чтения данных теперь вносит поцес переключения чипа в режим хранения (tSHQZ = 12 нс). Суммарная задержка tзrd таким образом составляет примерно 24 нс [6].
Рисунок 7 Временная диаграмма чтения данных из памяти для микросхемы 225А833 [7]
Аналогичный процесс обращения к памяти происходит и при записи данных, с тем отличием, что флагом разрешения записи является сигнал W̅. Суммарная задержка tзwr в этом случае примерно 31 нс. Среднее время задержки t̅з = 27,5 нс [7].
8. Перспективы развития DRAM памяти
Динамическая память с произвольным доступом применяется сегодня в цифровой технике повсеместно. В основном это отдельные модули для применения в качестве оперативной памяти. И потребность в новых видах DRAM памяти не убывает со временем. Напротив, мощные вычислительные системы требует память все большего объема, повышенную надежность и производительность.
Поэтому ясно, что дальнейшее развитие DRAM будет идти в основном по уже заданным векторам – повышения объема, быстродействия и надежности, а также специализации памяти на определенных сферах техники. Но есть и необычные направления, такие как совмещение DRAM и SRAM типов памяти на одном кристалле для предотвращения потери данных вследствие разряда конденсатора, создание новых перспективных технологий изготовления DRAM памяти, а также интеллектуализация памяти.
Но смогут ли модули памяти IRAM и PPRAM полностью вытеснить «обычную» память? Можно точно сказать, что нет. Наличие вычислительных устройств на одном кристалле с памятью усложняет технологический процесс изготовления памяти и, как следствие, стоимость. Многие же применения выбирают DRAM память именно из-за дешевизны одного бита. Кроме того, далеко не всегда требуется повышенная точность или надежность памяти, тем более что современные образцы DRAM обеспечивают приемлемые характеристики.
9. Перспективы развития SRAM памяти
Современное применение SRAM памяти ограничено кэш-памятью процессоров и различным сетевым оборудованием. Фактически, SRAM память стала нишевым продуктом для сетевого применения, особенно модули памяти, выполненные в виде отдельной микросхемы. Сети – это то направление, в котором SRAM память продолжает преуспевать, так как интернет-трафик растет экспоненциально, и требуется соответствующие улучшения сетевой инфраструктуры [2]. Крупнейшие компании, специализирующиеся на производстве модулей SRAM памяти, такие как Cypress, использую передовые технологии для разработки памяти для сетевого оборудования (например, Cypress QDR-IV). С появлением сетей новых поколений со все большой пропускной способностью индустрия потребуется память с большей скоростью и одновременно объемом.
Еще одним необычным применением SRAM памяти, на этот раз в виде интегральной схемы, можно назвать Network-on-Chip. NoC – это такая система обмена данных между элементами СНК, которая по своей структуре повторяет локальную сеть [2]. SRAM память в этом случае играет роль буфера, также, как это происходит в сетевых картах или маршрутизаторах.
Заключение
В ходе выполнения этой работы были изучены устройство, физические и функциональные принципы работы статической и динамической памяти с произвольным доступом. Сделан обзор современных перспективных направлений применений модулей памяти SRAM и DRAM в сетевом оборудовании. Подводя итоги, можно смело утверждать, что энергозависимые элементв памяти, несмотря на все свои недостатки, будут и в дальнейшем использоваться повсеместно, в том числе и в сетевом оборудовании. А возможно именно сетевое оборудование задаст необходимый темп и направление развития этого вида памяти.
Литература
1. SRAM (память) // Википедия. [2012—2014]. Дата обновления: 15.01.2014. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/SRAM_(память) (дата обращения: 28.09.2014)
2. T. C. Xu, P. Liljeberg, H. Tenhunen. Exploring DRAM Last Level Cache for 3D Network-on-Chip Architecture // ICESM 2010
3. G. Hilson. Niche SRAM Sees Steady Demand From Network Gear. URL: http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1321920 (дата обращения: 28.09.2014)
4. S. Saponara et al., Next-generation digital signal processor for European space applications // SPIE Newsroom, 2013. URL: http://spie.org/x92891.xml (дата обращения: 28.09.2014)
5. C.Y. Hsieh. The Network Interface Card // Introduction to Computer Networks, online course. URL: http://pluto.ksi.edu/~cyh/cis370/ebook/ch02c.htm (дата обращения: 28.09.2014)
6.NvSRAM // Wikipedia, The Free Encyclopedia [2008-2013] Дата обновления: 21.06.2013. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/NvSRAM (дата обращения: 28.09.2014)
7. Reference manual. 225A833 128K x 32Radiation Hardened Static RAM MCM– 5 V. BAE Systems, 2001
8. Katayama Y., Trends in Semiconducter Memory // IEEE Micro. – 1997, November-December, pp. 1—17. URL: http://web.engr.oregonstate.edu/~benl/Courses/ece570_papers/DRAM.pdf (дата обращения: 2.10.2014)
9. DRAM // Википедия. [2008—2014]. Дата обновления: 20.03.2014. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/DRAM (дата обращения: 2.10.2014) |
