Addio DDR, Benvenuta Memoria Seriale!

Nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. La DDR4 è l’ultima delle più diffuse linee di memorie DDR, usate praticamente da chiunque. Tuttavia, diverse soluzioni alternative si stanno affacciando sul mercato e sono in competizione per aggiudicarsene una parte sempre più rilevante. Nell’articolo si affronta esaustivamente questo particolare momento di svolta tecnica e commerciale.

Introduzione

Un cambiamento epocale sta scuotendo il panorama delle memorie. La causa di questa evoluzione è il fatto che la disponibilità della linea di memorie DDR, incredibilmente popolari, una linea di memorie temporanee di fondamentale importanza usata in pratica da chiunque, cesserà con la versione DDR4. Questo non deve essere causa di panico, le memorie DDR3 si collocano facilmente sulla maggior parte delle schede di sistema e i dispositivi DDR4, malgrado si stiano diffondendo lentamente, sostituiranno alcuni dei suddetti dispositivi e serviranno il mercato ancora per molti anni a venire. Inoltre, il fatto di sapere che la linea DDR4 non avrà un successore naturale, spinge i clienti a tenere d’occhio la prossima classe di memorie ed a meditare su compromessi in merito alla banda passante, alla capacità o alla riduzione dei consumi. Il successore più probabile è la memoria LPDDR3/4, con alcuni spazi applicativi che preferiscono le soluzioni DRAM seriali come le memorie HMC (Hybrid Memory Cube). Per comprendere meglio questi cambiamenti importanti nel panorama delle memorie, consideriamo innanzitutto le tendenze di mercato che stanno interessando tali dispositivi e le limitazioni che stanno imponendo la fine dell’impero delle DDR. In seguito, analizzeremo la nuova classe di alternative alla memoria DDR, dalle LPDDR alle memorie seriali, un nuovo concetto riguardo al quale i progettisti vorranno restare informati.

Figura 1 – Questo diagramma circolare mostra l’utilizzo di memoria da parte dei clienti di Xilinx, misurato nel 2013 attraverso l’interfaccia utente GUI Vivado Memory Interface Generator (MIG)

Figura 1: Questo diagramma circolare mostra l’utilizzo di memoria da parte dei clienti di Xilinx, misurato nel 2013 attraverso l’interfaccia utente GUI Vivado Memory Interface Generator (MIG)

LE TENDENZE DI UN MERCATO IN EVOLUZIONE

Generalmente, quando i clienti progettano per la prossima generazione di prodotti, considerano la generazione successiva di memoria allo scopo di fornire più capacità, più velocità e più resa. Sotto questo aspetto, la Figura 2 mostra le tendenze del mercato delle DRAM attuali e in proiezione. La DDR3 detiene oggi circa il 70 per cento del mercato complessivo delle DRAM. La sua affermazione, fino al predominio del mercato, è stata assicurata dalla crescita rapidissima, del 40 per cento, registrata tra il 2009 e il 2010. L’adozione della classe di memorie DDR4 è stata più lenta, in parte a causa delle incursioni della DRAM mobile, nota anche come LPDDR. La DDR4 semplicemente non può aggiudicarsi molte applicazioni se la LPDDR soddisfa le necessità del mercato wireless. Considerando il grafico di Figura 2, la linea DDR4 sta prendendo piede, a dire il vero, perché offre dei vantaggi: nello specifico, una tensione di alimentazione più bassa, che riduce i consumi di potenza, e una velocità superiore. Di conseguenza, alla fine prenderà il posto della DDR3 pressoché in ogni mercato, trainata in ultima analisi dal mondo dei PC. Malgrado il fatto che i PC non determinino più una percentuale di consumo delle DRAM superiore al 70 per cento, essi rappresentano ancora il più grande segmento di mercato dei dispositivi di largo consumo. Per il momento, a detta dei produttori di memorie, l’utilizzo delle DDR4 è localizzato più sul lato server che nei segmenti di mercato legati all’elettronica personale. Inoltre, la DDR4 costituisce una scelta eccellente per molti progetti. È un tipo di memoria ben conosciuto e sarà disponibile per un periodo di tempo molto lungo, in particolare perché non esiste un successore.

Figura 2 – Le tendenze di mercato relative alle memorie DRAM mostrano importanti successi per la tecnologia LPDDR (DRAM Mobile)

Figura 2: Le tendenze di mercato relative alle memorie DRAM mostrano importanti successi per la tecnologia LPDDR (DRAM Mobile)

PERCHÉ DDR4 È L’ULTIMA MEMORIA DDR?

Quindi, perché non c’è una memoria DDR5? Quando i clienti finali desiderano un nuovo dispositivo, vogliono più memoria. I consumatori impongono al mercato una domanda insaziabile di quantità di memoria. I lettori MP3 devono poter contenere 10.000 canzoni rispetto al paio di dozzine di canzoni che potevano essere contenute in un’audiocassetta a nastro. Lo stesso vale riguardo al numero di immagini o di video che gli smartphone devono poter contenere. Tali prospettive significano tipicamente più componenti e più spazio su scheda. Ironia della sorte, i consumatori non sempre accettano che i propri dispositivi elettronici crescano fino a dimensioni proporzionali alle loro capacità o prestazioni. Ci si aspetta che la tecnologia migliori, quindi dovrebbero starci più contenuti e più prestazioni nello stesso spazio, o magari anche in meno spazio. Quando la memoria è usata con un FPGA Xilinx®, esistono linee guida specifiche su come disporre la scheda per assicurare un margine adeguato ed il corretto funzionamento nel complesso.

Gli esempi includono le lunghezze delle tracce, i resistori di terminazione e gli strati per l’instradamento dei segnali. Queste regole limitano la misura con cui il progetto può essere compattato, o la distanza minima alla quale è possibile posizionare i componenti. L’alternativa al più piccolo progetto di scheda possibile sarebbe qualche tipo di contenitore avanzato. Purtroppo, una nuova tecnica di incapsulamento che includesse l’impilamento dei die con passaggi attraverso il silicio (TSV) si tradurrebbe in significativi costi aggiuntivi. La memoria DDR non è un dispositivo ad alto costo semplicemente in base alle economie di scala dell’infrastruttura industriale e non sarebbe in grado di adottare un contenitore radicalmente diverso o assorbire un prezzo di vendita maggiore. Di conseguenza, questi miglioramenti non saranno verosimilmente di aiuto per i sistemi DDR3 o DDR4 nel prossimo futuro.

I consumatori vogliono inoltre più velocità. Far girare un sistema ad una velocità superiore ha implicazioni sul progetto della scheda. La DDR è una memoria caratterizzata da un segnale a singola alimentazione che necessita di un’opportuna terminazione. Maggiore è la velocità operativa del sistema, più vicine devono essere le tracce che vanno dalla memoria all’FPGA, allo scopo di assicurare un funzionamento corretto. Questo significa che i dispositivi stessi devono essere posizionati in stretta prossimità dell’FPGA. La distanza ridotta dall’FPGA limiterà il numero di dispositivi di memoria che potrete usare all’interno del progetto. Molti progetti basati su memoria DDR4 si avvicineranno al proprio limite, concentrando il massimo numero possibile di dispositivi di memoria attorno all’FPGA stessa. Se volete più memoria, avete bisogno di più dispositivi. Se volete andare più veloci, dovete ridurre il più possibile le distanze fra i componenti. Esiste un limite sul numero massimo di dispositivi di memoria che potete concentrare in uno spazio limitato. Qualsiasi miglioramento in un’eventuale generazione DDR5 ridurrebbe l’area disponibile per i dispositivi di memoria, riducendo così la capacità disponibile.

QUALE SARÀ IL SOSTITUTO DELLE MEMORIE DDR3?

Le DDR4 sostituiranno completamente le memorie DDR3? Probabilmente non in tutti i casi. Le tendenze mostrano che il mercato dei server sta adottando le memorie DDR4, mentre il costo inferiore delle DDR3 continua per il momento a rendere queste ultime l’opzione prevalente nel segmento dei personal computer. Non vi è dubbio che l’appetito dei consumatori per più velocità e per una maggiore capacità di memoria continuerà a crescere e, alla fine, i PC migreranno verso le DDR4. Se non c’è la DDR5, allora quali altre opzioni sono disponibili? La scelta più probabile per sostituire le serie DDR3 e DDR4 è la LPDDR4. Il prefisso LP sta per “low power”. La DDR4 a basso consumo è in effetti un tipo di memoria a doppia velocità dati che è stata ottimizzata per il mercato wireless. I vantaggi della LPDDR sono il fatto di essere diffusa, di essere ben conosciuta, di avere specifiche ben definite e di essere disponibile.

L’ottimizzazione a basso consumo rende la memoria LPDDR4 solo leggermente più costosa rispetto ad una DDR, pur usando gli stessi pin di I/O della DDR. Questo è il motivo della facilità di migrazione, perché la LPDDR4 opera nello stesso intervallo di frequenze della DDR. Tuttavia, il compromesso più grande riguarda la sua durata utile. Dato che il mercato wireless sostituisce i propri prodotti ogni sei-nove mesi, anche le memorie LPDDR subiscono un’evoluzione rapida. Se un’azienda di grandi dimensioni vende prodotti per 10 fino a 15 anni, è difficile incorporare una memoria che cambia ogni sei-nove mesi. Eventualmente un produttore potrebbe garantire la fornitura di una versione di tali dispositivi per una specifica azienda per 10 fino a 15 anni dietro ad un accordo speciale. Attualmente un simile modello di business non esiste e sarebbero necessari degli accordi speciali. Naturalmente, questi accordi potrebbero includere il mantenimento di un flusso di processo, uno sforzo costoso che potrebbe essere giustificato solo per le opportunità più grandi.

SE NON LPDDR, ALLORA QUALE?

Oltre alla LPDDR, esistono altre opzioni di memoria che si candidano per essere la prossima memoria d’elezione. La memoria seriale sta emergendo come una valida alternativa e costituisce un modo completamente diverso di considerare lo spazio delle memorie (Figura 3).

Figura 3 – I progettisti devono considerare i compromessi necessari per usare una LPDDR4 piuttosto che una memoria seriale come la HMC.

Figura 3: I progettisti devono considerare i compromessi necessari per usare una LPDDR4 piuttosto che una memoria seriale come la HMC

All’aumentare delle prestazioni di un FPGA, la memoria rappresenta l’ultima frontiera, l’ultima sezione del sistema a diventare seriale. La ragione di ciò è la latenza. Il tempo necessario per convertire i dati da un flusso parallelo da un segnale seriale, inviarli attraverso la connessione seriale e quindi riconvertirli da un formato seriale ad uno parallelo, è sempre troppo. Ora, i compromessi legati all’uso di una connessione seriale sono tollerabili in alcune applicazioni (come ad esempio quelle in cui sono richieste più scritture e poche letture, come un sistema di test e misura per uno scanner CT o per un gruppo di telescopi che esaminano il cielo). D’altra parte, se la misura della qualità consiste nello scrivere dati e nel leggere immediatamente quegli stessi dati, allora la memoria seriale non funzionerà altrettanto bene della memoria parallela in alcun modo. Tuttavia, se la misura di una buona memoria è la sua larghezza di banda, per archiviare un grande numero di video o per inviare grandi quantità di informazioni su Internet, allora la memoria seriale può essere allettante.

A parte la latenza, gli stessi compromessi da effettuare meritano un’attenta analisi. Il tempo di vita non è un problema; questi prodotti saranno fabbricati fintanto che risulteranno appetibili sul mercato, se confrontati con la disponibilità più limitata nel tempo della memoria LPDDR. Infatti, se crescerà la domanda di memorie seriali, più produttori verosimilmente faranno ingresso sul mercato. Anziché usare pin di I/O, la memoria seriale si avvale della tecnologia serdes. Negli FPGA, è possibile usare l’interfacciamento seriale (transceiver) per operare a velocità superiori. Più recentemente, a seguito dell’esigenza di ridurre la latenza, i produttori hanno affrontato anche tali criticità per le prestazioni. Questa tecnologia seriale ben sviluppata può supportare velocità di trasmissione dati molto alte, pari a 15 Gbit al secondo. La prossima generazione (nel caso delle memorie HMC) dovrebbe raggiungere i 30 Gbps. La gente ama le “novità”, ma allo stesso tempo è spaventata da ciò di cui non ha familiarità. D’altro canto, la novità si porta dietro volumi di produzione limitati e prezzi iniziali più alti.

LE MEMORIE HMC (HYBRID MEMORY CUBE)

Il candidato più accreditato per sostituire le DRAM DDR, la memoria HMC (Hybrid Memory Cube), è promossa dal consorzio HMC, capeggiato da Micron (si veda la Figura 4).

Figura 4 – L’Hybrid Memory Cube è basata su una struttura a fori di via attraverso il silicio (TSV)

Figura 4: L’Hybrid Memory Cube è basata su una struttura a fori di via attraverso il silicio (TSV)

I sostenitori hanno svolto un lavoro encomiabile nel pubblicizzare la tecnologia HMC. La gente ha persino iniziato ad usare l’acronimo per significare “memoria seriale” in generale. Tuttavia, nei fatti, la HMC è solo un tipo di memoria seriale. Oltre all’HMC, il Mosys sta sviluppando il proprio Bandwidth Engine, una sorta di SRAM seriale, e Broadcom offre una gamma di TCAM con interfaccia seriale. All’altro estremo dello spettro futuro, Samsung e SK Hynix promuovono la memoria HBM (High-Bandwidth Memory) che è una pila di DRAM basata sulla tecnologia TSV con un’interfaccia parallela molto ampia. Questa opzione potrebbe sembrare a rischio più basso, dato che usa un’interfaccia parallela. A questo punto, tuttavia, HMC rappresenta il candidato più forte per aggiudicarsi quote di mercato dalle memorie DDR3 e DDR4.

Una memoria HMC presenta da quattro a otto strati di DRAM connessi assieme con la tecnologia TSV in cima ad uno strato logico per realizzare il contenitore 2G o 4G. Quest’ultimo crea un’interfaccia dedicata. Potete connettere in cascata fino a otto dispositivi, se avete bisogno di più capacità. Consente un accesso a 256 bit ed una resa enorme se si considera la capacità di supportare da una a quattro connessioni (in passi di mezza linea). Ciascuna connessione comprende 16 rtx (otto per mezza linea) tutti in grado di gestire 15 Gbps. Si tratta di una quantità straordinaria di banda passante, mai stata disponibile in precedenza per i progettisti di memorie. Per osservare il miglioramento in termini di banda rispetto alla soluzione DDR, si veda la Tabella 1, che presenta tre progetti. Ciascuno dei tre (DDR3, DDR4 e HMC) è dimensionato per supportare 60 Gbps. Notate che il numero di pin è ridotto nella soluzione HMC di almeno un fattore otto, diminuendo considerevolmente la complessità della scheda e l’instradamento dei segnali (illustrati in Figura 5).

Figura 5 – Modello di un progetto di tipo 2x100GE con una DDR3 sulla sinistra ed una HMC sulla destra. La riduzione dello spazio su scheda e la semplificazione nell’instradamento dei segnali sono molto interessanti

Figura 5: Modello di un progetto di tipo 2x100GE con una DDR3 sulla sinistra ed una HMC sulla destra. La riduzione dello spazio su scheda e la semplificazione nell’instradamento dei segnali sono molto interessanti

La larghezza di banda elevata della linea serdes consente di alloggiare un numero inferiore di dispositivi; uno, nel caso osservato. Questo dispositivo singolo e un FPGA assicurano una riduzione di spazio di circa un fattore 20. Infine, la soluzione HMC consuma un terzo della potenza richiesta per ciascun bit. Questi sono numeri interessanti che inducono gli osservatori a ipotizzare che le memorie HMC cattureranno una porzione del mercato in precedenza riservato alle DDR4.

Tabella 1 – Confronto fra le risorse richieste in tre tipi di memoria per supportare 60 Gbps

Tabella 1: Confronto fra le risorse richieste in tre tipi di memoria per supportare 60 Gbps

ALTRE MEMORIE SERIALI

Dato che le espressioni “HMC” e “memoria seriale” sono spesso usate scambiandole erroneamente e talvolta persino usate per rappresentare qualsiasi nuovo tipo di memoria a larga banda, è utile esplorare alcune delle altre memorie emergenti che si stanno affacciando sul mercato. I tre principali candidati in questa categoria sono Bandwidth Engine di Mosys, TCAM di Broadcom e HBM promossa da Samsung, SK Hynix e Intel. Bandwidth Engine (BE2) di Mosys è simile ad una SRAM seriale, non ad una DRAM seriale, ed usa dei transceiver per raggiungere 16 Gbps. Tuttavia, BE2 non è un sostituto verosimile per la DDR. Per contro, con il suo accesso a 72 bit e la latenza più ridotta, la tecnologia si candida per la sostituzione delle QDR o delle RLDRAM.

L’applicazione sarebbe la memorizzazione delle intestazioni dei pacchetti o la realizzazione di una tabella dati al posto di una memoria temporanea per i pacchetti, come nel caso della DDR. TCAM sta per memoria terziaria indirizzabile per contenuto. Questa memoria speciale ad alta velocità effettua ampie ricerche di corrispondenze di schemi di dati che si trovano in router e in interruttori ad alte prestazioni. Le prestazioni spinte si ottengono al prezzo di costi, consumi e produzione di calore. Oltre ad essere ad alta velocità, la TCAM è parallela per natura, non usa serdes per raggiungere tali velocità. Tuttavia, Broadcom offre versioni seriali di tale memoria. In questo modo i vantaggi che si trovano nelle memorie seriali, caratterizzate da un numero di pin ridotto e da velocità elevate, possono ancora essere associate ad una soluzione TCAM. Il terzo tipo di memoria è la HBM. Non fatevi ingannare dagli occasionali dibattiti fra le tecnologie HMC e HBM. Quello di cui la gente non si accorge è che non potete acquistare un dispositivo HBM.

Se volete adottare una soluzione HBM, in sostanza acquistate un die da, ad esempio, SK Hynix, e dovete montare quel die all’interno del vostro contenitore su uno strato intermedio, oppure su un substrato di silicio. Per consentire la realizzazione di questa memoria parallela a banda larga, le connessioni fra il vostro dispositivo e la memoria dovrebbero essere incluse nel progetto dello strato intermedio. Affinché questo tipo di memoria prenda piede sul mercato, le aziende dovranno decidere che cosa vogliono condividere in termini di segreti commerciali (progetto dello strato intermedio, altezze, interfacce, tolleranze, etc.). Lavorare di concerto su tali dettagli sarebbe possibile, ma sinora non è accaduto. D’altra parte, la latenza di una memoria HBM sarà ridotta. Questo perché gli elettroni percorreranno distanze ridicolmente brevi, dal momento che si trovano all’interno del contenitore. È un’idea fantastica, ma appartiene ancora al futuro.

VERSO LA PRODUZIONE

Il successo per alcune o per tutte queste soluzioni garantirà che ulteriori fornitori si aggiungeranno a questi pionieri per servire il mercato. L’unica opzione che è attualmente in produzione è la Bandwidth Engine di Mosys, BE2. La memoria HMC è disponibile per campionature, e sarà in piena produzione entro la fine dell’anno. La LPDDR4 è disponibile in campioni dalla seconda metà dell’anno in corso. La HBM non è disponibile come un dispositivo singolo, sebbene si parli della possibilità di serializzare la HBM all’interno del suo stesso contenitore. Se volete acquistare un die ed integrare una HBM all’interno del vostro package, potete sempre rivolgervi a Samsung o Hynix o ad altri produttori di dimensioni inferiori, i cui clienti stanno facendo la stessa cosa proprio ora.

Il messaggio comunicato in questo articolo è che la memoria DDR3 è presente ed è ancora molto ben affermata, mentre la DDR4 si trova ancora nella sua fase di crescita e di adozione. La DDR4 godrà di una presenza solida sul mercato che perdurerà probabilmente più a lungo rispetto alla popolare DDR3, semplicemente perché è l’ultimo modello disponibile di una linea di memorie che hanno goduto di un successo molto importante. La LPDDR4 è il candidato più probabile per colmare il vuoto, ma non sostituirà la DDR4 in tutte le aree applicative, a meno che non vi siano delle iterazioni lettura/scrittura molto rapide. Negli altri casi, la memoria seriale è il nuovo arrivato da tenere sotto osservazione d’ora in avanti. La HMC è destinata a sostituire la DDR mentre Bandwidth Engine costituisce la soluzione seriale che sostituirà le QDR e le RLDRAM.

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Una risposta

  1. Carlo Tamai 1 Novembre 2021

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