Operační paměť budoucnosti

Díky trojrozměrným "hybridním paměťovým kostkám" bude RAM schopna přenášet dvanáctkrát větší objem dat než dnešní moduly typu DDR3.
MARKUS HERMANNSDORFER

V souvislosti s tím, jak se neustále zvyšuje výkon procesorů, stává se operační paměť stále častěji úzkým hrdlem systému. Současné paměťové moduly nedokážou přenášet data do procesoru dostatečnou rychlostí, protože disponují omezenou propustností a pomalou rychlostí čtení a zápisu. S uváděním stále rychlejších a výkonnějších procesorů se omezená rychlost a propustnost paměti stává stále větším problémem. Rozmach smartphonů a tabletů dále způsobuje vyšší tlak na snižování spotřeby a miniaturizaci komponent. Právě tato zařízení potřebují stále větší kapacitu paměťových modulů, které musí mít co nejmenší rozměry. Řešení nabízí nová technologie Hybrid Memory Cube, která vzešla ze spolupráce firem Intel a Micron. Hlavní trik nové technologie spočívá v tom, že paměť je vrstvena na sebe, přičemž jednotlivé její vrstvy jsou navzájem propojeny pomocí vertikálních elektrických kontaktů. Paměťové bloky Hybrid Memory Cube využívají zcela novou logiku, která dokáže adresovat přímo jednotlivá jádra procesoru.

Vysoká rychlost a úsporný provoz

První funkční prototyp paměťového modulu Hybrid Memory Cube byl představen na akci Intel Develeper Forum 2011. Prototyp obsahuje čtyři paměťové vrstvy a dokáže za jednu sekundu přenést 128 GB dat, ale musí být zasazen do základní desky s odpovídající infrastrukturou. Příprava desek s vysokou datovou propustností, však bude klást náročné požadavky na výrobce desek. K čemu by také byla propustnost 128 GB/s, pokud by rychlost paměti zpomalovaly zastaralé spoje. Vysokou rychlost pamětí HMC musí umět využít i pevné disky, které budou muset zvýšit rychlost zápisu i čtení. Právě uvedení pamětí HMC tak může být i zlomovým okamžikem pro příchod rychlejších datových úložišť, která budou využívat některou z nových technologií typu FeRAM, MRAM, Memristor, Milipede atd., jež pracují až pětkrát rychleji než SSD disky.
Vysokou propustnost pamětí typu HMC zajišťují křemíková propojení, která dokážou mezi jednotlivými vrstvami paměťového bloku a jeho logickým obvodem přenášet data rychlostí až 1 TB za sekundu. Výhod rychlejší paměti dokážou využít jak operační systém Windows, který neustále zapisuje a čte data z RAM, tak výpočetně náročné aplikace, jako například programy pro střih videa. Pro srovnání, paměťové moduly DDR3 1 333 MHz mají propustnost pouze 11 GB za sekundu.
Logická vrstva pamětí HMC přináší řešení dalšího problému. Moderní procesory mají osm i více jader a jejich počet se bude dále zvyšovat. Současné moduly RAM jsou s CPU propojeny pouze jedním spojem, který je řízen externím řadičem paměti. Logika pamětí HMC však dokáže selektivně spolupracovat s jednotlivými jádry procesoru nebo s jinými bloky paměti pomocí tzv. crossbar switche. Komunikace s jednotlivými jádry CPU či jinými paměťovými bloky probíhá nezávisle a paralelně a každé paměťové spojení pracuje s plnou propustností. Díky této schopnosti tak bude technologie HMC schopna držet krok s vývojem procesorů.
Podobným způsobem pracují již dnes dostupné paměti typu RDIMM od Samsungu. Rovněž obsahují moduly, které spojují vrstvy paměti prostřednictvím křemíkových kontaktů, avšak nejsou vybaveny vlastní logikou a řídí je externí paměťový řadič, takže komunikují s CPU jen jedním kanálem. Navzdory tomu mají RDIMM oproti standardním pamětem DDR3 výhodu v úspoře elektrické energie, kterou umožňuje kratší cesta dat z RAM do CPU. Díky inteligentní správě paměti, která je řízena interní logickou vrstvou, mají moduly typu HMC o dalších 30 % nižší spotřebu na přenesený bit. Teoreticky tak budou úsporné paměti HMC potřebovat k přenesení jednoho bitu dat z paměti do CPU o 70 % méně energie než dnešní moduly typu DDR3. Zatím nemáme informace o tom, jak bude moduly HMC ovlivňovat jejich pracovní teplota.

Všestranná paměť nejen pro PC

Díky na sebe vrstveným modulům a trojrozměrné struktuře integrovaného obvodu mají paměti Hybrid Memory Cube velmi kompaktní rozměry. Na základní desce počítače tak zaberou o 90 % méně místa než standardní moduly DDR3. Paměti typu HMC lze použít jak ve spolupráci s CPU, tak i s grafickými a dalšími dedikovanými čipy. Vývojové konsorcium tvrdí, že je bude možné používat i v televizorech a spotřební elektronice, což by značně urychlilo jejich příchod na trh.
První pracovní stanice a servery využívající paměti Hybrid Memory Cube by se měly na trhu objevit v roce 2013. Majitelé osobních počítačů a notebooků si budou muset pravděpodobně počkat až do roku 2015. Vzhledem k tomu, že tyto paměti ještě nejsou hromadně vyráběny, nikdo ze členů konsorcia nechtěl komentovat jejich budoucí cenu.


HYBRID MEMORY CUBE
Vrstvené paměťové bloky a nová logika paměťového modulu řídící průchod dat mezi pamětí a CPU přinášejí několikanásobný nárůst výkonu, nižší spotřebu a menší rozměry.
PAMĚŤ VE VRSTVÁCH
Díky čtyřem vrstvám paměťových buněk DRAM je možné na menším prostoru uložit více dat. Díky 3D vrstvám mají paměťové moduly Hybrid Memory Cube v porovnání s dnešními moduly typu DDR3 dvanáctkrát vyšší propustnost.
KŘEMÍKOVÉ SPOJE
Jednotlivé vrstvy paměťového modulu jsou elektricky propojeny vertikálními kanály (through¬silicon via, TSV). Tyto spoje přenášejí data z jednotlivých vrstev paměti do vrstvy s logikou modulu.
LOGICKÁ VRSTVA
Každý modul je vybaven vlastním řadičem, který směruje data do správního bloku paměti. Ten rozhoduje o tom, která data budou prostřednictvím řadiče rozhraní odeslána do CPU. Crossbar switch má na starosti směrování dat z jednotlivých vrstev paměti do jednotlivých jader procesoru. Kromě komunikace s procesorem zajišťuje logická část paměťového bloku komunikaci a výměnu dat mezi jednotlivými vzájemně propojenými moduly Hybrid Memory Cubes.
VÍCEJÁDROVÉ CPU
Paměti Hybrid Memory Cubes dokážou komunikovat s jednotlivými jádry procesoru. Spojení s procesorem je paralelní a vždy pracuje s maximální propustností.