Micron: Микросхемы GDDR5X работают на скорости 13 Гбит/с

 

Компания Micron Technology впервые рассказала о GDDR5X осенью прошлого года. С тех пор организация JEDEC успела формально утвердить спецификацию нового типа памяти для выходящих вскоре графических карт, а инженеры Micron продвинуться в своей работе. Так, ранние микросхемы GDDR5X уже показывают скорости передачи данных (data transfer rates) около 13 Гбит/с, а массовое производство новой памяти начнётся уже через несколько месяцев.

Стандарт GDDR5X SGRAM (synchronous graphics random access memory, синхронная графическая память с произвольным доступом) во многом основывается на технологии GDDR5, но обладает тремя важными улучшениями: значительно более высокими скоростями передачи данных (до 14 Гбит/с на контакт, согласно спецификации JEDEC), увеличенной ёмкостью микросхем (до 16 Гбит) и увеличенной энергоэффективностью благодаря снижению напряжения питания до 1,35 Вольт и ряду нововведений. GDDR5X обещает удвоить производительность GDDR5, потребляя такое же количество энергии. При этом GDDR5X не потребует радикальных изменений в конструкции графических карт, а общий набор команд GDDR5 остаётся почти неизменным, что очень важно для разработчиков графических процессоров и производителей видеокарт. Тем не менее, не следует считать, что GDDR5X — это разогнанная память GDDR5. Внутренняя архитектура нового типа памяти претерпела существенные изменения.

Скорость передачи данных

Одним из ключевых нововведений, которое непосредственно повлияет на производительность нового типа памяти, является модернизированная цепь выборки данных (prefetch), которая теперь может выбирать до 64 байт (512 бит) за тактовый цикл (против 32 байт у GDDR5).

Так же, как у предшественника, GDDR5X имеет две физические тактовые частоты: дифференциальная тактовая частота CK (для передачи адресов и команд) и дифференциальная тактовая частота WCK (для передачи данных). WCK всегда функционирует на тактовой частоте, вдвое превышающей таковую у CK. Память GDDR5 работает в режиме DDR (double data rate) и может передавать два бита данных на каждый синхроимпульс WCK как по фронту, так и по спаду тактового импульса. Память GDDR5X поддерживает новый режим работы QDR (quad data rate) и может передавать до четырёх бит данных на каждый синхроимпульс WCK. Таким образом, если микросхема памяти GDDR5X может работать на тактовой частоте CK 1,5 ГГц, то её максимальная скорость передачи данных в режиме DDR составит 6 Гбит/с (согласно терминологии производителей микросхем памяти; корректнее было бы говорить о 6 гигатрансферах в секунду, но, во избежание путаницы с иллюстрациями, придержимся официальной системы обозначений), а в режиме QDR — 12 Гбит/с (64-байтный режим предварительной выборки данных автоматически означает использование QDR).

Хотя все современные типы оперативной памяти «заточены» под весьма высокие тактовые частоты и скорости передачи данных, увеличение данных параметров по-прежнему является сложной задачей. На высоких тактовых частотах и при режимах работы вроде DDR или QDR становится всё труднее поддерживать целостность сигналов и избегать ошибок записи/чтения. Тем не менее, инженерам из центра разработки графической памяти Micron в Мюнхене (известен как Graphics DRAM Design Center) удалось достичь стабильной работы ранних микросхем GDDR5X при скорости передачи данных свыше 13 Гбит/с в лабораторных условиях. Судя по всему, специалисты из GDDC, которые хорошо известны во всей индустрии за их вклад в создание нескольких стандартов памяти для графических карт, включая GDDR4 и GDDR5, могут записать в свой актив ещё один успех — GDDR5X.

Максимальная ратифицированная JEDEC скорость передачи данных для GDDR5X — 14 Гбит/с. Учитывая, что уже ранние микросхемы GDDR5X производства Micron работают на скоростях свыше 13 Гбит/с в лаборатории, у компании есть повод для оптимизма касательно дальнейшего увеличения скорости передачи данных. Трудно сказать, следует ли индустрии максимизировать пропускную способность GDDR5X путём дальнейшего увеличения тактовых частот, принимая во внимание технологии типа HBM и HBM2. Однако пока многослойная память остаётся дорогой, потенциально более доступная GDDR5X будет востребована рынком. Более того, даже на 14 Гбит/с 256-разрядная подсистема памяти GDDR5X способна обеспечить пропускную способность до 448 Гбайт/с, что лишь на 12,5 % ниже, чем у AMD Radeon R9 Fury X (которая использует первое поколение HBM).

Удвоение предварительной выборки данных и увеличение скорости передачи данных в режиме QDR, вне всяких сомнений, увеличат пропускную способность будущих подсистем памяти. Тем не менее, реальная производительность графических карт будет зависеть не только от архитектуры оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и его частот, но и от контроллеров памяти, а также программного обеспечения.

Ёмкость микросхем

Производительность — не единственное существенное улучшение GDDR5X. Многие приложения требуют не только высокую пропускную способность памяти, но и большой объём высокопроизводительной памяти. К примеру, вычислительный ускоритель AMD FirePro S9170 экипируется 32 Гбайт памяти GDDR5. Увеличение ёмкости микросхем GDDR5X позволит использовать их в широком спектре приложений, помимо графических адаптеров, ускорителей суперкомпьютерных вычислений на базе GPU, игровых консолей и сетевых устройств.

Стандарт GDDR5 описывал чипы памяти ёмкостью 512 Мбит, 1 Гбит, 2 Гбит, 4 Гб и 8 Гб. Стандарт GDDR5X позволит создавать микросхемы ёмкостью 4 Гбит, 6 Гбит, 8 Гбит, 12 Гбит и 16 Гбит. Как правило, производители DRAM стремятся удваивать ёмкость своих интегральных схем в силу экономических и технологических причин. Тем не менее, в случае с GDDR5X в индустрии приняли решение ратифицировать конфигурации SGRAM с довольно необычными ёмкостями — 6 Гбит и 12 Гбит. По словам Micron, это было сделано для того, чтобы предоставить максимальную гибкость разработчикам подсистем памяти.

В индустрии мобильных устройств широко применяются микросхемы памяти LPDDR3 ёмкостью 3 Гбит, 6 Гбит и 12 Гбит, чтобы максимизировать гибкость конфигураций оперативной памяти для портативной электроники. Судя по всему, компании, разрабатывающие стандарты GDDR, решили взять пример с коллег из смежной отрасли.

Помимо гибкости для устройств, «нетрадиционные» ёмкости интегральных схем памяти могут иметь и экономический смысл. Размер кристалла у 16-Гбит микросхемы GDDR5X, произведённой по технологии 16 нм или 18 нм, будет довольно большим, а значит, его себестоимость чрезмерно высокой (что означает сужение области применения). В то же время, размер и себестоимость кристалла ёмкостью 12 Гбит могут быть оптимальными для широкого спектра устройств.

Так же, как в случае с GDDR5, стандарт GDDR5X полностью поддерживает режим clamshell (раскладушка, ракушка), который регламентирует работу 32-разрядного контроллера памяти с двумя микросхемами DRAM с 32-разрядным интерфейсом. В режиме clamshell два чипа памяти делят между собой шину адресов и команд, при этом разрядность их шин ввода/вывода снижается до 16. Подобный режим работы позволяет вдвое увеличить объём памяти в подсистеме (например, на графической карте) без снижения пропускной способности. Таким образом, 32 микросхемы GDDR5X ёмкостью 16 Гбит позволят создать графические карты с 64 Гбайт памяти и 512-разрядной шиной. Впрочем, принимая во внимание большой потенциал памяти HBM2, маловероятно, что GDDR5X будет использована на графических или вычислительных ускорителях, которым требуется 64 Гбайт памяти.

Энергоэффективность

Потребляемая мощность и тепловыделение являются двумя основными ограничителями вычислительной производительности в наши дни. Разработчики GDDR5X внесли целый ряд новых техник, призванных держать энергопотребление нового типа памяти под контролем.

Напряжение питания и шины ввода/вывода чипов GDDR5X было снижено с 1,5 В на сегодняшних устройствах до 1,35 В. Снижение Vdd и Vddq должно помочь сократить энергопотребление новой памяти на величину до 10 %, что является важным для высокопроизводительных и мобильных устройств, где потребление памяти может составлять значительную часть имеющегося энергетического бюджета.

Уменьшение напряжений не единственная мера, принятая для сокращения энергопотребления нового типа ОЗУ. Стандарт GDDR5X делает обязательным наличие в каждой микросхеме датчика температуры. Кроме того, становится обязательной поддержка управления частотой обновления данных на основании температуры, что может быть полезным для оптимизации энергопотребления в некоторых сценариях. Также существует целый ряд других функций и команд (per-bank self refresh, hibernate self refresh, partial array self refresh и ряда других), которые были специально созданы для уменьшения энергопотребления памяти GDDR5X.

Вследствие снижения напряжений и применения новых технологий, энергопотребление микросхем GDDR5X должно снизиться по сравнению с GDDR5 на одинаковых тактовых частотах. Тем не менее, если говорить о частотах и скоростях передачи данных в 12–14 Гбит/с, то потребление GDDR5X останется на уровне 2–2,5 Вт на чип, согласно данным Micron (т. е. от 10 до 30 Вт на карту, в зависимости от конфигурации). Даже при одинаковом, или даже чуть большем, потреблении в пересчёте на микросхему, GDDR5X обещает быть существенно более энергоэффективной с точки зрения пропускной способности на ватт по сравнению с предшественником. Как следствие, для целого ряда приложений (которым может не требоваться высочайшая пропускная способность) GDDR5X может оказаться лучшим выбором, чем GDDR5, поскольку позволит сократить абсолютное энергопотребление подсистемы памяти.

Форм-фактор

В то время как внутренняя архитектура GDDR5X претерпела существенные изменения по сравнению с GDDR5, переход индустрии на новый тип памяти обещает стать менее радикальным шагом, чем переход с GDDR3/GDDR4 на GDDR5 много лет назад. Кроме того, использование GDDR5X должно быть значительно проще и дешевле, чем применение памяти типа HBM или HBM2.

Микросхемы памяти GDDR5X используют обновлённый 190-контактный корпус BGA, размеры которого уменьшены до 14 × 10 мм. Для сравнения, память GDDR5 использует упаковку BGA с 170 контактами и размером 14 × 12 мм. В Micron считают, что более плотное размещение контактов (расстояние между центрами двух соседних контактов уменьшено с 0,8 мм до 0,65 мм) и уменьшенный диаметр контакта (уменьшен с 0,47 мм до 0,4 мм) сделают дорожки на печатной плате чуть короче, что в конечном итоге должно улучшить электрические характеристики и целостность сигнала. Учитывая, что GDDR5X будет работать на тактовых частотах 1,75–3,5 ГГц, любые улучшения в этой области являются важными.

Хотя новый корпус BGA потребует разработки новых печатных плат, а новые режимы работы и техники энергосбережения — новых контроллеров памяти, многие аспекты работы GDDR5 и GDDR5X (например, калибрация интерфейсов, обнаружение ошибок, протоколы работы и т. д.) остаются очень похожими. Кроме того, микросхемы GDDR5X памяти смогут работать в режимах GDDR5 для снижения энергопотребления.

Упаковки типа BGA очень недороги, они не требуют применения дорогостоящих кремниевых соединительных подложек (silicon interposer) как HBM. Кроме того, разработка новых печатных плат и контроллеров памяти едва ли потребует от компаний вроде AMD, NVIDIA, ASUSTeK Computer или Palit Microsystems существенных (в масштабах этих гигантов) затрат на научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки (НИОКР; research and development, R&D).

Поддержка индустрией

GDDR5X является стандартом JEDEC, который поддерживается членами этой организации. Документация JEDEC, которая описывает эту технологию, содержит идентификаторы трёх крупнейших производителей DRAM: Micron Technology, Samsung Electronis и SK Hynix.  Идентификация производителей памяти необходима для контроллеров памяти, чтобы различать устройства от различных поставщиков, а также их функциональные возможности и характеристики. Наличие идентификаторов изготовителей говорит о том, что они участвовали в разработке, рассматривали особенности нового типа ОЗУ и голосовали на заседаниях JEDEC, что косвенно говорит о заинтересованности. Тем не менее, конкретные планы Samsung и SK Hynix относительно производства GDDR5X на сегодняшний день неизвестны.

Что касается разработчиков графических процессоров, то как AMD, так и NVIDIA, являются членами организации JEDEC и участвуют в разработке новых типов памяти. Некоторое время назад корпорация Advanced Micro Devices подтвердила свои намерения в области использования GDDR5X наряду с HBM2. Компания NVIDIA предпочитает не говорить о своих планах, но она подтвердила, что принимала участие в разработке стандарта GDDR5X. В любом случае, принимая во внимание преимущества GDDR5X перед GDDR5 и постоянно растущие потребности графических карт в области пропускной способности памяти, новинка имеет все шансы получить широкое распространение.

Хотя GDDR5X может показать производительность, схожую с таковой у памяти типа HBM, не следует напрямую сравнивать потенциал GDDR5X и HBM/HBM2. Второе поколения HBM может предложить более высокую пропускную способность, низкое энергопотребление и меньший форм-фактор, чем GDDR5X, но за счёт существенных сложностей в разработке и производстве (а значит, по более высокой цене для конечного пользователя). Различные приложения имеют различные требования. Подсистема памяти НВМ2 с пропускной способностью 1 Тбайт/с как нельзя лучше пригодится премиальной графической карте, или ускорителю суперкомпьютерных вычислений. Однако для недорогих адаптеров, GDDR5 и GDDR5X останутся оптимальным выбором еще долгое время. Существует вероятность, что мы не увидим прямого противостояния памяти GDDR5X и HBM2 на рынке (подобно тому, что мы видели в случае RDRAM и DDR SDRAM полтора десятилетия назад). Иными словами, новые типы памяти будут дополнять друг друга.

Массовое производство

Первое поколение микросхем памяти GDDR5X компании Micron имеет ёмкость 8 Гбит и производится по технологическому процессу 20 нм. Компания использует данную технологию для коммерческого производства DRAM чуть менее года, а значит, техпроцесс постоянно совершенствуется. По мере улучшения технологии изготовления и архитектуры самих микросхем, увеличивается выход годных и повышается частотный потенциал. Как следствие, чипы GDDR5X компании Micron смогут увеличить скорость передачи данных свыше текущих 13 Гбит/с в будущем.

«Команда из центра разработки графической памяти Micron в Мюнхене делает фантастическую работу», — сказал Крис Кидо (Kris Kido), директор графического DRAM-бизнеса в компании Micron. «Мало того, что мы имеем функциональные устройства [памяти GDDR5X] раньше, чем ожидалось, эти ранние [микросхемы] работают со скоростью передачи данных более 13 Гбит/с! Компоненты памяти совершенствуются в процессе разработки и производства, а потому увидеть, что первые чипы имеют почти максимальную производительность — это приятный сюрприз. Эти ранние результаты невероятно обнадёживают».

Едва ли в Micron хорошо представляют себе семейство коммерческих продуктов GDDR5X на данном этапе. Достоверно не известно, способны ли ранние микросхемы GDDR5X передавать данные со скоростью 14 Гбит/с, работая с первым поколением контроллеров GDDR5X в нормальных условиях. Как следствие, вероятность того, что Micron выпустит подобные чипы на рынок в этом году, весьма невелика. Как правило, разработчики GPU довольно консервативны и не стремятся использовать наиболее производительные чипы DRAM новейших поколений. Например, AMD Radeon HD 4870 (первая в мире графическая карта, которая использовала GDDR5) была оснащена 512 Мбайт памяти со скоростью передачи данных 3,6 Гбит/с, хотя Qimonda уже тогда предлагала куда более быстрые микросхемы (4,5 Гбит/с).

Первые чипы памяти GDDR5X производства Micron имеют ёмкость 8 Гбит, а значит, они будут стоить значительно дороже, чем используемые на видеокартах сегодня микросхемы GDDR5 ёмкостью 4 Гбит. Кроме того, в связи с увеличением количества контактов, печатные платы под графические адаптеры с новой памятью могут стать дороже сегодняшних. Судя по всему, не следует ожидать, что видеокарты с GDDR5X будут иметь низкую цену. Тем не менее, следует ожидать, что они будут весьма мощными. К примеру, недорогой графический адаптер — уровня GeForce GTX 960 — с 128-разрядной подсистемой памяти GDDR5X со скоростью передачи данных 11 Гбит/с, сможет похвастаться 4 Гбайт DRAM на борту и пропускной способностью 176 Гбайт/с. Более дорогие видеокарты с 256-разрядной шиной памяти — уровня GeForce GTX 970/980 — получат уже 8 Гбайт DRAM и пропускную способность 352 Гбайт/с (выше, чем у GeForce GTX 980 Ti/Titan X).

Micron планирует начать поставки образцов GDDR5X широкому кругу своих партнёров этой весной. Старт массового производство GDDR5X намечен на середину 2016 года, т. е. этим летом. Достоверно не известно, когда на рынке появятся первые графические карты с памятью нового типа, но, похоже, это произойдёт в 2016 году.