НОВЫЕ ВИДЫ ПАМЯТИ
Резкое повышение быстродействия процессоров и переход на 32-разрядные многозадачные операционные системы существенно поднимают требования и к другим компонентам компьютера. Важнейшим из них является оперативная память. Возрастание внешних тактовых частот процессоров с 33-40 МГц, характерных для семейства 486 (486DX2-66/80 и 486DX4-100/120), до 50-66 МГц для Pentium (Pentium 75/90/100/120/133), требует прежде всего адекватного увеличения быстродействия подсистемы памяти. Поскольку в качестве оперативной используется относительно медленная динамическая память DRAM (DynamicRandomAccessMemory), главный способ увеличения пропускной способности основан на применении кэш-памяти. Кроме встроенной в процессор кэш-памяти первого уровня применяется и кэш-память второго уровня (внешняя), построенная на более быстродействующих, чем DRAM, микросхемах статической памяти SRAM (StaticRAM). Для высоких тактовых частот нужно увеличивать быстродействие SRAM. Кроме того, в многозадачном режиме эффективность работы кэш-памяти также может снижаться. Поэтому актуальной становится задача не только увеличения быстродействия кэш-памяти, но и ускорения непосредственного доступа к динамической памяти. Для решения этих проблем начинают использоваться новые типы статической и динамической памяти.
Требования к объемам памяти диктуются программным обеспечением. При использовании Windows оценить необходимое количество памяти можно на основе тестов Winstone, использующих наиболее популярные приложения Windows. Соответствующие данные представлены на рисунке 1.
Статическая память
В качестве кэш-памяти второго уровня практически всегда применялась (и до сих пор продолжает широко применяться) стандартная асинхронная память SRAM. При внешних тактовых частотах порядка 33 МГц хорошие результаты давала статическая память со временем выборки 15-20 ns. Для эффективной работы на частотах выше 50 МГц такого быстродействия уже недостаточно. Прямое уменьшение времени выборки до нужных величин (12-8 ns) обходится дорого, так как требует зачастую применения дорогой технологии Bi-CMOS вместо CMOS, что неприемлемо для массового рынка. Поэтому предлагаемое решение заключается в применении новых типов памяти с усовершенствованной архитектурой, которые первоначально были разработаны для мощных рабочих станций. Наиболее перспективна синхронная SRAM. В отличие от обычной асинхронной, она может использовать те же тактовые сигналы, что и остальная система, поэтому и называется синхронной. Она снабжена дополнительными регистрами для хранения информации, что освобождает остальные элементы для подготовки к следующему циклу еще до того, как завершился предыдущий. Быстродействие памяти при этом увеличивается примерно на 20%. Эффективную работу на самых высоких частотах может обеспечить особая разновидность синхронной SRAM — с конвейерной организацией (pipelinedburst). При ее применении уменьшается число циклов, требующихся для обращения к памяти в групповом режиме. Пример для тактовой частоты 66 МГц (Pentium 100 и Pentium 133) приведен в таблице1. В случае группового режима чтения-записи для первого обращения нужно 3 цикла, для каждого следующего — только 1.
Динамическая память
Так же, как и для статической памяти, прямое сокращение времени выборки для динамической памяти достаточно трудно технически осуществимо и приводит к резкому росту стоимости. Поэтому ориентация в новых системах идет на микросхемы со временем выборки 60-70 ns. Стандартные микросхемы DRAM имеют страничную организацию памяти — FastPageMode (FPM), которая позволяет значительно ускорить доступ к последовательно расположенным (в пределах страницы) данным по сравнению со случаем произвольной выборки. Поскольку обращения к последовательно расположенным данным в реальных задачах встречаются очень часто, применение FPMDRAM заметно повышает производительность. FPMDRAM со временем выборки 60-70 ns обеспечивает необходимые характеристики для тактовых частот 33-40 МГц. При повышении тактовой частоты обеспечить надежное и быстрое считывание данных в страничном режиме уже не удается. Эту проблему в значительной степени решает применение памяти нового типа - EDODRAM (ExtendedDataOutputDRAM). От обычной памяти со страничной организацией она отличается наличием дополнительных регистров для хранения выходных данных. Увеличивается время, в течение которого данные хранятся на выходе микросхемы, что делает выходную информацию доступной для надежного считывания процессором даже при высоких тактовых частотах (фактически время между обращениями в страничном режиме можно уменьшить до 30 ns по сравнению с 45 ns для FPM).
Радикальный, но не общепризнанный подход к повышению быстродействия динамической памяти заключается во встраивании в микросхемы DRAM собственной кэш-памяти. Это Cached DRAM (CDRAM) и Enhanced DRAM (EDRAM). Память CDRAM выпускается фирмой Mitsubishi и имеет 16 KB кэш-памяти как на 4, так и на 16 Mbit кристалле, обмен между динамической и встроенной кэш-памятью осуществляется словами шириной 128 разрядов.
Вообще говоря, применение новых типов динамической памяти позволяет получать высокую производительность даже и без применения кэш-памяти второго уровня (если кэш-память первого уровня — типа writeback), особенно в случае CDRAM и EnhancedDRAM, которые именно так и используются. Однако подавляющее большинство систем для достижения максимальной производительности строится все-таки с использованием кэш-памяти второго уровня. Для них наиболее подходит память типа EDODRAM. К тому же она стала уже промышленным стандартом, и ее доля будет преобладать в микросхемах памяти емкостью 16 Mbit и более. Фактически эта память приходит на смену стандартной FPMDRAM и ее можно применять в любых системах вместо стандартной.
КОНСТРУКТИВ
Несмотря на то, что наиболее популярным конструктивом для динамической памяти по-прежнему остается SIMM (SingleIn-lineMemoryModule), начинают применяться и другие стандарты. Возникновение новых стандартов вызвано необходимостью решения двух основных проблем. Первая связана с увеличением плотности упаковки элементов памяти, особенно актуальной для рабочих станций, использующих память очень большого объема, и мобильных систем. Вторая — с обеспечением устойчивой работы при высоких частотах, которая зависит от размеров, емкости и индуктивности соединителя. Большую по сравнению с SIMM плотность упаковки и, соответственно, объем памяти могут обеспечить модули типа DIMM (DualIn-lineMemoryModule), у которых, в отличие от SIMM, контакты на обеих сторонах модуля не объединены, а могут использоваться независимо.
Микросхемы стандартной статической памяти в основном выпускаются в корпусах типа DIP и SOJ. Память типа pipelinedburst либо запаивается на системную плату сразу в процессе ее изготовления, либо поставляется в виде модулей.
ЖЕСТКИЕ ДИСКИ
Большая часть жестких дисков, представленных на мировом рынке, выпускается специализированными фирмами — Quantum, Seagate, Conner, WesternDigital, Maxtor и некоторыми другими.
Жесткие диски с интерфейсом IDE
Жесткая конкуренция и особая важность в этих условиях ценового фактора требуют от производителей массовой продукции использования самых современных технологических достижений. За счет применения записи с высокой плотностью (400 Mbit на квадратный дюйм) стандартное значение емкости, приходящейся на один диск (носитель), достигло 540 MB. Это позволяет уменьшить не только количество дисков, но и магнитных головок и других элементов, а значит снизить цену и повысить надежность. При применении таких дисков линейка выпускаемых моделей по емкости выглядит следующим образом: 540 MB, 1.0, 1.6, 2.2 GB и т. д. Практически все ведущие производители переходят на выпуск моделей с такой плотностью записи, которая уже находится на пределе возможностей стандартной технологии, основанной на применении тон-копленочных магнитных головок. Радикальное средство — переход на магниторезистивные головки — является для большинства фирм довольно дорогостоящим, так как технологией их массового производства обладают только IBM и Fujitsu. Поэтому начинают применяться некоторые другие решения. Так, фирма Maxtor в новых моделях cepиях Durarigo (540MB, 1 GB и 1.6 GB) начала применять особую технологию Proximityrecording с псевдо-контактирующей магнитной головкой Tripad (тонкопленочной) и алмазоподобным углеродным покрытием носителя. Головка находится на очень близком расстоянии от диска , а в отдельных случаях может даже касаться его поверхности, что не приводят, однако, к. повреждению магнитного слоя, защищенного прочным покрытием. Maxtor, а также некоторые другие фирмы рассматривают эту технологию как более дешевую альтернативу магниторезистивным головкам и PRML для плотностей записи до 1000 Mbit на квадратный дюйм.
Интерфейс EnhancedIDE, ставший основным для массовой продукции, несмотря на очень хорошие скорости передачи, все же уступает интерфейсу SCSI по возможностям, особенно в многозадачных средах. Ситуация, возможно, улучшится с принятием спецификации АТА-3, в которой, по предварительным данным, будут дополнения (commandoverlappingandqueuing, predictivefailureanalysisbit и некоторые другие), позволяющие в некоторой степени приблизиться к SCSI как по эффективности отработки запросов, так и по контролю за целостностью данных.