Alternative sempre più complesse

TECNOLOGIE DI MEMORIA –

La scelta di quale tecnologia di memorizzazione utilizzare per le applicazioni di oggi, caratterizzate da mobilità, virtualità e personalizzazione, può essere anche molto complessa.

Abbinare un tipo di memoria e una specifica architettura a un classico microcontrollore può essere un problema relativamente semplice; oggi però le applicazioni diventano mobili, virtualizzate e personalizzate: si creano architetture con core multipli e i microprocessori di fascia alta prevedono l'impiego di cache a livelli multipli con una sorprendente varietà di sistemi di interconnessione e di schemi per il controllo di coerenza. E se fino a poco tempo fa un errore della cache significava una serie di eventi che si estendeva fino all'hard disk del computer, ora gli eventi possono propagarsi su dischi a stato solido, attraverso la rete locale e le reti del cloud. Diventa quindi sempre più importante decidere quale tipo di dispositivo di memoria impiegare in un sistema.

Lo sviluppo delle Dram
La capacità delle Dram continua a crescere sia in termini di dimensioni dati che di velocità di accesso mentre i costi di riducono. I moduli dual-in-line Ddr3) normalmente utilizzati nei Pc più recenti hanno raggiunto i 16 Gbyte, funzionano a 533 a 800 MHz con velocità di trasferimento dati fino a 1066-1600 milioni di trasferimenti al secondo; le versioni standard operano a 1,5 V ma esistono anche versioni a basso consumo (1,35 V) che permettono di risparmiare anche in termini di raffreddamento. Dimm e Sodimm (small-outline Dimm) sono i package utilizzati di norma per desktop, server e notebook, ma cresce la domanda nelle applicazioni embedded, in cui lo standard sono i package Bga (Ball-grid array) utilizzati ad esempio dalle Ddr3 di Micron per i sistemi in ambito industriale e militare. Nei dispositivi mobili di fascia alta come gli iPad Apple sono state proposte anche soluzioni package-su-package con il microprocessore.
Le Dram Ddr3 non hanno comunque ancora sostituito la precedente versione Ddr2 nei progetti embedded dove le velocità sono inferiori e la compatibilità è uno dei criteri più importanti e comunque molti microcontrollori semplicemente non hanno requisiti di memoria tali da giustificare l'uso delle Ddr3. Nel frattempo la generazione successiva di Ram dinamiche comincia a delinearsi; i primi campioni di Ddr5 sono stati annunciati quest'anno da Samsung, per prima, e poi da Hynix e Rambus ma l'adozione nei prodotti commerciali avverrà gradualmente nei prossimi anni per poi diventare di massa non prima del 2015, anche perché, in realtà, le specifiche ufficiali dello standard sono ancora in discussione e Jedec prevede di ufficializzarle a breve. In sintesi i futuri dispositivi integreranno una gamma di funzionalità progettate per consentire operazioni ad alta velocità e la più vasta applicabilità sempre con l'obiettivo di semplificare la migrazione e facilitare l'adozione dello standard. La tensione di alimentazione dovrebbe essere pari a 1,2 V (o meno), frequenza di trasferimento dei dati iniziale a 1,6 Gb/s per poi passare a 2,133 Gb/s con l'obiettivo di arrivare a 3,2 Gb/s, consumi 40% in meno alle Ddr3 e inoltre una nuova interfaccia standard Jedec POD12, tre opzioni per la larghezza del bus dati, nuovo schema di terminazione nuovi rispetto a precedenti versioni. Nel segmento delle applicazioni grafiche lo standard attuale è quello delle Gddr5, derivate dalle Ddr3, nel senso che condividono le stesse regole di progetto. Questo tipo di architettura garantisce una velocità di trasferimento dati elevatissima (per i chip Samsung è attualmente di 24 Gbit/s). Le Gddr5 usano un prefetch a 8 bit, come le Gddr4, con 2 frequenze di clock, CK e WCK (la seconda doppia rispetto alla prima). I comandi sono trasferiti in modalità "single data rate" (quindi con trasferimento dei dati sul solo fronte di salita del clock), a frequenza CK; gli indirizzi sono trasferiti in Ddr alla frequenza CK; i dati sono trasferiti in Ddr alla frequenza WCK. Tale approccio è stato introdotto in quanto riduce i problemi legati alla qualità del segnale durante la trasmissione dei comandi e degli indirizzi, mentre permette una frequenza superiore per la trasmissione dati. I prodotti sono offerti tra l'altro da Hynix, Qimonda ed Elpida (sempre su tecnologie Qimonda).

Un approccio nuovo
Da notare che le diverse implementazioni delle architetture Ddr per le Ram dinamiche sono basate sull'uso di segnali single-ended (sbilanciati) e, fino ad ora, le tecniche di progettazione dei circuiti hanno permesso di ovviare ai limiti di questo tipo di approccio. Tuttavia è ragionevole pensare che in futuro si debba passare all'uso di segnali differenziali se si desidera aumentare ulteriormente le velocità di trasferimento. Le interfacce seriali più veloci, come Pci Express, Usb 3.0, Sata, e Serial-Attached Scsi sono intrinsecamente differenziali e quindi non è illogico immaginare che anche per le memorie si debba seguire un percorso analogo. Un esempio di proposta per una generazione di memorie basate su segnali differenziali è la Rambus Terabit Initiative, che ha già visto la presentazione di un circuito SerDes a 20-Gbit/s. La tecnologia FlexMode proposta da Rambus definisce un'interfaccia in grado di gestire Ddr3, Gddr5 e il supporto differenziale utilizzando lo stesso gruppo di pin anche se ovviamente per scopi diversi, rinunciando a qualche pin di controllo o indirizzamento a favore dei pin dati I segnali di controllo sono anch'essi differenziali. Il consorzio Spmt (Serial Port Memory Technology) nato per proporre un particolare tipo di memorie Ram dinamiche basate su interfaccia seriale al posto della tradizionale interfaccia parallela, non è riuscito a raggiungere rapidamente gli obiettivi previsti. Hynix, LG Electronics, Samsung e Silicon Image, i membri originali del consorzio, sono stati però affiancati di recente da Marvell Technology e sono tornati a impegnarsi nella progettazione di una nuova versione mista seriale parallela che in particolare si focalizza sulla riduzione del numero di pin di almeno il 40% rispetto le attuali tecnologie Dram, sulla larghezza di banda (variabile da 200 MB/s a 12,6 GB/s e sulla configurazione a porte singole o multiple. I primi chip sono attesi a breve.

Memorie non volatili
Per le memorie non volatili, le Flash Nand e Nor rimangono le soluzioni preferite, anche se altre tecnologie come quella magnetoresistiva (Mram), ferroelettrica Ram (Fram) e a cambiamento di fase (Pcm) iniziano a trovare un proprio spazio. Non è insolito trovare sistemi che usano un mix: ad esempio array di dischi rigidi controllati da un micro possono utilizzare Flash Nand o Nor per la memorizzazione dei programmi e Mram, Fram, o Pcm per le tabelle dati Raid in sostituzione delle Ram dinamiche con batteria di backup. La capacità di questi dispositivi continua ad aumentare con le Nand sempre in testa, grazie all'uso dell'architettura a cella multilivello (Mlc), anche se le Nand single-level offrono ancora costi inferiori e maggiori velocità, durata e affidabilità. La struttura Mlc è utilizzata anche dalle celle Nor. Le Flash Nand sono diffusissime nelle unità Usb e nelle schede di memoria rimovibili; l'eventuale applicazione nei classici hard disk di grandi dimensioni è oggetto di alcune realizzazioni ma richiede l'ausilio di sofisticati controller; inoltre garantire il funzionamento di un disco flash per almeno cinque anni (il periodo minimo di funzionamento tipico per i sistemi aziendali) è un tema non trascurabile per i progettisti di sistema. La tecnologia Flash è sufficientemente veloce, ma interfacce a 6 Gbit/s Sata e Pci Express stanno spingendo la tecnologia ai limiti. Le Flash Nor sono applicate principalmente in sistemi industriali o nelle soluzioni destinate a operare in condizioni difficili; ad esempio in ambito automotive, come le Spansion a 65 nm MirrorBit GL-s da 2-Gbit funzionanti su un intervallo di temperatura da -40 °C a 105 °C. Le Flash Nor hanno anche il vantaggio di permettere l'esecuzione del codice direttamente dalla memoria ma aziende come Samsung stanno tentando di offrire la stessa funzione utilizzando una combinazione di Sram e flash Nand. La OneNand di Samsung integra un buffer di 3-kbyte Sram nel controller Nand.
Infine occorre ricordare le memorie OTP che spesso sono poco considerate inosservato. Aziende come Kilopass e Sidense forniscono Otp in tecnologia antifuse per una vasta gamma di applicazioni. Questo tipo di chip offre la massima sicurezza dei dati e anche il funzionamento a bassa potenza; inoltre è anche facile da integrare (come blocco IP) nella produzione di comuni circuiti Cmos nei processi utilizzati dalle più importanti fonderie. La tecnologia Otp viene spesso utilizzata per archiviare dati di configurazione o di controllo accesso, ma può anche essere usata al posto delle Rom.

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