Le prossime generazioni dei sistemi portatili (telefoni cellulari, Pda, giochi ecc.) faranno un uso sempre più massiccio di contenuti video e grafici, con risoluzioni via via crescenti. I processori che governano questi sistemi avranno quindi la necessità di comunicare con la memoria Dram a velocità molto più alte di quelle oggi raggiungibili; la visualizzazione o la registrazione di contenuti video (soprattutto se Hdtv) comporta infatti la lettura o la scrittura di grandi quantità di dati in tempi molto brevi. Secondo le previsioni, la velocità di comunicazione tra processore e memorie (quella che in modo un po' improprio si chiama “memory bandwidth”) aumenterà di un ordine di grandezza, passando dall'attuale 1 GB/s a 12 GB/s e oltre. Questo obiettivo non presenta in sé difficoltà insormontabili; il vero problema consiste nei vincoli di consumo che caratterizzano i sistemi portatili. Va ricordato, infatti, che le comunicazioni tra processore e memorie comportano un notevole consumo di energia. Per risolvere questo problema, numerose società stanno studiando nuove interfacce di memoria capaci di conciliare alta velocità è basso consumo. Tra esse è compresa la californiana Rambus, società specializzata nella progettazione di interfacce per memorie, che opera tramite la vendita di licenze tecnologiche ai produttori di chip. Analogamente a quanto è avvenuto per altre innovazioni introdotte da Rambus negli scorsi anni, oggi la nuova interfaccia è indicata con il nome di una “iniziativa”: Mobile Memory Initiative (MMI). La società intende in questo modo sottolineare che - in questa fase - l'oggetto degli sforzi promozionali non è un prodotto bensì una proposta tecnologica, rivolta in primo luogo ai produttori di sistemi (telefoni ecc.).
Tra zero e uno, solo cento millivolt
La ricetta ideata da Rambus per creare un'interfaccia capace di conciliare alta velocità e basso consumo si fonda su innovazioni che in parte rappresentano un'evoluzione della preesistente architettura Xdr e di precedenti iniziative della società, denominate Low Power Initiative e Terabyte Bandwidth Initiative. In breve, le tre innovazioni sono:
- Una drastica riduzione dell'intervallo di tensione che separa i due livelli logici del segnale sulla linea di collegamento tra processore e memoria;
- La possibilità di arrestare il clock che governa la comunicazione;
- Un veloce passaggio tra diverse modalità di consumo (attivo, power down ecc).
La prima delle innovazioni è stata denominata Vlsd (Very Low Swing Differential Signaling) e consiste in una tecnica che consente di trasmettere dati seriali su una singola linea differenziale (con riferimento a terra) utilizzando un intervallo di soli cento millivolt tra il livello logico basso e il livello logico alto. Nelle odierne interfacce questa differenza è di un volt, quindi dieci volte maggiore. Ovviamente riducendo le fluttuazioni della tensione è possibile diminuire i consumi, poiché si riducono le correnti in gioco e tutti i fenomeni legati alle reattanze parassite dei circuiti. Inoltre il passaggio tra i due livelli logici richiede meno tempo, il che facilita il raggiungimento di velocità più alte. Ma non è facile realizzare una comunicazione affidabile associando l'informazione a un segnale così debole; per riuscirci, Rambus ha dovuto progettare trasmettitori e ricevitori molto particolari, senza peraltro appesantire eccessivamente i circuiti di interfaccia che i produttori di chip dovranno integrare nei loro prodotti. Ciò è stato ottenuto trasferendo le funzioni di equalizzazione dal trasmettitore al ricevitore e delegando al software - anziché all'hardware - il lavoro di interpretazione dei segnali. Per quanto riguarda il clock che governa la comunicazione, l'innovazione introdotta da Rambus è stata denominata FlexClocking Architecture e si basa su una topologia clock-forwarded e clock-distributed. I suoi vantaggi principali sono la possibilità di arrestare temporaneamente il clock e di svolgere queste funzioni particolari senza appesantire la Dram con l'aggiunta di circuiti costosi e avidi di energia. A sua volta, questa architettura di clock consente di realizzare la funzione di Apsm (Advanced Power State Management), cioè il passaggio estremamente rapido tra le diverse modalità di funzionamento caratterizzate da altrettanti livelli di consumo. Queste modalità riflettono i diversi impieghi di un sistema portatile evoluto, che può essere utilizzato per una semplice telefonata (basso consumo) oppure per la visualizzazione di un video (alto consumo).
Fino a 4,3 Gbps su una singola linea seriale
Stando ai risultati dichiarati da Rambus, la nuova interfaccia offre prestazioni decisamente interessanti. La velocità di trasmissione dei dati su una singola linea seriale può infatti raggiungere ben 4,3 Gbps, un valore sedici volte più alto rispetto a quanto ottenibile dall'interfaccia LPDDR1-133 oggi in uso. Diviene quindi possibile generare un flusso di dati di oltre 17 gigabyte al secondo utilizzando un singolo dispositivo di memoria x32. Il massimo consumo dell'interfaccia scende dagli 880 mW delle soluzioni attuali a soli 230 mW, con un conseguente aumento dell'autonomia da 150 a 200 minuti (queste stime, ovviamente, sono riferite a una determinata configurazione di sistema e a una determinata modalità d'uso). Il passaggio dalla modalità “deep power down” alla modalità attiva, che con l'interfaccia LPDDR1-133 richiede 200 nanosecondi, può essere effettuato dalla nuova interfaccia Rambus in soli 50 nanosecondi, corrispondenti a venti cicli di clock. L'elevata velocità di trasmissione dei dati rende inoltre la soluzione MMI intrinsecamente “scalabile”, cioè adattabile a una vasta gamma di sistemi caratterizzati da esigenze diverse; là dove sono sufficienti prestazioni basse sarà possibile utilizzare bus di memoria più “stretti”, con l'ulteriore vantaggio di una riduzione dei costi del sistema.
La gara è aperta
Rambus ha realizzato alcuni chip che implementano le innovazioni della Mobile Memory Initiative (utilizzando processi di uso comune e contenitori Package On Package, tipici dei telefoni cellulari) e ha impiegato questi dispositivi per fornire dimostrazioni pratiche in occasione di due manifestazioni tenutasi lo scorso febbraio: il DesignCon a Santa Clara in California e il Mobile World Congress di Barcellona. Come si è detto, anche altre società stanno studiando interfacce di memoria veloci e a basso consumo; occorrerà quindi attendere per vedere se Rambus riuscirà a convincere i produttori di telefoni e altri sistemi portatili, generando così una domanda di mercato per memorie e processori dotati dell'interfaccia MMI. La gara è aperta. “Il nostro punto di forza consiste nella possibilità di ottimizzare tre diversi parametri tramite una stessa soluzione: ampiezza della banda di memoria, consumi, rapidità di passaggio tra le diverse modalità di funzionamento”, ha affermato Judy Chen, direttrice del marketing strategico di Rambus, nel corso di un'intervista rilasciata recentemente a Selezione di Elettronica.
