Hybrid Memory Cube - pamięć przyszłości

Pamięć RAM to jeden z nielicznych elementów wyposażenia komputera, której rozwój technologiczny przebiega wolniej niż innych, np. procesorów czy kart graficznych. Powoli dochodzi do sytuacji, w której ten element staje się wąskim gardłem systemu, stojącym na przeszkodzie szybkiemu dostarczaniu danych do procesora. Rozwiązaniem ma być stworzona przez Intela i Microsoft pamięć Hybrid Memory Cube.

Problem pamięci leży w za małych osiągach pracy. Zarówno szerokość pasma przesyłu danych, jak również szybkość ich odczytu oraz zapisu powoli przestają spełniać wymagania narzucone przez procesor. Problem pogłębia się z każdym rokiem, gdyż nowe konstrukcje wymagają jeszcze szybszych pamięci po to, by w pełni wykorzystać swój potencjał. Jednocześnie rośnie znaczenie urządzeń mobilnych, a co za tym idzie, liczba potrzebnych do produkcji ich podzespołów. Oznacza to, że konieczne jest ciągłe zmniejszanie pamięci przy zachowaniu takich samych lub nawet uzyskaniu wyższych parametrów pracy. Wszystko z powodu niewielkich wymiarów smartfonów oraz tabletów, w których najwięcej miejsca zajmują wyświetlacz oraz akumulator. Na resztę podzespołów zostaje naprawdę mało miejsca.

Rozwiązaniem wyżej wymienionych problemów jest Hybrid Memory Cube. Jest to pamięć wielowarstwowa lub - inaczej mówiąc - wielopoziomowa. Poziomy te są połączone ze sobą pionowymi stykami. Zastosowanie takiej budowy umożliwiła specjalna warstwa logiczna, dzięki której możliwa jest możliwa szybka komunikacja z procesorem lub jego elementami.

Błyskawicznie i oszczędnie

Pierwszy prototyp Hybrid Memory Cube został przedstawiony na Intel Developer Forum 2011. Miał on cztery warstwy pamięci i mógł przesłać nawet 128 GB danych na sekundę. Dla porównania, standardowy moduł DDR3 1333 cechuje się szybkością 10,6 GB/s, a najszybsze DDR3 2400 to 19,2 GB/s. Okazuje się jednak, że przed wdrożeniem oraz popularyzacją Hybrid Memory Cube konieczne będzie opracowanie chipsetów i płyt głównych, które będą mogły obsłużyć równie duży strumień danych. Bez tego pamięć będzie przypominała ocean próbujący przecisnąć się przez kuchenny kran.  Kolejnym wąskim gardłem są dyski twarde i SS, za wolne, by wykorzystać możliwości Hybrid Memory Cube. Z tego powodu trzeba je zastąpić innymi rozwiązaniami. Najbardziej prawdopodobne to memrystory i pamięci milipede. Są one jednak dopiero opracowywane i pojawią się na rynku za kilka lat.Kolejną zaletą Hybrid Memory Cube jest możliwość bezproblemowego łączenia się z dowolnym rdzeniem procesora. W wypadku tradycyjnej pamięci nie jest to możliwe z powodu obecności tylko jednego połączenia z CPU, które jest obsługiwane przez znajdujący się w procesorze kontroler. Ten problem nie istnieje w wypadku pamięci hybrydowej. Warstwa logiczna współdziała tam z przełącznikiem matrycowym, który może dowolnie i precyzyjnie dobierać pojedyncze rdzenie. Dodatkowo połączenia pamięci z kolejnymi układami są równolegle i każde z nich działa z pełną szybkością. Oznacza to, że kontroler pamięci będzie obsługiwał tyle kanałów, ile akurat będzie potrzebne. Obecnie najlepsze kontrolery obsługują maksymalnie cztery kanały. Przyszła pamięć będzie mogła obsłużyć ich dowolną ilość. Jeśli na rynku jest procesor z 4 rdzeniami, pamięć będzie działać w trybie czterokanałowym. W wypadku procesora z 12 rdzeniami, będzie pracować w trybie 12-kanałowym.

Jeżeli chcesz zobaczyć, jak ma działać Hybrid Memory Cube, przyjrzyj się modułom pamięci RDIMM Samsunga. Tak jak w pamięci hybrydowej, tam również kolejne warstwy łączą się za pomocą pionowych styków, jednak brakuje im warstwy logicznej o wyższym priorytecie. Determinuje to wykorzystanie zewnętrznego kontrolera pamięci, który może obsłużyć jedno połączenie z procesorem. Mimo wszystko pamięci RDIMM są godne uwagi z powodu bardzo niskiego poboru energii. Moduły takie ze względu na bardzo krótkie ścieżki przesyłania danych potrzebują o 40% energii mniej niż w obecnie używane pamięci DDR3. Także inne rozwiązania mają wpływ na energooszczędność tego układu. Następne 30% energii zostanie zaoszczędzone przez inteligentny system zarządzania warstwą logiczną. Na razie nie wiadomo, w jaki sposób ma wyglądać wydzielanie ciepła przez pamięci. Istnieją tylko przesłanki, według których będą one gorętsze od dzisiaj dostępnych pamięci. Możliwe jest zatem, że konieczne będzie aktywne ich chłodzenie. Nie ma niczego za darmo.

Wszechstronna pamięć nie tylko do peceta

Dzięki ułożeniu warstw pamięci w stosy i trójwymiarowemu układowi zintegrowanych obwodów HMC ma bardzo kompaktową budowę. Na płycie głównej hybrydowa pamięć zajmie o 90% mniej miejsca niż tradycyjne moduły RAM. Konsorcjum odpowiedzialne za opracowanie nowego układu pamięci chciałoby przyłączać go jak najbliżej CPU, procesorów graficznych i wyspecjalizowanych w określonych zadaniach mikroprocesorów. Tym samym Hybrid Memory Cube stałaby się ciekawym rozwiązaniem do innych urządzeń, na przykład telewizorów.

Już za rok układy Hybrid Memory Cube powinny znaleźć się w pierwszych stacjach roboczych oraz serwerach. Zwykli użytkownicy pamięci hybrydowe będą mogli wypróbować prawdopodobnie w 2015 lub 2016 roku. Nie jest znana przewidywana ceny tego typu podzespołów, ale zapewne nie będzie niska, przynajmniej na początku.

Schemat budowy i działania pamięci Hybrid Memory Cube[1] Stos pamięci. Cztery znajdujące się w położeniu pionowym warstwy pamięci pozwalają na znaczne zwiększenie ilości danych zapisywanych w danej przestrzeni. Oznacza to, że pamięci Hybrid Memory Cube będą wyposażone w dwunastokrotnie szersze pasmo niż w wypadku obecnie dostępnych na rynku podzespołów tego typu.

[2] Połączenia krzemowe. Poszczególne pionowo położone warstwy są łączone przez przelotki krzemowe. Ich zadaniem jest transport danych do głównej warstwy logicznej.

[3] Warstwa logiczna. Każdy stos pamięci jest wyposażony w kontroler, który zarządza pamięcią. Proces ten polega na wyborze danych i momentu ich przesłania do procesora. Dzięki zastosowaniu przełącznika matrycowego możliwe jest wysłanie danych do konkretnego rdzenia procesora. Możliwe jest również wzajemne komunikowanie się różnych pamięci Hybrid Memory Cube między sobą.

[4] Wielordzeniowy procesor. Hybrid Memory Cube może przesyłać dane do każdego wybranego, pojedynczego rdzeniem procesora. Pojedyncze transfery przebiegają wówczas równolegle, a ich prędkość się nie zmniejsza.


Zobacz również