Микросхемы памяти GDDR5X

Схема работы подсистемы памяти с GDDR5X из стандарта JEDEC

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 конфигураций 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.
Ратифицированные JEDEC ёмкости микросхем GDDR5XВ 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.
Микросхемы памяти GDDR5XХотя 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.
Графическая карта NVIDIA GeForce GTX Titan X c память GDDR5Что 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».
Производство DRAM на одной из фабрик Micron