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内存缓冲芯片:满足阿姆达尔定律以维持摩尔定律

如何扩展内存带宽和容量以保持系统性能的提高。

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摩尔定律,即集成电路中可用的晶体管每两年翻一番,在过去50多年里推动半导体和IT行业实现了无与伦比的增长。

这些晶体管已被用于cpu,以增加并行执行单元和指令读取的数量,扩展片上缓存(和整体容量)的级别,支持推测/预测能力,以及无序和多线程硬件。摩尔定律还支持内存控制器,扩展加速指令集,将CPU重新架构为多核系统,并增加IO和协处理器接口。简而言之,摩尔定律使得每单位计算的成本以惊人的速度下降,并促进了服务器虚拟化以及在云中使用这些虚拟化服务器。

但是要实现与原始CPU计算增量成比例的实际系统性能改进,需要一个平衡的系统。1967年,Gene Amdahl从理论上提出,为了完成工作负载而相互连接的并行计算机的加速最终将受到工作负载中串行部分的限制(例如数据管理管理)。他的结论是,除非在串行部分也有同等的加速,否则实现高并行处理速率的努力将是徒劳的。类似地,在今天运行并行任务和并行虚拟服务器的多核多线程处理器中,外部内存接口带宽和容量是共享资源,可能会限制实现的总体加速,除非它们也遵循与摩尔定律相同的增长曲线。

服务器(以及桌面和工作站)的内存以双列直插内存模块(dual in-line Memory module, DIMM)的形式采购和部署。这种外形很适合应用空间,因为它并行集成了8-18个DRAM芯片,以实现合适的系统带宽和最小容量,允许在模块出现ECC错误或坏掉时具有可服务性,并允许通过填充以前未使用的插槽或升级现有内存来实现可扩展性。传统上,内存只是由dram组成,但其他类型的内存如Flash和3D Xpoint即将问世。在DIMM本身,可以使用多个“rank”DRAM(一组8-18个DRAM芯片,共享相同的数据、控制和地址信号线,作为rank 0)来增加DIMM的容量。此外,多个内存可以出现在单个CPU内存通道上,再次增加整体容量。随着内存计算、数据库应用程序和低延迟数据分析的兴起,最大化每个CPU的服务器内存量是非常需要的。

虽然这种拓扑结构和形式因素非常灵活,并且允许一定范围的内存系统容量,但容量的增加是以每个CPU加载固定数量的通道(由数据、控制和地址信号组成)为代价的,并且降低了每个通道的可实现带宽。在DIMM上增加内存缓冲芯片,将DIMM的全部负载与CPU通道隔离,可以打破这种基本的权衡,同时实现高系统容量和带宽。这项技术在90年代的SDRAM时代首次引入到标准内存中,最初是作为一个简单的时钟中继器。

总之,在过去的20年里,内存缓冲芯片的复杂性、能力和价值都在不断发展,随着业界试图维持摩尔定律以及内存带宽和容量的必要扩展,其重要性将继续增长。



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