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存儲器撞墻效應誰來解?

2014-12-16

     電腦系統的效能精進,在近年來遭遇一些問題,例如處理器的時脈撞墻(Clock Wall)問題,即運作時脈難以超越4GHz,2011年第4季Intel推出第二代的Core i7處理器達3.9GHz,至今Intel所有的處理器均未超過3.9GHz。

  時脈撞墻逼迫Intel放棄過往慣用的時脈提升加速法,取而代之是以增加處理器的核數來提升效能,事實上早于2005年即提出雙核構想(仿效2000年IBM提出的POWER4),2006年Intel跟進推出Core Duo,此后x86 CPU的效能提升,即是在時脈與核數及功耗間求取平衡。

  另一個問題是記憶體撞墻(Memory Wall),事實上這個問題比時脈撞墻問題嚴重,且發生的時間更早。根據統計,1986年到2000年間,處理器的效能每年以55%的幅度在成長,但相對的,記憶體僅有每年10%的速度增長。

  很明顯的,記憶體逐漸成為整體電腦系統效能中的“瓶頸”,為此Intel多次運用晶片組市占率,引領與逼迫并用地讓電腦記憶體產業升級,先是自最傳統的FPM RAM升級成EDO RAM,而后升級成

  但Intel期望產業自升級成RDRAM時,RDRAM的發展卻不如預期,且Intel支援RDRAM的i820晶片組發生瑕疵,迫使Intel放棄RDRAM,回歸大宗主流的,而后隨JEDEC組織的制訂進入DDR SDRAM(原有的SDRAM則為區別,稱為SDR SDRAM)。不僅Intel失敗,相近時間NEC也曾提出VC RAM(Virtual Channel,虛擬通道),期望改善記憶體的存取效能,但也未能獲得市場認同。

   數年后Intel再次嘗試突破現狀,記取RDRAM技術變革過大且獨家主導等缺點,2005年Intel提出FB- DIMM(Full Buffered Dual In Line Memory Module),在不改變原有DRAM產業的情況下,透過 AMB(Advanced Memory Buffer,先進記憶體緩沖器)晶片來加速傳輸,并將FB-DIMM標準提交,2006年獲得JEDEC組織 認可,以利推行。但到了2011年,Intel、等均放棄使用FB-DIMM,再一次失敗。

  從RDRAM到FB-DIMM,已接近十年時間,即記憶體撞墻效應問題一直未明顯紓解,只能采漸進方式維持,如從DDR2 SDRAM升級成DDR3 SDRAM,而后將進入DDR4 SDRAM,但世代之別大體只在運作電壓的降低、制程的精進,其實變化不大。

  為了解決問題,2011年Micron提出Hybrid Memory Cube技術,簡稱HMC。Micron宣稱HMC比DDR3 SDRAM快上15倍,并為此發起成立Hybrid Memory Cube Consortium組織,與其他業者共同推行。

   HMC主要是運用3D IC的TSV(Through-Silicon Via,矽穿孔)技術,將4至8個現有主流大宗的DDR3 SDRAM裸晶連 接,并共同封裝,并在封裝內由一片邏輯裸晶(Logic Die)擔任記憶體控制器的角色,統籌與多個DDR SDRAM裸晶的存取溝通,以此加速。

  雖然2011年提出HMC技術、2012年發起HMCC組織,但HMC標準化的技術規格至2013年才提出,在歷經1.0版、1.1版后,于2014年提出2.0版,2.0版將傳輸率自15Gbps倍增至30Gbps。

  許多業者將改善記憶體撞墻效應的希望寄托在HMC技術上,不過目前為止的推進仍很緩慢,截至目前為止仍未見有采行HMC記憶體的電腦系統,預計2015年才會登場,即便如期登場,從技術到系統也歷經4年時間。

   另外,或許有人對HMC技術的推展抱持樂觀,因為HMCC組織中,8家關鍵業者有3家為記憶體大廠,即Micron、Samsung、 SK Hynix。但是,10多年前的RDRAM,也是獲得Intel、Samsung、Micron等大廠的入資或換股,最終RDRAM并沒有成為新一 代的主流記憶體,因此,對HMC的推行仍難有樂觀的理由。

  如果記憶體撞墻效應無法解決,那么無論使用多好的固態硬碟(SSD),多好的運算負荷卸載(Offload)網卡,則都有其限,因為硬碟、網路均在記憶體之下,看來產業只能期許這個延宕多年的問題能早日解決。

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