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新興應用前仆後繼 GDDR/HBM高效能記憶體潛力大

在今日的資料經濟中,每天有極大量的資訊產生、被儲存和處理。資料產出的深入洞察可創造驚人的價值,並更進一步提升效率。記憶體科技的創新正是讓資料洞察從無到有的關鍵。本文旨在探討今日與未來市場對於高效能記憶體的需求,使讀者了解現階段的市場挑戰,以及高效能記憶體對於各種資料密集與頻寬密集型的應用均不可或缺的原因。 高效能記憶體市場趨勢/流變 AI、機器學習、深度學習、無人自駕車、高效能運算、虛擬實境、擴增實境等應用,使下一代遊戲不只是熱門詞彙。 這些應用的使用量大幅成長,皆需用到非常大量的資料—這些資料不僅量大,還必須被快速和重複分析,而占用極大的系統頻寬(圖1)。筆者相信,2020年是決定下一代高效能記憶體技術發展的關鍵年。 圖1 各領域針對資料使用量不斷上升 打造高效能記憶體系統 雖然專用於繪圖卡快速渲染之同步動態(Synchronous Dynamic)繪圖用雙倍資料傳輸率(Graphics Double Data Rate, GDDR)記憶體技術已發展多年,但本文僅探討2008年GDDR5出現後的進展。當年,市場需要以已知的設計方法和原料,以及可負擔的封裝方式,來提高記憶體的資料傳輸速率。GDDR5從512Mb開始、成長到8Gb的密度,最後達到每引腳8Gbps的最高資料傳輸效能。若要計算系統頻寬的話,以典型的繪圖卡配置(8顆元件、32位元介面)而言,每引腳傳輸速率8Gbps的GDDR5可提供8GB的訊框緩衝(Frame Buffer)與256GBps的系統頻寬。市場雖一度可以接受這樣的效能,但不久後便追求進一步提高頻寬。 2015年美光(Micron)與NVIDIA合作,在GDDR5X中導入JEDEC的創新標準,將每引腳最高的資料傳輸率增至12Gbps。之後的兩年期間,GDDR5X稱霸高階繪圖卡市場。例如NVIDIA Titan X(32位元介面、12顆元件、每引腳資料傳輸率11.4Gbps)的系統頻寬便達到547GBps。 或許,GDDR5X最重要的成果是,它奠定了GDDR6的框架。GDDR6於2018年秋季問世後,效能立刻在市場上顯現。當NVIDIA於2018年、AMD於2019年推出8Gb GDDR6時,美光為兩家公司的產品發布夥伴,滿足市場對高效能的需求。GDDR6現仍在產品預期生命週期的相對早期階段,目前,每引腳最大資料傳輸率為16Gbps。使用GDDR6的系統最高頻寬預計可達768GBps(32位元介面、12個元件、16Gbps的每引腳資料傳輸速率)。GDDR6不只是高效能的解決方案,也是適用於多種不同應用的成本優化方案(表1)。 講到高效能記憶體,就不免提到高頻寬記憶體(HBM)。HBM不但與運算元件緊密整合,還能同時降低功耗和拉高頻寬,填補記憶體方案的缺口。HBM透過堆疊記憶體元件提高密度,並以較低時脈達成較高的I/O數,進而提供高頻寬,並具備較低功耗。HBM是一種強大的高效能記憶體,但由於產品本身的複雜性,也是成本相對較高的方案,因此HBM鎖定需較高頻寬,且成本敏感度較低的應用(圖2)。 圖2 高頻寬記憶體運用堆疊的記憶體元件,達成高密度與高I/O數 GDDR與HBM是高效能記憶體市場中的關鍵產品,接著探討主要的市場趨勢。 新市場趨勢與應用層出不窮 在列舉高效能記憶體的應用時,遊戲(Gaming)通常是最先浮現腦海的應用。雖然遊戲的重要性不容小覷,但有些新興的市場趨勢與應用也讓繪圖產業的需求水漲船高(圖3)。 圖3 新興的市場趨勢與應用也讓繪圖產業的需求水漲船高 人工智慧/機器學習與GPU 繪圖處理器(GPU)過去多半僅用於遊戲領域。但是,隨著AI在各產業區塊的爆炸性發展,GPU已是創造價值和效率的利器。GPU普遍都需要高效能的記憶體。機器學習與深度學習訓練所用的演算法需執行複雜的數學及統計運算,而GPU已被證明可較CPU更快解決這些繁雜的計算。在討論AI時,必須區別推論(Inference)和訓練(Training)兩種不同的需求。AI訓練是運算非常密集的工作,系統頻寬越高越好。AI推論則較常見,對頻寬的要求低於AI訓練。訓練與推論都是未來不可或缺的一部分。兩者合併運用下,可創造出高品質的神經網路。GPU及其尖端記憶體正被應用於AI、機器學習和深度學習上,讓這些應用以人類所不及的準確度,解決更多真實世界的難題。 高解析度影片 下一個驅動高效能記憶體成長的是4K/8K內容。高階遊戲不斷推動繪圖技術在高解析度與回應速度上的創新突破(零延遲/零緩衝)。今日許多頂級的遊戲設備均搭載4K解析度,未來更將達到8K或更高解析度。專業的遊戲玩家常同時使用多台顯示器,其中不乏4K+的螢幕(因為工作負載高,對於繪圖卡與大訊框緩衝區的需求也會增加)。 由於影像解析度增加,視訊渲染未來仍需大訊框緩衝區與高頻寬。隨著媒體內容與遊戲的串流應用在全球日益普及,資料中心的資料處理能力也需日漸提升。 遊戲創新 雲端遊戲的運作仰仗資料中心。那些資料中心內的伺服器多搭載GPU,以優化效率。Google Stadia、NVIDIA GeForceNow、PlayStation Now與Microsoft Project xCloud都是近期出爐的一些新型雲端遊戲平台。雲端遊戲預計將快速成長,並持續推動創新。光線追蹤(Ray Tracing)是視覺繪圖領域中夢寐以求的技術。從光源追蹤光線及設計出逼真照明環境的能力,一直是繪圖產業在過去20多年間努力的目標。在NVIDIA和AMD最新的繪圖卡產品,以及即將上市的PlayStation 5與Xbox Series X遊戲機上,這種渲染技術終於落地。 PC遊戲正驅策遊戲市場中頂級規格的發展。由於PC可每年或更頻繁地更新硬體,專業玩家普遍偏愛PC遊戲。PC遊戲持續帶動繪圖功能強化(4K/8K、光線追蹤與可變速率著色),以及對於最高回應時間(最低緩衝/延遲時間)的需求。如上面關於高解析度影像的討論,專業遊戲玩家有時會同時使用多台最高規格的顯示器;在這樣的配置下,玩家需不斷更新系統,才能保持競爭力。 為了達到最佳效能,玩家傾向選用內建不只一張繪圖卡、而是搭載多張平行運作繪圖卡的遊戲設備。 AR/VR 無論在PC遊戲或主機遊戲的世界裡,虛擬實境(VR)都已是許多不同遊戲的熱門選項。從早期較簡單的型態開始,VR繪圖技術和功能現正突飛猛進,並滲透至諸多新領域中。隨著品質精進,遊戲將繼續以健康的速度成長,但更亮眼的成長將來自一些令人振奮的新領域。 在醫療產業中,VR和擴增實境(AR)都可望成為教育訓練的利器。目前,已經有些有趣的應用(運用AR)將虛擬物件融入真實環境,以輔助醫療教學。如美光繪圖卡解決方案不局限於遊戲領域,將觸角延伸到垂直產業,包括專業繪圖、高效能運算、車載應用與網路等。 建築、工程與建造是VR與AR顯而易見的下一波灘頭堡。對許多領域來說,能夠在實地參訪或建構實體建物前,先虛擬地「看到」或甚至遊覽某地或建築、並了解物件將如何與所在環境互動,前景都令人倍感期待;教育領域的VR與AR的應用可望大幅成長。與醫療訓練一樣,講師和專家在教學中也可運用虛擬物件、提供虛擬的範例和與虛擬元素互動。 高階AR與VR頭戴裝置需搭配強大的PC和繪圖卡,才能達到最高設備規格。HTC Vive Pro最低規格的顯卡是NVIDIA GeForce GTX 1060或AMD...
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DDR5標準正式發表 記憶體大廠超前布署升級商機

負責制定DRAM產業標準的JEDEC,在台北時間15日清晨正式發表DDR5標準,與現有的DDR4相比,DDR5最大的特點在於DRAM晶粒將內建糾錯編碼(ECC)邏輯電路,同時DIMM模組上也將全面搭載電源管理晶片(PMIC),操作電壓也會從1.2V降低到1.1V。為了搶食DRAM產業暌違多年的升級商機,DRAM大廠無不競相展開準備動作,預期到2021年下半,就有機會看到DDR5記憶體在伺服器產品上現身。 JEDEC JC-42記憶體委員會主席Desi Rhoden表示,DDR5標準納入了許多新的技術,以提高DRAM的效能、可靠度,並且將省電模式納入標準中。藉由導入DDR5記憶體,伺服器與個人電腦等大量使用DRAM的應用產品,都可望在性能、能源效率等方面有更上一層樓的表現。 與DDR4等現有的DRAM標準相比,DDR5最大的幾個特性包含在記憶體晶粒內部直接內建ECC邏輯電路、模組上全面搭載PMIC、DRAM工作電壓由1.2V進一步降低到1.1V、改用MIPI聯盟I3C基本規格做為系統管理匯流排。藉由這些新技術,DDR5記憶體所使用的半導體製程,會比DDR4有更大的微縮空間,帶來儲存容量提高的效益,並且在I/O性能上比DDR4提高至少50%。DDR4的頻寬目前已經達到3.2Gbps的理論最大值,但第一代DDR5記憶體的頻寬將從4.8Gbps起跳。 參與DDR5標準制定的記憶體業者預期,新標準的導入期約需要12~18個月,但因為許多記憶體大廠都已經在標準正式公告前,就提供DDR5的工程樣品給客戶參考,等於相關產品的研發工作已經超前布署,故最快在2021年下半,就有機會看到伺服器開始搭載DDR5記憶體。 舉例來說,美光(Micron)科技日前已發表技術應用支援計畫(Technology Enablement Program, TEP),該計畫將提供技術資源、優先取得產品,以及和生態系統夥伴的接洽機會;並協助設計、開發和認證搭載最新DRAM技術DDR5的次世代運算平台。 圖 美光宣布DDR5支援計劃。來源:美光 今年1月美光宣布DDR5 RDIMM送樣後,便以此為基礎推出DDR5技術應用支援計畫,將促使業界朝向發揮次世代、以資料為中心等應用價值的目標向前邁進。益華電腦(Cadence)、瀾起科技(Montage)、Rambus、瑞薩電子(Renesas)和新思科技(Synopsys),均為DDR5技術應用支援計畫成員。 DDR5改善DRAM的效能、容量和可靠性,協助現代資料中心為持續快速成長的處理器核心數,提供記憶體頻寬,也有助於滿足顧客對資料中心的可靠性、可用性和可支援性方面不斷上升的需求。與前代DDR4相比,DDR5將提供兩倍以上的有效頻寬,減輕每個核心頻寬的密集運算,在各種應用上實現高效能,並改善功耗管理。 通路合作夥伴在新技術的開發和採用方面也扮演著非常重要的角色。在DDR5技術應用支援計畫中,美光將與經銷商、附加價值銷售商和OEM/ODM等夥伴合作,由合作夥伴負責將搭載 DDR5 的創新產品推進市場。 符合資格的合作夥伴可藉由參與此計畫充分利用與美光的國際合作、品質和支援,更可獲得其他優勢,包含: ・特定DDR5元件和模組 ・後續推出之DDR5產品 ・協助產品研發和評估的規格表、電氣和熱導模型等,以及有關訊號完整性的諮詢和其他技術支援 ・協助晶片和系統層級設計的生態系統夥伴支援
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瑞薩推DDR5記憶體用精密溫度感測器

瑞薩電子(Renesas)日前發表一顆全新的精密溫度感測器TS5111,乃針對DDR5記憶體模組以及各式各樣需要精確、即時溫度監控的應用產品,例如固態磁碟(SSD)、運算用主機板和通訊設備等。這顆全新的溫度感測器符合JEDEC規範,讓記憶體模組和其他對溫度較敏感的系統,能夠在即時、閉迴路的熱管理演算法支援下,以最高的效率和可靠度來運作。 瑞薩資料中心業務部副總裁Rami Sethi表示,很榮幸能提供第一款用於DDR5,並符合JEDEC規範的溫度感測器,目前已獲得我們重要客戶和生態系統合作夥伴的驗證。TS5111具有以單顆熱感測器解決方案,連結整個運算產業的潛力,該解決方案支援最新的高速控制匯流排介面,並符合業界標準規格。 TS5111在提供準確、高精度的系統溫度上,扮演關鍵角色,並具備可程式預警訊號,讓系統能夠執行熱控制迴路機制,例如記憶體刷新率、風扇轉速和頻寬節流(Bandwidth Throttling)。TS5111的尺寸只有0.8×1.3mm,非常適合小尺寸系統,還有記憶體和儲存模組等應用產品,在這些應用產品中,溫度監測對於可靠操作是極為關鍵的。TS5111支援I²C、SMBUS以及較新的I3C基本協定(I3C Basic Protocol),可支援高達12.5MHz的資料速率,以及其他先進的功能,例如頻內中斷(In-band Interrupt)、同位查核和封包錯誤查驗。
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強化行動裝置應用 UFS 3.1支援快速寫入/低耗能

2018年起,UFS逐漸導入行動裝置,而JEDEC固態技術協會接續2018年推出的JESD220E UFS 3.0,於今年1月30日發表JESD220E UFS 3.1標準,同時推出搭配使用的JESD220-3(UFS的HPB擴充)。UFS的新功能專為需要高性能與低功耗的移動式裝置和電腦系統設計,希望能順利取代UFS 2.0與eMMC介面在智慧手機上的主流地位。 2018年起,UFS逐漸導入行動裝置。 JESD220E UFS 3.1傳輸速率與UFS 3.0 相同,同樣繼續支援HS-G4標準,單通道頻寬為11.6Gbps,最大速度達23.2Gbps,此外有三個重要的新突破: ·         加快寫入(Write Booster):透過SLC非揮發性記憶體,增強寫入速度 ·         深度睡眠 (DeepSleep):新的UFS低耗能狀態,與其他功能共用UFS穩壓器 ·         性能受限通知(Performance Throttling Notification):允許UFS裝置在溫度過高儲存性能受限時通知主機 JESD220-3擴大使用HPB(Host Performance Booster),協助系統的DRAM存取UFS裝置的記憶體位址。針對密度較大的UFS裝置,DRAM系統提供空間更大且更快速的存取,藉此提升裝置的性能。
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英飛凌推出CoolGaN 400V/CoolGaN 600V工業級產品

英飛凌科旗下CoolGaN系列新增兩款產品。CoolGaN 400V開關元件(IGT40R070D1 E8220)專為頂級HiFi音響系統量身打造,可滿足終端使用者對於高解析度聲軌所有細節的要求。 傳統作法上,這項功能需要具備龐大的線性或真空管放大器才能完成。將 CoolGaN 400V開關元件作為D類輸出級使用,音頻設計人員因此得以為潛在的音響迷提供絕佳的聆聽體驗。CoolGaN 600V工業級開關元件(IGLD60R190D1)可為中低功率應用提供效能與成本最佳化,例如低功率SMPS及電信整流器。英飛凌CoolGaN系列的每項產品皆符合JEDEC標準。 CoolGaN 400V開關藉由低/線性Coss、零Qrr及常閉式開關,提供更順暢的切換及更具線性的D類輸出級。理想的D類音頻放大器可提供零失真及100%效率。開關元件的切換特性大幅度影響線性的損害與功率損耗。英飛凌的 CoolGaN透過在本體二極體中引入零逆復原電荷及極小的線性輸入和輸出電容來突破技術屏障。其結果為終端使用者帶來的好處是,更自然且聲場更廣闊的音訊體驗。 為進一步簡化設計,英飛凌在評估板中包含了採用HSOF-8-3 (TO-leadless)封裝的 CoolGaN 400V產品以及常用的D類控制器(IRS20957STRPBF)。 英飛凌 CoolGaN 600V系列亦新增190mΩ的工業級HEMT。該產品適用於成本最佳化的任何消費性和工業應用,同時降低技術的進入障礙。標準化DFN 8×8 封裝以及匹配的GaN EiceDRIVER系列驅動IC可協助客戶簡化設計作業。
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滿足低功耗/高速傳輸需求 JEDEC正式發布LPDDR5標準

JEDEC固態技術協會發布了全新JESD209-5,意即Low Power Double Data Rate 5(LPDDR5)全新標準。LPDDR5的I/O速率將達6,400 MT/s,比2014年發布的第一版LPDDR4高出50%,這將大幅提高各種應用的儲存速度和效率,包括智慧型手機、平板和超薄筆記型電腦等行動裝置。此外,LPDDR5還提供了專為汽車設計的新功能。 與先前版本的標準相比,LPDDR5記憶體處理能力增加了一倍,其資料傳輸速率為6,400 MT/s,LPDDR4則是3,200 MT/s。JEDEC期望能透過LPDDR5大幅改善電子產品的性能和功能,為此,JEDEC重新設計LPDDR5的架構,改為16 Banks的可程式化(Programmable)和多重時脈(Multi-clocking)的架構。 同時,LPDDR5還增加了Data-Copy和Write-X兩個減少數據傳輸操作的命令,以減少系統功耗。Data-Copy命令可以指示LPDDR5元件將單個I/O接腳上的數據直接複製到其它I/O接腳,便毋須再將數據傳輸到其他接腳;而Write-X 功能則是能減少數據從SoC發送到LPDDR5元件的整體功耗。 除此之外,由於汽車等市場需要可靠的數據,因此LPDDR5在SoC和DRAM之間的介面上導入了連接錯誤更正碼(Link Error Correcting Code, ECC)功能,以符合市場需求。 LPDDR5主要的規格更新包括,I/O處理量高達6,400 Mbps、250mV的訊號電壓、利用DFE增強訊號完整性、增加了WCK和RDQS(Read Strobe)以支援更高的數據速率、核心和I/O的動態頻率和電壓調整、Data-Copy和Write-X指令以降低功耗等。
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記憶體規格大躍進 DDR 5訊號完整成測試挑戰

DDR3提供800~2133MT/s(每秒傳輸Mega)。DDR4提供1600~3200MT/s,傳輸速度是DDR3的兩倍。只需使用1.2V電壓,不僅效率比DDR3的1.5V更高,更可延長電池壽命並降低負載。循環冗餘檢查(CRC)和DDR4技術的晶片內建同位元偵測可增加額外指令與位址傳輸驗證,也能改善資料完整性。此外,DDR4記憶體容量也提升為四倍。DDR3最大記憶體容量是128GB,DDR4最多則可儲存512GB。 簡而言之,DDR4相較於DDR3的優勢包括:傳輸速度更快、效率更高、資料完整性更佳以及、更多記憶體空間。 至於DDR5標準,則可提供超過6GT/s傳輸速度及Tb等級記憶體容量時;整體傳輸速度和記憶體容量會再提高一倍;也就是傳輸速度更快、效率更高,以及記憶體空間更多。 訊號完整性為首要設計挑戰 DDR設計中最常見的訊號完整性挑戰就是記憶體控制器的時序問題。使用者可能會直接以購買方式取得設計所需記憶體控制器,而非採用訂製方式,若是如此,便需要在主機板和記憶體控制器間調整時序。 這樣的方式便足以執行設定和保持時間測試,以進行資料傳輸驗證。過去由於速度較慢,邊限也較寬,因此只要在通過設定與保持時間測試的情況下,在規格內便有足夠空間進行DDR2或DDR3設計。但速度提升也使邊限變得更加嚴格。若於進行DDR4或DDR5設計採用簡易的設定與保持時間測試,所提供之邊限已不足以通過規格驗證,而驗證DDR4需要眼圖(圖1)。 圖1 相符性應用測試內容中之DDR4遮罩測試,眼圖中央的矩形即為遮罩區域。 DDR4標準需在規格內符合隨機抖動和誤碼率的特定邊限與容差,因此可根據此標準為示波器建立遮罩,遮罩會定義示波器顯示器上的某個區域,此區域內的波形必須維持在滿足標準需求的狀態;如果眼圖閉合過多且進入遮罩,可能代表存在誤碼而無法通過規格標準。 我們預測DDR5眼圖會因DDR5速度提升而閉合。若確實如此,就必須利用等化技術讓眼圖張開至適當程度,以驗證設計。此外,DRAM錫球中會定義DDR5規格,但無法進入晶片探量。因此,必須改對通道進行探量,但無法透過此方式得知晶片中的眼圖為張開或閉合,需要決策回饋等化器來消除通道的脈衝響應效應。 善用邏輯分析儀避免資料毀損 驗證DDR4、LPDDR4、DDR5或LPDDR5設計時,常會遇到資料毀損的問題。造成資料毀損的原因有許多種,包含訊號完整性或功能性問題。示波器可對訊號完整性(包括眼圖大小、上升與下降時間及功率完整性)進行驗證與除錯,而邏輯分析儀則用來對記憶體系統功能或協定相符性進行除錯與驗證。若發生記憶體裝置無法以正確順序或在指定時序內接收正確指令等功能性問題,可能會造成資料毀損和系統癱瘓。測試是判斷實體或功能性錯誤和原因的重要方式,讓設計人員可為設計進行除錯並防止故障。 相符性測試軟體降低除錯難度 另外,設計人員還可利用相符性測試軟體,讓測試和除錯作業變得更輕鬆。相符性測試軟體可於示波器上執行,幫助驗證設計的訊號完整性及實體層。此軟體可自動執行相符性測試、驗證設計,並可產生通過/不通過報告,只需要將訊號連接到示波器,然後執行應用軟體即可。 若於進行設計功能或協定相符性測試時選擇合適的邏輯分析儀,便能以高達4200MT/s的資料速率及最高每個訊號400M樣本的追蹤深度,同步擷取所有DDR訊號(在DIMM/SODIMM設計超過100個訊號)。強大的分析軟體可進行記憶體協定傳輸解碼,並針對流經系統的訊務提供多種視圖與圖表,視圖和圖表可幫助驗證工程師快速瀏覽訊務流量,找出有問題的區域,協定相符性驗證軟體可於記憶體系統中精確找出問題。 總而言之,DDR記憶體晶片技術在過去十年歷經了兩個世代的演進,而新一代目前正在進行定義。每一代技術在速度、效率及記憶體容量方面都有所改進。 (本文由是德科技提供)
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