Термокомпенсация как вектор развития DRAM

21 Июл 2016

Термокомпенсация как вектор развития DRAM

Слева от текста вы видите секторную диаграмму, которая тезисно иллюстрирует современные тенденции развития динамических запоминающих устройств, получивших широчайшее применение во всех областях цифровой техники. Для достижения поставленных целей HighTech-индустрия берет на вооружение методы, ранее практикуемые исключительно в любительском оверклокинге. Одним из них, несмотря на снижение потребляемой мощности и в следствие этого — общее улучшение ситуации с теплопакетами DRAM, является адаптация рабочих характеристик динамической памяти к температуре чипа. Давайте проанализируем, какой эффект можно ожидать от технологии термокомпенсации, активно внедряющейся на персональных платформах.

 

Экскурс в теорию

В основе динамической памяти лежит принцип хранения информации на емкостях затворов МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзисторов. Отметим, что паразитная емкость, обычно считающаяся вредным явлением вследствие снижения быстродействия полупроводникового прибора, в данном случае приносит пользу.

По сравнению со статическим ОЗУ, основанном на триггерных схемах с двумя устойчивыми состояниями, запоминающая ячейка динамического типа реализуется на меньшем количестве транзисторов (в теории, одном), что позволяет повысить информационную плотность, снизить габариты, и, естественно, стоимость.

В силу наличия паразитных проводимостей и токов утечек, запоминающие емкости имеют свойство разряжаться со временем. Поэтому, для обеспечения хранения информации требуется выполнить Refresh — регенерацию. Период регенерации типовой схемы DRAM составляет единицы миллисекунд.

Перед разработчиками, как это обычно бывает, стоит задача нахождения компромисса. Чем выше частота регенерации, тем чаще происходит подзарядка запоминающих емкостей и тем надежнее хранение данных. Но поскольку во время рефреша доступ к памяти невозможен, с ростом частоты регенерации (Refresh rate, — не путать с тактовой частотой DRAM, подаваемой на вход CLK), пропускная способность оперативной памяти падает.

Достаточно много исследовательских работ посвящено разработке методов скрытой регенерации (Hidden refresh), направленных на минимизацию падения производительности, связанного с регенерацией. Хотя, цена вопроса в типовом случае составляет единицы или доли процентов пропускной способности DRAM, другим эффектом от снижения частоты регенерации является уменьшение потребляемой мощности, весьма важный фактор для мобильных и встраиваемых приложений.

Принцип TCSR (Temperature Compensated Self Refresh)

Поскольку паразитные проводимости, приводящие к разрядке запоминающих емкостей, прямо пропорционально зависят от температуры, при более низкой температуре регенерацию можно выполнять несколько реже, обеспечив пусть небольшой, но прирост производительности, если говорить о функциональном режиме микросхемы, в котором обслуживаются операции чтения и записи данных. Очевидно, в энергосберегающих состояниях с автономной регенерацией, при которых обращение к микросхеме DRAM на предмет чтения и записи невозможно, фактор производительности не актуален.

На практике, более важным эффектом TCSR является уменьшение потребляемой мощности, связанное с понижением частоты обновления строк запоминающей матрицы.

Сравнение технологий TCSR и ATCSR
Рис 1. Сравнение технологий TCSR и ATCSR

Схема иллюстрирует главное отличие в реализации технологий TCSR и Auto TCSR. В первом случае, измерение температуры входит в обязанности платформы. По результатам измерения контроллер программирует частоту регенерации (External Input). Во втором случае (при использовании ATCSR) — микросхема DRAM измеряет температуру и устанавливает частоту регенерации автономно, применяя термодатчик, встроенный в кристалл (Inside of a device).

Сравнение потребляемого тока при различных значениях температуры
Рис 2. Сравнение потребляемого тока при различных значениях температуры

Таблица наглядно демонстрирует эффект, связанный с влиянием частоты регенерации на потребляемый ток. Частота регенерации, в свою очередь, адаптивна к температуре. Приведены оценочные значения, которые необходимо уточнять по информации из Data Sheet на конкретную микросхему.

Процедура активации технологии ATCSR
Рис 3. Процедура активации технологии ATCSR

Для активации технологии ATCSR, контроллер программирует регистр управления Extended Mode Register, входящий в состав микросхемы DRAM. При этом информация на адресной шине интерпретируется как управляющий код, а не как адрес ячейки памяти. В этом примере нулевое значение бита A9 разрешает ATCSR, единичное значение зарезервировано. Формально это означает, что технологию ATCSR в этом примере выключить нельзя.

Пример реализации

Один из примеров имплементации Auto TCSR, микросхема DRAM H9TCNNN8LDMMPR, документация на которую декларирует применение технологии Auto TCSR и наличие термодатчика на кристалле DRAM.

Упоминание об использовании ATCSR
Рис 4. Упоминание об использовании ATCSR

Результат работы термодатчика используется при выборе оптимальной частоты регенерации
Рис 5Результат работы термодатчика используется при выборе оптимальной частоты регенерации

Резюме

В примере мы намеренно рассмотрели микросхему, оптимизированную для применения в качестве буферного ОЗУ твердотельного накопителя. В условиях плотной компоновки элементов, имеющей место в ряде SSD-устройств, актуальность термальной оптимизации возрастает.

В свою очередь, автономное управление процессами регенерации DRAM, позволит упростить контроллер динамического ОЗУ, входящий в состав интерфейсной микросхемы mass storage устройства.