Двенадцать вольт для NVDIMM

Одним из критериев готовности вычислительной платформы к ус­та­нов­ке энергонезависимых модулей оперативной памяти (NVDIMM) яв­ля­ет­ся на­ли­чие линии питания +12V. Контакты, к которым может быть при­ло­же­но это напряжение, пред­ус­мо­три­тельно за­ре­зер­ви­ро­ваны уже в стан­дарте DDR4. Теперь у гиб­рид­ных DIMM-модулей есть резервный ис­точ­ник для со­хра­не­ния содержимого DRAM в энер­го­не­за­ви­си­мой па­мя­ти.

Согласно законам физики, применяя повышенное напряжение можно передавать и сохранять энер­гию с ис­поль­зо­ва­нием меньших токов, увеличивая КПД систем питания и энергоемкость на­ко­пи­тель­ных схем, уменьшая нагрев соединительных проводников и коммутационных элементов. Кроме того, ряд твердотельных элементов энер­го­не­за­ви­симой памяти требуют +12V для стирания и записи. Среди NVDIMM-ready платформ можно выделить две под­груп­пы, различающиеся реализацией резервного источника, их и рассмотрим.

О рисках

Очевидно, что наличие напряжения +12 вольт, достаточно высокого по меркам эксплуатационных характеристик даже TTL-логики, повышает риск разрушения компонентов платформы в любой аварийной ситуации. Элементы крепежа или металлическая скрепка, случайно попавшие на системную плату, могут вызвать короткое замыкание с фатальными последствиями. Ведь номинальное напряжение основного источника питания элементов DDR4 ров­но в 10 раз меньше и составляет 1.2 вольта.

Рис 1. Фрагмент таблицы, описывающей расположение сигнальных цепей на 288-контактном разъеме DDR4
(по информации Micron Technology)

Напомним, контроллер оперативной памяти находится в составе микросхемы центрального процессора, а кон­т­рол­лер последовательной шины System Management Bus, обеспечивающий чтение информации SPD традиционно входит в состав PCH (Platform Controller Hub, он же южный мост). Таким образом, сигнальные цепи этих двух глав­ных и весьма дорогостоящих микросхем составляют большинство среди 288 контактов разъема, а это значит, что финансовые потери в случае аварийной ситуации с участием напряжения +12 вольт могут оказаться весьма су­ще­ст­вен­ны­ми.

Два метода обеспечения резервного питания

Среди платформ, поддерживающих энергонезависимые модули памяти, а следовательно подключающих +12V к контактам 1 и 145 разъема DDR4, существует своя дополнительная классификация.

Рис 2. Описание двух вариантов обеспечения резервного источника питания с использованием линии +12V (по информации Micron Technology)

Вариант Option 1 (PowerGEM или green energy module) подразумевает наличие резервного источника питания, за­ря­жа­е­мо­го от линии +12V и подключенного к модулю NVDIMM по оригинальному интерфейсу (via proprietary cable and connection). В силу своих габаритов, такой источник выполнен в виде выносной конструкции — Ultracapacitor Power Module. К системной плате в этом случае требования минимальны: необходимо обеспечить соединение ли­нии +12V от блока питания (обычно это желтый провод) с соответствующими контактами разъема DIMM.

Option 2 (Backup Energy Source), в противоположность первому варианту, решает задачу накопления энергии и обес­печения резервного питания силами платформы. Аккумуляторы или конденсаторы, а также схемы ком­му­та­ции цепей питания и стабилизации напряжения, в этом случае реализованы на системной плате, а напряжение +12V на контактах 1 и 145 разъема DDR4 будет присутствовать после отключения основного питания платформы, в течение времени, достаточного для сохранения содержимого DRAM в энергонезависимой памяти.

Рис 3. Блок-схема модуля NVDIMM и цепей резервного питания (по информации Micron Technology)

Иллюстрация (Рис. 3) показывает два варианта обеспечения резервного источника питания +12V. Поскольку дан­ная блок-схема приведена в документации на регистровые модули памяти, буферные регистры (Register) также показаны на блок-схеме гибридного модуля, муль­ти­плек­сор (MUX), действуя на основании команд, поступающих от хоста, и анализируя адрес диапазона памяти, выбирает целевой объект, каковым может быть оперативная память (SDRAM+Register) или энергонезависимая память (NVDIMM Controller + NAND Flash).

Если примененная технология мультиплексирования обеспечивает возможность доступа со стороны хоста к обе­им запоминающим матрицам гибридного модуля (DRAM и NAND) то архитектуру, показанную на Рис.3 можно клас­си­фи­ци­ро­вать как NVDIMM-P, с важной оговоркой о том, что преимущества модулей такого типа могут быть рас­кры­ты только в сочетании с программной поддержкой со стороны UEFI и ОС.

Отдельного внимания заслуживает сигнал SAVE_n (контакт 230), Это двунаправленная (в случае пол­но­функ­ци­о­наль­ной реализации протокола) линия на основе цепи с открытым стоком или open-drain, обеспечивающая до­пол­ни­тель­ную коммуникацию между контроллером NVDIMM и хостом. Сигнал позволяет контроллеру запустить опе­ра­цию сохранения содержимого DRAM в NAND, а также проконтролировать асинхронное завершение этой операции модулем.

Резюме

Отметим, что решения, подобные рассмотренному, также можно встретить в твердотельных на­ко­пи­те­лях. Сис­тем­но­му интегратору для анализа готовности платформы к установке NVDIMM, следует убедиться не только в на­ли­чии источника напряжения +12 вольт для модулей, но и в том, что алгоритмы работы этого источника, используемые платформой и NVDIMM совпадают.

А с учетом приведенного анализа рисков, факт применения напряжения +12V можно рассматривать как неплохой повод для повышения культуры производства и отказа от привычки ронять скрепки на работающую плату. Если данное требование невыполнимо вследствие ментальных причин, стоит перейти на пластмассовые скрепки.

Но если серьезно, то данное решение, позволяющее повысить КПД цепей питания, безусловно отражает се­го­дня­ш­нюю философию проектирования систем, в которой энергосбережению отводится более важная роль, чем дол­го­веч­ности изделий.