显示存储器向GDDR3迁移,时钟频率将达1GHz

上网时间: 2004年11月28日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:GDDR1? DDR2?

半导体工艺的进步使DDR SDRAM的时钟频率不断提高。随着处理器采用800 MHz前端总线以及双通道存储器架构,无缓冲DDR400 DIMM模块成为高性能桌面PC的标准存储器。桌面PC系统存储器所用的下一代同步DRAM将是DDR2。DDR2通过一系列增强自然地扩展了DDR标准。这些变化发生的同时,显示存储器的性能和架构也在不断改进。而GDDR3显存的推出更是将这一趋势推向1 GHz这一里程碑的高频率。

GDDR3支持高达1 GHz的工作频率

与系统存储器不同,显示存储器必须在超快的点到点操作情况下支持众多像素的处理和存储。因此,时钟频率或带宽是至关重要的因素。随着英飞凌公司推出DDR显存技术,市场主要由GDDR1显存所主导,而GDDR2实际上并没有很大的机会。GDDR1存储器的时钟速度约为300至500MHz。现在GDDR3则可将时钟频率从500 MHz提升到800 MHz甚至更高。例如,采用256位总线和800 MHz GDDR3显存,存储器带宽可达到每秒51.2 G字节。HSPACE=12 ALT="表1: GDDR1 和GDDR3性能比较">

GDDR3基本上与用于系统存储器的商品化DDR2标准非常类似,但针对高速时钟速率进行了优化。GDDR3和GDDR1存储器间的主要差别是:GDDR3工作电压降低为1.8伏(GDDR1工作电压为2.5伏);片上信号端接(裸片端接);一个动态控制阻抗输出驱动;4位预取;以及一个双向单端数据锁存。所有这些相结合大大提高了速度、改善了信号完整性并降低了功耗。供电电压从2.5V降为1.8V使得可在不改变工作频率的情况下降低功耗水平,或者在不增加功耗的情况下工作在更高的频率。利益于这些变化,GDDR3存储器现在可达到更高的时钟频率。

在更高的传输频率下,能利用电阻对信号线进行阻抗匹配端接来防止由于信号反射而引起的信号干扰。对于GDDR1,信号端接是在电路板上完成的,而GDDR3显示存储器则在存储器芯片上直接实现了片上端接。

支持可靠的高速点到点信号传输的另一项重要功能是自动阻抗匹配VDDQ端接。GDDR3 I/O接口是一种在两端同时进行端接的赝开源逻辑:信号源处为动态控制的40欧姆阻抗驱动器,而信号终点则为片上端接(60欧姆)。

发展历程

最早的显示存储器与标准商品化RAM的区别在于其特别适合图形显示应用的特殊功能,如寄存器。由于随后一些代的显示存储器使用此类特殊功能越来越少,显示存储器与标准RAM越来越相似。然而,显示存储器的特点越来越集中在其更高的时钟频率上。

2001年,英飞凌科技公司推出了针对功能强大的3D图像应用的128 Mbit DDR-SGRAM(同步显示RAM)。在此之前,英飞凌公司已经成功推出了第一代DDR显示存储器32Mbit DDR-SGRAM,大大提高了3D图像应用的图像质量。128 Mbit SGRAM采用4M x 32组织,非常适用于32、6?和128位总线的图像应用。

该模块还是第一个采用JEDEC兼容BGA封装的显示存储器,并支持高达300 MHz的时钟频率。BGA封装的显示存储器占用的电路板面积比TSOP或TQFP封装的显存小了一半还多。而且,BGA封装还具有更好的热特性和电特性。

集成显示和独立显示系统

最新一代计算机游戏采用了复杂的场景、极度复杂的逼真环境。此类图像应用确定了顶级处理器性能和超快显示存储器的基准。由于这一原因,需要开发专用图像处理器和存储器用于解决这些问题,同时减轻CPU和/或系统存储器的负担。总的说来,图形显示系统可分为两类:集成式显示系统和独立显示系统。对于集成显示系统,图形处理器置于桌面PC或笔记本电脑的主板之上,工作时利用系统存储器。当然,这意味着图形控制器的性能受到系统存储器的带宽限制。图形显示数据从主板输出到显示器。HSPACE=12 ALT="图1:显示存储器将直接由GDDR1跳到GDDR3。">

在独立图形显示系统中,图形控制器与专用显示存储器和相关逻辑置于独立的显示卡上,并直接连接到显示器。独立图形显示系统通过高速总线(AGP)连接到主板。AGP总线提供时钟533 MHz的32位总线接口,因此数据传输带宽可达每秒2G字节。新的PCI Express接口标准甚至可达到每秒8G字节。采用独立架构的显示系统不依赖于系统存储器,因此为访问特殊的显示存储器提供了更高的带宽。

显示存储器的性能主要体现在帧缓冲区大小以及数据传输带宽上。iSupply的市场分析专家根据性能、价格等因素将图形显示系统分为三类:发烧级(注重高性能)、主流以及低端(注重价值和低成本)。三维实时图像计算所需要的所有信息(如纹理细节或对象坐标)都暂时存储在帧缓冲器中。显示系统帧缓冲区的大小和速度对于最终显示分辨率、色彩数量和显示的平滑性非常关键。低端显示系统通常采用6?MB帧缓冲存储器,而今天的高端显示系统一般配备256 MB。在存储器带宽方面,差别可能更大。目前,低端显示系统图形控制器和帧缓冲器间的带宽通常为3.2 M字节每秒(6?位总线宽度和200 MHz存储器时钟),而高端显示系统的显存大小和带宽是其10倍:32 G字节每秒(256M位总线宽带,500 MHz存储器时钟)。因此非常明显的是,根据性能要求,图形显示系统需要不同类型的存储器。对于高端显示系统(发烧级和高端主流系统),需要采用宽接口(X 32位)和更高工作频率(> 500 MHz)的大容量存储器。另一方面,低端显示系统则尽可能保持低成本。因此,低端显示系统通常选用容量较小速度较低的窄接口(X16)存储器。

根据市场研究企业Mercury Research的报告,尽管有些波动,但基本上集成显示系统和独立显示系统的市场份额基本相同。这一趋势已经持续了多年,未来几年也不会有太大的变化。2003年,全球销售的桌面PC中约有8100万采用了独立显示系统(Mercury Research,2004年1季度),有大约 9800万PC采用了集成显示系统。同时期销售出的笔记本电脑中采用独立显示系统的约为2200万台,而采用集成显示系统的约为1700万台。

桌面或笔记本用独立显卡产品中所使用的图形控制器由ATI、Nvidia、Matrox等显卡制造商提供,而且如前所述,也可以根据性能不同分为不同类型。值得注意的是,影响显示卡生产成本的两大主要因素就是图形控制器和显示存储器。由于这一原因,在产品定位方面,这两者是决定性的因素。根据iSupply 2004年的报告数据,桌面PC独立显卡中,发烧级(高性能)约占8%、主流用户为48%、低端客户为44%。便携式计算机的情况也类似。因此,新推出的GDDR3标准主要针对发烧级(高性能)和高端主流市场。

展望未来

需要逼真图像显示的专业游戏等应用需要极高的性能,因此将进一步推动显示存储器采用更高的时钟速率。未来几年时间里,时钟频率高达800 MHz的GDDR3显示存储器将主导高端和主流高端显示系统市场。下一代GDDR4显示存储器将会继续这一趋势,通过优化I/O时序将时钟频率提升到1 GHz甚至更高。英飞凌公司在为提供要求苛刻的图形显示应用提供高性能GDDR3器件以及推动高速商品化DDR-RAM应用于成本敏感的图形显示方面处于非常有利的地位。


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