PC 메모리의 비밀 - 파트1

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머릿말

Ryan Leng은 하드웨어, 소프트웨어, 네트워킹, 보안, IT 정책 정의와 강의등을 주관하는 컴퓨터 시스템 주식회사 회계 감사원 겸 독립 기술 컨설턴트이다.

원래는 컴퓨터 과학/경제에 대해 공부 했었고, 그는 컴퓨터 하드웨어 통합, 소프트웨어 디자인과 공학, 감시 시스템, 광고, 멀티미디어 제작, 유저 인터페이스 공학과 그래픽 디자인 관련 등 많은 곳에서 일하였다.

Ryan은 얼마 전 그의 비공식적인 책인 DDR technology로 우리 bit-tech에게 와닿았으며, 우리는 이 책을 읽고 이 책의 깊이와 자세함, 복잡한 설명들을 쉽게 이해할 수 있게 잘 설명 한 것에 대해 깊은 감명을 받았다.

당신이 메모리 기술에 대한 지식이 아주 많다 하더라도, 이것은 여전히 PC 설계의 기본적인 부분으로 아주 흥미로울 것이다. 우리는 그가 작업한 부분을 몇몇 부분으로 나누었고, 첫번째 부분을 basics 라는 부분으로 공개하였다. 이 정보는 단지 아주 큰 문서에서 발췌한 것일 뿐이다.

Ryan이 설명하기를, "이 문서의 핵심은 메모리 기술, 특히 내가 광범위하게 일했었던 DDR 램에 대해 내 지식과 경험을 다른 사람들과 공유하자는 데 있다. 일반적인 차이, 경향, DDR 신호 관리 기술, 시스템 최적화 전략, 메모리 호환 문제와 구매 고려사항 같은 많은 주제를 포함하여 기술될 것이다.

나는 또한 이것이 몇몇 온라인 동호회나 "기술" 사이트에서 모호하거나 잘못 설명된 것들에 대해 메모리 관련 기술들을 설명함에 있어 도움이 되기를 원한다. 많은 특이하고 높은 기술 정보는 전문적이지 않은 독자들을 위해 더 처리하기 쉽고 더 중요한 글을 잘 이해하도록 하려는 이 글의 의도 상 제외하였다.

이 글은 Asus, Abit, Biostar, DFI, Corsair, Kingston, A-Data 등등 업체 제품에 대한 (800Mhz 이상에서의) 심한 DDR2 메모리 호환 문제를 연구 하면서 시작 되었다. 여기에는 메모리 시스템 디자이너들이 항상 알고 있으며 해결하기 위해 도전하는 떠오르는 예측 불가능한 DDR 메모리 기술이 있다.

왜 이것이 보통 유저와 매니악들에게 중요한가? RAM 안정성 문제와 오버클러킹 제한선은 동전의 양면과 같다. 테스트에 대한 노하우와 호환성 문제 해결은 RAM 오버클러킹에 대한 사용자의 지식수준을 향상 시켜 줄 것이다."

우리는 Ryan에 대해 그의 전문 지식을 우리에게 제공한 것에 대해 감사를 표하는 바이며, 그의 미래에 전도유망을 바라는 바이다.

기본

메모리 기술 표준을 관장하는 산업 표준 기관은 Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC)으로 알려진 곳이다. 근 몇년 동안, 이 이름은 “JEDEC Solid State Technology Association” 으로 개명 되었다. JEDEC은 큰 반도체 공학 표준화 업체인 Electronic Industries Alliance (EIA) 의 부분이다. EIA는 모든 영역의 전자 산업을 대변하는 무역 협회이다.

당신이 지금 사용하는 컴퓨터가 포함된 모든 제조사는 EIA와 JEDEC의 멤버이다. 1958년부터, JEDEC은 고형 산업의 표준 개발자로 선도해왔다. 15년이 넘는동안, DRAM 성능은 4000% 향상되었고, 디자인은 그렇게 많이 바뀌지는 않았다. 이것은 계획된 것이었다.

가장 기본적인 램 기술의 외관은 데이터 저장을 하기 위해 일정 전력을 요구하는 것이다. 이 과정은 자가 재생이라고 알려져있다. 경제학상으론 강제적으로 항상 메모리 시스템 디자인의 방향을 단순하게 하도록 하였는데, 현존하는 기반시설에 많은 투자를 했기 때문이다. 주로 복잡한 것은 메모리 컨트롤러로 집적 시켜버렸다. 이것은 DRAM에게 제조상의 큰 이점을 양보하게 하는 것으로, 제조단가를 떨어트린다. 가끔 소비제품의 주된 목적은 최대한의 채택을 받기 위해 시장에 저렴한 가격의 제품을 공급하는데 있는데, 기술적으로 우위이지만 기반 기술을 바꿔버리는 것보다 더 좋다.

MOSAID 기술 주식회사의 Graham Allan과 Jody Defazio에 따르면, "현재의 시장 주력인 DDR2 SDRAM은, 공급의 안정성과, 높은 저장용량, 저단가, 그리고 인상적인 대역폭을 제공하지만 불편한 인터페이스와 복잡한 컨트롤러 문제를 가지고 있다." 고 한다.

명쾌한 방법을 위해, SD-RAM은 "SDR"로 줄이며, 첫세대 DDR SD-RAM은 "DDR1"으로, "DDR"은 DDR 표준 관련 메모리 기술 제품군을 나타내기로 한다.

측정치

메모리에 대해 논의할 때, 우리는 클럭 사이클, 타이밍, Mbps 와 Mhz 같은 기준에서 벗어날 수 없다. 이것들은 모두 상호 연관이 있으며 다른 상황에서의 메모리 시스템 속도 개념을 설명할 때 쓰인다.

MB와 GB는 보통 저장 용량을 표기할 때 쓰인다. 대역폭과 속도는 측정 단위에 있어 차이점을 가지고 있는데, 차이점은 어떻게 시스템 성능을 표기하느냐에 따른 것이고, 메모리에 한정된 것이 아니라 컴퓨터에서의 다른 부분에도 쓰인다.

또 하나는 데이터가 보내진 (bit) 단위의 양을 묘사하는 데에도 쓰이는데, 이것은 보통 주어진 시간 당 유닛으로 계산된다.(bits per sec.) 다른 것들은 얼마나 빨리 데이터가 보내지는가 이다.(Hz) 더 많은 데이터 유닛들이 얼마나 "흐름"이 빠르냐에 따라 초당 더 보내질 수 있다. 메모리 시스템의 속도에 대해 논의 할 때, 이 2가지가 가끔씩 교체가 되기도 한다.

고급 사용자들은 클럭 사이클(CK 또는 tCK) 이라고 알려진 추가적인 측정 유닛을 고려해야한다. 이것은 기술하는데 쓰이지만, 메모리 지연시간에만 제한되어 있지는 않다. 이것은 메모리 작동 상태 변화 시에 필요한 지연시간이며 짧은 지연 번역은 빠른 메모리 성능으로 이어진다. 게다가, 클럭 사이클은 ns로 변환될 수 있다. 더 많은 것은 나중에 다루도록 하자.

유사 - 도로 상 성능

메모리 통로는 길과 비슷하다. 대역폭 (bits per sec.) 는 주어진 시간에 도로가 제어할 수 있는 최대 숫자의 자동차와 비슷하다. 이것은 폭이나 사용 가능한 레인의 양과 직접적으로 연관이 있다.

주파수(Hz)는 이런 자동차의 최대 속도 제한과 동등하다. 높은 속도 제한은 자동차에게 더 높은 속도로 달릴 수 있게 한다. 그러나, 사고가 더 자주 일어날 수 있다. 메모리 지연시간은 이런 도로에서의 신호등으로 접목시켜 생각 할 수 있다. 이것들은 차량 사고를 피하기 위해 지연시간을 야기시킨다. 짧은 지연 주기는 차량 소통을 늘리지만, 그들이 준비후 이동을 위해 충분한 시간이 있어야 하는 상황이어야 한다.

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메모리 설계

컴퓨터 메모리 시스템에서 가장 가시적인 부분은 삽입 슬롯과 메모리 모듈의 구성이다. 이것은 가끔 대충 뱅크로 일컬어지기도 한다. 각각의 세대와 메모리 종류는 사고 위험 때문에 비호환 모듈의 설치 사고를 피하기 위해 약간씩 다른 외관을 가지고 있다.

각각의 메모리 모듈은, DRAM이나 가끔 더 일반적인 이름 - 집적 회로(IC) 라고 불리우는 작은 메모리 칩을 가지고 있다. 이 DRAM 코어는 cell 이라고 불리우는 캐패시터들의 배열인데, 전자를 가둬둠으로써 (0이나 1중 아무거나) 데이터를 잡아두게 된다.

어떠한 데이터든지 읽히기 전에, 특정 캐패시터는 증폭기로 방전을 하게 된다. 그 결과, 모든 읽기 신호는 파괴 행동도 되며, 캐패시터 안의 사용 가능한 전자를 없애버린다. 그러므로, 읽혔던 cell의 전자를 다시 재충전하는 과정이 추가로 필요하게 된다. 이 휘발성 성질이 RAM 기술과 NAND나 NOR 같은 고체 상태 메모리의 핵심적인 차이점이다.

Kingston 메모리에 따르면, 첫 세대 DDR(DDR1) 메모리 시스템은, 평균적으로 컴퓨터가 물리 메모리에 접근 하는데 200ns가 걸리는데 반해 하드디스크 드라이브에 접근 하기 위해서는 12,000,000ns가 필요하게 된다. 더 이해가 쉽게 시간적으로 변환해보면, 일하는데 있어 6만배 정도 느리다는 것이 된다. 이 것은 무슨 일을 하는데 1분과 42일이 걸리는 차이이다.

캐시 메모리와 램간의 차이점.

캐시는 메모리의 종류이며 이것은 DDR 같은 표준 시스템 메모리 보다 훨씬 빠르다. 이 종류의 메모리는 자주 데이터를 요청하여 훨씬 빠른 접근이 필요한 특별화된 저장 영역으로 쓰인다. 가끔씩 이것들은 상황에 따라 대충 "버퍼"라고 불리기도 한다.

프로세서 다이 안에서 이 캐시들은 접근 속도와 우선도에 기반하여 분리되게 된다. : L1, L2, L3가 그것이다. L1은 제일 빠르며 제일 낮은 지연시간을 가지고 있지만, 최소한의 용량만을 갖고 있다.(KB) 데이터가 작업되고 있을 때 DDR 메모리 모듈에서 가장 자주 접근되는 명령어와 데이터를 L1 캐시로 복사해 온다. 캐시에는 많은 다른 능력이 있다 : 프로그램 명령이나 명령어 코드가 더욱 더 특화된 것이라면 데이터를 위해서만 쓰일 수도 있다. 모든 현대 데스크탑 CPU들은 명령어와 데이터가 분리된 L1 캐시를 가지고 있다.

L1 캐시의 속도는 표준 DDR2나 심지어 DDR3 메모리보다 몇배나 더 빠르다. Intel E6750과 최근의 Intel X38 칩셋에서는 L1 캐시 성능이 대략 42500MB/s 정도가 된다. 이것은 20500MB/s로 약간 느리지만 훨씬 큰(MB) L2 캐시가 뒤따른다. 비교적으로, 최근 듀얼채널로 평균적인 지연시간 설정을 가진 1333Mhz의 DDR3 메모리의 대역폭은 8800MB/s 부근이 된다.

몇몇 DDR 메모리 모듈은 높은 안정성과 성능을 갖기 위해 버퍼링 기술을 쓰기도 한다. 이 "buffered" 메모리는 향상된 회로와 논리를 가지고 있어 워크스테이션 과 서버 급 컴퓨터가 데스크탑 컴퓨터로부터 분리되게 한다.

FB-DIMM은 향상된 메모리 버퍼(AMB)를 사용하여 데이터 전송을 향상시키고, 신호 무결성과 에러 검출에 사용된다. 이것은 데이터를 AMB와 메모리 컨트롤러간 stub-bus 설계로 병렬로 통신하는것에 반대로 직렬로 이동 시키게 고안되었다. FB-DIMM의 문제는 TDP에 한한 설계상의 성능 폭이다. - 메모리 모듈의 추가 칩은 그들 스스로 데이터 접근 지연시간과 열 발산이 확실히 늘어나게 된다.

보통의 데스크탑 기반 메모리 모듈은 "un-buffered" DIMM으로 알려져 있다. ; 이것들은 다른 메모리 버스 기술을 사용하며 비교적 훨씬 싸다. 독자들은 "DDR2"라고 써있더라도 FB-DIMM들은 보통의 데스크탑 컴퓨터에는 호환되지 않는다는 것을 알아두어야 한다.

고체상태 메모리

2가지 아주 상이한 메모리들을 혼동하지 않는 것이 중요하다. : 휘발성 RAM 기술과 비휘발성 플래시 기반 메모리가 그것이다. 플래시(나 비휘발성) 메모리들은 2가지 기본적인 기술에 기반하고 있다. - NAND와 NOR이다. 왜 우리는 이종류 메모리가 DDR과 연관되지 않았다고 생각해야 하는가?

미래의 컴퓨터 시스템은 전체 시스템 성능 향상을 위해 비휘발성 플래시 기반 메모리와 손을 맞잡고 일하는 현존의 DDR 메모리들에 많이 의존하고 있다. RAM 기술과는 다르게, 플래시 기반 메모리들은 다른 일정량의 전자 없이도 데이터를 잡아둘 수 있는 능력이 있다. 그들의 접근 속도가 현재 DDR 기술에 비해 느리다 하더라도, 어떠한 물리적인 이동이 없기 때문에 보통의 기계적인 하드디스크 드라이브보다 훨씬 더 빠르다.

ReadyBoost를 쓰는 MS Vista나 미래의 OS는 전체 시스템 성능 향상을 위해 2가지 종류의 메모리를 모두 쓰게 될 것이다. 좋은 예제는 Intel의 "Turbo Memory"로 이것은 NAND 플래시 기술에 기반하고 있다. 이것은 내부적으로 생산 전에는 Intel 의 "Robson" 기술로 알려져 있었지만 이제는 Turbo Memory 형태로 최근의 "Santa Rosa" Centrino 플랫폼의 내부 부분으로 자리잡았다. 이것은 자주 이용했던 파일과 어플리케이션의 큰 캐시같이 작동하며 최소 무작위 읽기 지연시간과 파일 무단편화에 힘입어 하드드라이브보다 빠르다.

듀얼 저장 기술 같은 것을 지원하는 OS는 부팅 시간에 대해 이점을 가지는데 결정적인 OS 파일들은 부팅 시 플래시 기반 메모리에 저장될 수 있기 때문이다. 플래시 기반 메모리는 미래에 DDR 메모리 시스템과 함께 더욱 더 친밀하게 작동할 것인데진정으로 성능 향상에 일조를 하기 때문이다. 그러나, 가까운 시기에는, 아무 컴퓨터도 이것에 많은 비중을 두지 않을 것인데 왜냐하면 플래시 기반 메모리는 하드 드라이브나 DDR에 비해 확실히 짧은 수명 제한을 가지고 있기 때문이다.

고체 상태 하드 디스크 드라이브

모든 고체상태 하드디스크 드라이브는 미래에 아주 중요한 부분을 차지하는데 왜냐하면 그것들의 전력 요구량이 아주 낮기 때문이다. 두번째로는, 안정성과 극한 상황에서의 생존성, 이동 환경이 표준 기계적 하드드라이브보다 월등하기 때문이다. 그러나, GB당 용량은 고체 상태 드라이브가 여전히 훨씬 엄청나고 이것이 왜 현재 ReadyBoost 같은 낮은 용량으로 작동에 쓰이는 가에 대한 이유가 된다.

일반적으로, 고체상태 메모리는 현재의 DDR 기술에 비해 느리며 데이터 쓰기에 대해 짧은 수명을 가지고 있는데, 빠르게 더 좋은 기술이 나와 이들의 짧은 수명을 늘리고 용량 집적도가 훨씬 늘어나고 있음에도 똑같으며, 순차 읽기와 가장 빠른 기기의 쓰기 데이터 대역폭 비율이 특정 상황에서는 하드드라이브와 같거나 더 좋을 때도 있다. 이 기기의 짧은 수명은 에러 검출, 비트 잉여, 작동 논리와 제조사에서 채용하는 자가 진단 알고리즘에 의존한다.

고체상태 하드를 이용함으로써 오는 즉각적인 이득은 어떠한 높은 G 이동에서도 데이터 생존성을 보장받는 것인데, 이것은 어떠한 이동/회전적인 기계 시스템이 없음으로써 가능하다. 게다가, 고체 상태 HDD는 훨씬 낮은 전력 소모와 작동 온도로 이것은 이동 기기나 노트북에 이상적으로 부합된다.

그러므로, 이것은 전통적인 기계식 하드디스크 드라이브가 많은 고장을 일으켰던 것을 없애버릴 것으로 기대하는 것은 일리 있는 것이다. 세계의 큰 데이터 센터는 덜 심한 에어컨디셔닝으로 작동 단가에 대해 엄청난 절감을 즐길 것으로 보이며 아주 적은 비극적 고장을 만들어 낼 것이다. 고체 상태 메모리 시장은 몇년 안에 DRAM 기술보다 더 커질 것이며 제조 단가가 내려가고 용량은 늘어날 것이다.

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컴퓨터 메모리 계층

컴퓨터 공학에서의 전 개요에서의 각기 다른 메모리 성능과 다른 전송 방법으로 구분한 것이다. 이것들은 그것들의 방법, 속도, 복잡성과 제조단가에 기반하여 분류된다.

일반적으로, 빠른 메모리는 제작과 제조에 더 많은 돈이 들어가게 된다. 그 결과, 그들의 용량은 보통 더 제한적이다. 다른 면으로 또하나 말하자면, 느린 메모리와 저장 시스템은 대부분 항상 더 많은 용량을 가진다.

컴퓨터 메모리 계층은 피라미드 설계로써 서로 다른 메모리 종류를 명확하게 그려주는 데 보통으로 쓰인다. 이것의 도표와 변수는 Wikipedia 같은 인터넷에서의 다양한 참고 웹사이트에 있다.

컴퓨터 메모리 계층 도표 설명은 표준 데스크탑 컴퓨터에서 볼 수 있는 각기 다른 레벨의 성능을 가진 여러가지 메모리 기술을 표시하고 있다.

DDR 메모리 제품군

DDR은 SDRAM 기술에서 개량된 것인데, 1993년에 첫 소개가 되었다. 이 기술은 이것의 한계치가 1999년에 다다르게 되었는데, DDR 기술은 그 후의 솔류션으로 설계된 것이다.

DDR 메모리 사양은 2가지 방법으로 기술된다. 1개는 활동하는 DRAM 칩 사양표시이다. ; 또다른 것은 메모리 모듈 사양으로 기술된다. 이것들은 가끔씩 교환이 되기도 하지만, 세대가 바뀌면서 보면 모든 메모리가 모두 똑같거나 외관이 비슷하다고 같지는 않다는 것을 발견할 것이다.

DDR 세대간 주된 차이점

각기 DDR 세대마다 물리적인 차이로 인해 기본적인 차이점이 있다. 각각의 기술의 발전은 문제를 해결하거나 신호 잡음이나, skew, 잡음, 타이밍 무정확, 간섭 등등 같은 빠른 성능에서 나오는 부작용을 없애려는 시도를 하는 것이다.

이것은 예전 세대에서는 존재하지 않았던 문제는 아니지만, 이것들은 낮은 속도에서는 그렇게 대수롭지 않은 사실이었다. 높은 속도에서는, 높은 레벨의 신호 불확실성을 무마시키기 위해 새로운 기술이 요구되었다. 빠른 성능은 더 엄격한 허용오차를 요구하게 된다.

클럭 사이클은 최대치에서 최저치로 가는데 얼마나 걸리는가를 말하며, 여기에서는 사인파형으로 보여져있지만, 실제적인 신호 모양새는 사각형과 사인파 사이이다. 1개의 클럭 사이클에서 2개의 신호를 보내는 능력은 데이터를 오름(rise) 파형과 내림(fall) 파형으로 붙임으로써 가능해졌다. 이것이 DDR 기술의 핵심이다.

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정보 출처 : JEDEC, Altera Corporation, Elpida Memory, Infineon Technologies, Kingston Technology, Micron Technology, MOSAID Technologies, Qimonda, Rambus, Samsung Semiconductor, Via Technology

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유사 - 얼마나 많은 잡음이 시끄러운가?

이것은 약간 학생들로 꽉 찬 교실에서 가르치는 것 같은 것이다. 학생들의 잡담의 잡음 레벨의 크기가 얼마 정도여야 가르치는 데 간섭이 되는 충분한 소음이 되겠는가? 메모리 시스템은 항상 약간의 전기적 잡음 등급과 불확실성 두가지 환경은 똑같지가 않다.

일반적으로, 모든 점진하는 DDR 메모리 세대는 신호 불확실성 때문에 적어지는 허용오차를 가지게 된다. 메모리 안정성 문제는 일반적으로 메인보드 엔지니어링과 BIOS 최적화의 문제이다. 요약하여, 이것은 학급에서 말들이 점 점 더 빨라지는 것이다. 생소한 큰 잡음은 느린 때와는 다르게 모든 이가 대화의 맥을 쉽게 끊게 되는데, 왜냐면 그들은 큰 잡음 때문에 자신들이 들어야 할 말을 못듣기 때문이다. 물론, 이 단순한 것으로 인해 복잡한 문제로 발전한다.

DDR DIMM 정의

거의 모든 세대와 종류의 메모리는 약간씩 다른 치수를 가지고 있는데, 핀 설정과 노치 키가 달라 모듈과 소켓 간 호환에 대한 혼란을 막기 위해 제조된다.

데스크탑 메인보드 제조 주력사들은 1가지 종류의 메모리만 지원하지만, 어쩌다 unbuffered와 registered DIMM이 동시에 동작하는 보드도 이따금 있다. JEDEC 표준은 메인보드들에게 편의를 제공하여 U-DIMM이나 R-DIMM 모두 수용할 수 있게 하지만, 동시에는 쓸 수 없다. 이 결과, U-DIMM과 R-DIMM은 같은 인터페이스와 키 위치를 공유한다.

DDR 토폴로지의 개량

토폴로지 디자인의 역할은 메모리 통로간 신호 특성의 세기를 관리하는 중요한 역할을 한다. 이것은 (메모리에 국한된 것이 아님에도) 메모리 엔지니어들에게는 통상적으로 알려져 메모리 성능이 늘어나면, 신호는 더욱 더 에러에 민감해지게 된다. 이 빠른 메모리에 대한 부작용을 줄이고 무마시키려면, 모든 세대의 컴퓨터 램은 새로운 디자인을 요구하게 된다. 더 좋은 전기적 신호 속성은 데이터 통로를 짧게 하고 단순화 시킴으로써 해결된다.

각각 세대의 DDR은 그들 등급의 신호 문제를 갖고 있기 때문에, 메모리 성능은 DDR2 800Mhz 같이 특정 최대 범위 내에서 관리되며, 있음직하지 않은 안정성 문제에 직면할 것이다. 토폴로지는 DDR3에서는 아주 중요한 사항이다. : 이것의 fly-by 토폴로지 신호 지연은 아주 예측적이어서, 쉽게 조정과 보상이 가능하다. DDR2 symmetric T-branch multi-stubbed 디자인은 쉽사리 예측 불가능한 "혼합"을 신호상에서 야기하여 높은 속도에서는 더 고치기가 어렵다.

아직 DDR3-1600 이상 에서는 실제적인 안정성을 확실히 느끼지는 않았다. 내 개인적인 작업에 기반하였음에도 불구하고, DDR3는 확실히 높은 속도에서도 더 좋은 안정성이 엿보이는데, 그 후 우리는 이미 1800Mhz 이상의 모듈을 시장에 제품 소개가 나온지 6달 만에 이미 갖고 있었다.

Registered DDR3는 Unbuffered DDR3에 비해서도 약간의 다른 토폴로지를 가지고 있는데, 이것은 다음에 다루도록 하자.