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FCRAM技術應用第二部份:OC-192系統中的記憶體架構設計

上網時間: 2004年12月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:OC-192  DDR  雙邊數據速率  FCRAM  fast cycle RAM 

鑒於網路架構的速度越來越高,對新型記憶體架構的需求也日漸迫切。FCRAM填補了DRAM和SRAM之間性能上的空白,並且具有和DRAM相似的成本,特別是在儲存空間不斷成長而功能日漸趨同的趨勢下,它將在OC-192以及更高等級的應用中更多地被選擇。本文將詳細探討把FCRAM應用於OC-192以及更高等級通訊系統中的設計考量。

由於網路設計已經跨越OC-48達到OC-192以及更高的等級,儲存架構就成為系統設計過程中的關鍵瓶頸。目前,網路設計師已經被迫在網路設計中採用針對PC最佳化的記憶體。在速度等級達到10Gbps範圍時,這些足夠滿足更低速度需求的儲存架構也開始突破應用的限制。

FCRAM架構是專為高速網路應用而開發的。上一期刊登的第一部份文章已經對FCRAM架構進行了詳盡的探討。本文作為第二部份,將探究FCRAM如何解決網路應用尤其是在OC-192/10Gbps線卡中遇到的問題。

線卡的記憶體需求

圖1顯示了一種典型的高階Sonet線卡設計。在此類卡中通常應用的RAM功能包括:CPU數據記憶體、接收/發送緩衝記憶體、路由(查找)表記憶體以及數據封包記憶體。

線卡上使用的CPU數據記憶體需要快速地緩衝記憶體並處理送來的數據。但是,與網路應用中使用的其它記憶體相較,此項功能所要求的記憶體密度與速度還是相對較低的。因此,在這種場合通常使用並非最先進的高速靜態RAM(HSSRAM)。一種更常見的HSSRAM是同步管線突發SRAM,密度通常為2至4Mb,而時脈速度則為100到133MHz。

然而,設計師們正努力嘗試從線卡設計中移除CPU數據記憶體。由於其儲存密度不高,CPU設計師已經將其整合在了CPU晶片上,因此不在需要獨立的記憶體IC。

CPU記憶體正從線卡設計中消失,緩衝記憶體卻繼續作為高速線卡設計師所關注的焦點而存在。網路應用中的緩衝記憶體必須支援在某種程度上數量平衡的讀與寫作業(所有寫入的數據最終都將被讀出,反之亦然),相對較長的突發作業(4字、8字甚至更長),有限的數據隨機性,以及相對較高的儲存密度。因此,以峰值頻寬衡量的突發速度是至關重要的,而隨機周期時延以及匯流排轉向時間則並非問題關鍵所在。基於以上需求,SDRAM或HSSRAM是目前網路設備(例如OC-12以及OC-48介面設備)儲存架構的首選應用。

OC-192應用的緩衝記憶體也有相似的功能特性,除了密度通常更高以支援更多的處理和更大的數據封包,其時脈速度和數據傳輸率也必須高得多。10Gbps的數據傳輸率折合到64位元的記憶體匯流排上,每一位元數據線的傳輸率就是156Mbps。

對目前記憶體解決方案的檢視顯示,只有不多的幾個產品可以達到或超過156Mbps的頻寬。很明顯,傳統的SDRAM以及SRAM即使其時脈頻率超過156MHz,但由於一些限制其有限頻寬的因素而無法達到156Mbps的頻寬(如上期第一部份所述)。一些較新的記憶體解決方案,包括SRAM陣營中的DDR、QDR、SigmaRAM產品以及DRAM陣營的FCRAM、DDR(時脈頻率必須超過133MHz)、RDRAM可以滿足高性能緩衝記憶體的要求。

在以上各種選項中,DRAM解決方案,特別是FCRAM提供了更低的每位元成本,但其初始存取時延指標卻不如SRAM。但是畢竟初始存取時延沒有峰值頻寬那樣至關重要,而且FCRAM在理論上與SRAM具有相當的峰值頻寬,決定究竟選擇哪一種方案的主要因素是儲存密度。FCRAM通常的最低儲存密度是256Mb(×16位元配置),所以DRAM是容量大於或等於128MB的緩衝記憶體的最佳替代方案(假定儲存數據匯流排寬度是64位元)。

必須注意到是,由於目前的DRAM產品只能以公共I/O配置來供應,一些分離I/O的SRAM產品,例如QDR,確實提供了比諸如FCRAM等DRAM方案更高的峰值頻寬。但是,究竟選擇DRAM還是SRAM歸根到底是性能與成本的權衡。另外由於緩衝記憶體密度的需求不斷提升,DRAM將在高階系統中被大量應用。

路由表查找記憶體

與網路應用中的緩衝記憶體相反,查找表記憶體需要支援不平衡的讀寫周期比例(有時甚至超過10:1),相對較短的數據突發,高度的數據隨機性和相對較低的儲存密度。因此,初始存取時延以及匯流排轉向時間就成為比峰值頻寬或突發速率更重要的指標。

目前查找表記憶體的常見解決方案主要包括傳統同步SRAM,與DRAM相較,其較低的初始存取時延是其主要特性。更進一步,許多同步SRAM還增加了一些新特性來改進其匯流排轉向時間。

在OC-192實現中,可以預見出於很多與緩衝記憶體相同的考慮,查找表記憶體的密度將不斷成長,主要是為了在每一塊線卡上支援更多的流量和用戶。對更快匯流排轉向時間的需求也是如此,儘管對於SRAM和DRAM而言,如果不在系統架構上作重大改變是很難做到這一點的。實際上,很多像分離I/O SRAM這樣的新產品確實已經改善了其匯流排轉向時間,但卻極大損害了其在非平衡讀寫應用中的性能。

內容尋址記憶體(CAM)這一儲存架構確實同時提供了非常低的初始存取時延和匯流排轉向時間。CAM,作為具有最高性能的查找表記憶體,在每位元(bit)成本上也是最昂貴的。因此,CAM被歸類到性能分類的最高階,在這?密度需求並不高而成本因素也是次要的。

基本上,OC-192線卡的設計師將不得不在CAM方案、快速匯流排轉向SRAM或FCRAM中選擇其一作為查找表記憶體。這幾種記憶體的主要區別在於初始存取時延,也稱為隨機周期間(tRC)。與普通DRAM包括DDR(tRC範圍在60到70ns之間)相較,目前的CAM和SRAM的tRC可以小於10ns,一些非常高階(同時也非常昂貴)的產品甚至小於5ns。FCRAM則彌補了tRC在20到30ns這一範圍的空缺,這使其成為高密度、低成本的查找表記憶體候選方案。

另外,SRAM的成本是DRAM的四倍,這使得儲存密度問題不是那麼絕對。例如,如果需要的查找表大小為32MB,兩片256Mb的FCRAM元件將總共提供64MB的儲存空間。雖然有些浪費,但比一個使用HSSRAM的32MB方案要划算。

數據封包記憶體

與將送往來CPU的輸出或輸入數據封包排成隊列的發送或接收緩衝記憶體相反,網路應用中所使用的數據封包記憶體是用來儲存並緩衝由線卡CPU或ASIC處理後的數據封包。數據封包記憶體的特性與發送或接收緩衝記憶體相似,主要的不同是數據封包記憶體的密度較低,往往性能也較差,這取決於CPU或ASIC的數據傳輸率。因此,在這些場合,SDRAM是目前主流的選擇,而在包括OC-192的未來應用中,人們越來越多地考慮採用FCRAM。

表1給出了網路應用中主流RAM的主要特性的定性總結,同時也給出了每種元件最適宜的網路應用。必須注意的是,OC-192應用中可行的儲存方案包括FCRAM、DDR SRAM以及分離I/O SRAM,而FCRAM是唯一的DRAM方案。FCRAM相對於其它DRAM方案的優點很明顯:更高的性能(時延、匯流排轉向時間以及有效頻寬)和最低的成本增加,同時和DDR DRAM相容。

很明顯,SRAM的有效頻寬伴隨的是四倍甚至更高的成本增加(與DRAM相較)。提高頻寬最有效的方法是增加每時脈周期的數據率,例如DDR,和/或單獨採用分離的讀寫埠。因此,用於OC-192的最佳SRAM方案很明顯就是DDR或分離I/O產品。

分離I/O產品最適合用於緩衝記憶體應用,這是由於具有平衡讀寫周期的系統可以最充分的利用其峰值頻寬。另一方面,公共I/O DDR(通常簡稱為DDR)與分離I/O相較,其快速的初始存取時延和匯流排轉向時間使得DDR方案成為查找表應用類型的最優之選,通常這些應用場合的讀寫作業數量是不平衡的。因此,公共I/O和分離I/O SRAM產品可望與FCRAM共存,選擇哪一種取決於具體應用場合。這三種產品經常可以用於同一種應用中。

關於時延的進一步討論

正如前面所述,SRAM和DRAM相較,其主要優勢在於初始存取時延。因此,在像網路緩衝儲存這樣數據隨機性極小的應用中,DRAM可以提供和SRAM基本相同的有效頻寬。而在同樣的場合,分離I/O元件與公共I/O元件(無論SRAM還是DRAM)相較,前者性能優勢就很明顯了。因此,隨著緩衝記憶體的儲存密度隨著每塊線卡上承載的網路流量不斷增加,在緩衝應用中究竟選用FCRAM還是分離I/O SRAM將取決於性價比的權衡,而不是僅因為儲存密度需求較低而選擇SRAM。

如果性能是首要考慮而成本是第二位的,分離I/O SRAM是OC-192應用中緩衝記憶體的正確選擇。另一方面,如果FCRAM的性能夠用,考慮成本節約(在元件價格以及電路板資源方面)就是更現實的。

對於查找表記憶體,情況在某種程度上相反。由於這種應用本質上的隨機性,初始存取時延就成為重要的因素,而SRAM就比DRAM在這方面有明顯的優勢。事實上,人們更多地考慮並在查找表應用設計中使用CAM主要是因為其在時延上最出色的表現。

另一個重要原因是查找表的儲存密度通常比緩衝記憶體要小。但是,隨著查找表儲存密度的增加以及FCRAM在初始存取時延上與SRAM越來越接近,FCRAM已經成為OC-192應用中查找表記憶體的有力競爭者。假定儲存匯流排的寬度為64位元,SRAM與FCRAM在成本上的交叉點在32MB左右。32MB以下,SRAM具有最佳的性價比,而在32MB以上,設計師就必須考慮FCRAM的性能也許更適合。

最後要考慮的問題就是在特定元件中整合某種記憶體的可行性,這實際上意味著減少相應的儲存匯流排或介面。就像在其它應用(例如電腦)中日漸普遍一樣,這一點肯定將成為影響網路應用的一個趨勢。例如,收發緩衝器能否整合在一起或與數據封包緩衝記憶體整合在一起?或者,相對較小的查找表記憶體能否與數據封包緩衝記憶體整合在一起?如果答案為‘是’,並且採用FCRAM時的性能是可接受的,那麼系統成本得到較大幅度的降低就可以實現了。

本文總結

總而言之,目前網路應用可選擇的DRAM/SRAM解決方案很多,而且在下一代系統中可考慮或要設計方案就更多了。特別是,OC-192線卡在相同應用中具有多種獨特的記憶體需求。

FCRAM填補了DRAM和SRAM之間性能上的空缺,並且具有和DRAM相似的成本,特別是在儲存空間大小不斷成長而功能日漸趨同的趨勢下,它將在OC-192以及更高等級的應用中被大量使用。作為對未來的考慮,人們期待FCRAM將不斷吸收與SRAM相似的功能或特性,同時不斷彌補性能上的差距並逐步搶佔一度被SRAM佔據的應用市場。

作者:Kevin Kilbuck


儲存工程技術總監


Email: kevin.killbuk@taec.toshiba.com


東芝(美國)電子零組件公司





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