Entwicklungstrends in der DRAM-Technologie bis zum Jahr 2000 DRAM und darüber hinaus Im PC-Bereich ist damit zu rechnen, daß bis zum Jahr 2000 eine breite Palette von komplexen Hochgeschwindig~- keits Speicherarchitekturen neu eingeführt wird. Insgesamt fünf neue Technologien wetteifern um die Gunst der PC-Industrie. Zur Zeit vollzieht sich hinsichtlich des PC-Arbeitsspeichers ein Wechsel vom EDO-Speicher (Extended Data Out = erweiterte Datenausgabe) zum SDRAM-Speicher, wobei der Synchrone DRAM inzwischen marktführend sein dürfte. Für Grafik- und Multimedia-Subsysteme, bei denen heute noch RDRAMs eingesetzt werden, zeichnet sich noch in diesem Jahr der Umstieg zu Concurrent (parallelen) RDRAMs ab. Ab ungefähr 1998 bis zum Jahr 2000 steht die Entwicklung von fünf Technologien an: SDRAM II (DDR), SLDRAM (SyncLink), Rambus (RDRAM), Concurrent (Paralleler) Rambus und Direct Rambus. Welche Trends sich bei der Entwicklung neuer DRAM-Technologien durchsetzen werden, läßt sich kaum mit Sicherheit vorhersagen. Die 10 führenden DRAM-Hersteller wie Samsung, Toshiba und Hitachi entwickeln alle Direct RDRAMs, richten Forschung und Entwicklung jedoch auch weiterhin besonders auf DRAM-Technologien der nächsten Generation aus, also zum Beispiel DDR und SLDRAM. So arbeiten auf diesem Gebiet interessanterweise Partnerunternehmen sowie konkurrierende Unternehmen zusammen. Trotz aller unbekannten Faktoren lassen sich durch einen Überblick über die möglichen Entwicklungstrends von SDRAM und anderen zukünftigen Technologien, ergänzt durch einige grundlegende Erläuterungen, die zentralen Punkte deutlicher herausarbeiten. In einem Markt, in dem Veränderung die einzige Konstante ist, ist Wissen wichtiger als Gewißheit. Im Zusammenhang mit der Speicherarchitektur der nächsten Generation sollen zunächst einige Faktoren erläutert werden, die den Bedarf an immer mehr Bandbreite in der PC-Industrie verständlich machen. Danach wollen wir die sechs Speichertechnologien vorstellen und davon ausgehend die verschiedenen Technologien vergleichen und die Unterschiede aufzeigen. Zum Schluß möchten wir beschreiben, welchen Platz zum Beispiel Kingston, einer der wichtigsten Speicherproduzenten weltweit, in der industrieweiten Entwicklung bis zum Jahr 2000 und darüber hinaus einnehmen wird. Bandbreitenbedarf und die Leistungsdifferenz In den Bereichen Hardware und Software sind heute - angetrieben durch die drängenden Leistungsanforderungen in der PC-Industrie - immer schnellere Technologien zu beobachten. Vor einigen Jahren sagte Gordon Moore, Präsident und Mitgründer von Intel, voraus, daß sich die CPU-Leistung alle 18 Monate verdoppeln würde (auch bekannt als "Moores Gesetz<169>). Moore behielt recht. Von 1980 bis jetzt hat sich die Standardtaktfrequenz der Mikroprozessoren von Intel und anderen Herstellern ungefähr um den Faktor 60 (von 5 MHz auf 300 MHz) erhöht. In demselben Zeitraum erhöhte sich die Standardtaktfrequenz von DRAM-Speicher mit Seitenmodus dagegen nur ungefähr um den Faktor 5. Selbst neue Speichertechnologien wie DRAM-Speicher mit schnellem Seitenmodus, EDO und SDRAM konnten die Leistung nur ungefähr um den Faktor 10 steigern. Es besteht also eine erhebliche Leistungsdifferenz zwischen Prozessor und Speicher. Früher wurden wichtige Verbesserungen bei DRAMs normalerweise dank verbesserter Herstellungsverfahren erzielt, wie auch die Mikroprozessoren von Verbesserungen hinsichtlich Architektur und Herstellungsverfahren profitierten. Die Speicherdichte (Speicherkapazität) von DRAMs wurde von rund 1 Kbit (tausend Bit) auf 64 Mbit (Million Bit) pro Chip gesteigert. Dies hat wiederum die Anzahl der für den Speicher benötigten DRAMs reduziert, doch die Design-Verbesserungen, die die Datenübertragungsrate von DRAM-Speicher hätten erhöhen sollen, griffen zu kurz. Kurz gesagt, die Datenübertragungsraten hielten nicht Schritt mit der erhöhten Speicherdichte. Im Bereich Software tragen die neuen speicherintensiven Multimedia-Anwendungen für Unternehmen und private Endanwender dazu bei, den Bandbreitenbedarf weiter zu steigern. Die erhöhten Taktfrequenzen der Mikroprozessoren sowie die Software- und Design-Änderungen, durch die die Verarbeitung von Multimedia-Daten auf die Speicher-Subsysteme verlagert werden, könnten schon bald dazu führen, daß der PC-Speicherbedarf die Grenze von einem Gigabyte (einer Milliarde Byte) überschreitet. Und in dem Maße, in dem hochentwickelte Betriebssysteme wie OS/2 und Windows NT immer komplexer werden, wird für die stetig steigenden Anforderungen an Leistung und Funktionsumfang auch immer mehr Speicher benötigt. In dem Versuch, die Leistungsdifferenz zu verringern, haben die Hersteller verschiedene technologische Neuerungen eingesetzt. Mit Hilfe von SRAM's (Statischer RAM-Speicher) wurde der Cache-Speicher entwickelt, der bei verschiedenen informationsverarbeitenden Anwendungen Vorteile brachte, für grafikintensive Multimedia-Anwendungen jedoch nicht ausreichte. Außerdem wurde versucht, den Systembus zu verbreitern, über den Daten zwischen dem Prozessor und dem DRAM-Speicher ausgetauscht werden. Bei der Verbreiterung dieser Busse erwiesen sich jedoch Signalintegrität und Taktung als die kritischen Aspekte der Datenübertragung. Je breiter der Bus, desto niedriger die Fehlertoleranz, und dies trug zusätzlich zu dem dringenden Bedarf an höher entwickelten und anspruchsvolleren Speichertechnologien bei. Es ist deutlich geworden, daß neue Speichertechnologien benötigt werden, die den heutigen Bandbreitenanforderungen genügen können. Außer mit SDRAM wird mit vier weiteren, in der Entwicklung befindlichen Speichertechnologien versucht, auf die Bandbreitenproblematik einzugehen: DDR, SLDRAM, RDRAM, Concurrent RDRAM und Direct RDRAM. In den folgenden Abschnitten werden die Speichertechnologien der nächsten Generation beschrieben. Ein grundlegendes Verständnis der einzelnen Technologien ist Voraussetzung dafür, zukünftige Einsatzmöglichkeiten zu erkennen und zu nutzen. Die Speichertechnologien der nächsten Generation SDRAM Synchroner DRAM (SDRAM) ist mit dem Systemtaktgeber synchronisiert, der auch die CPU steuert. Über den Taktgeber, der den Mikroprozessor steuert, wird auch der SDRAM-Speicher gesteuert. Dies verhindert Wartezyklen und beschleunigt den Datenabruf. Dank der Synchronisation erkennt die Speichersteuereinheit, in welchem Taktzyklus angeforderte Daten verfügbar sind. Die Daten werden so auf der ansteigenden Flanke eines Taktzyklus eingegeben und nicht bei jedem zweiten (wie bei EDO-Speicher) oder jedem dritten Taktzyklus (wie bei FPM-Speicher). Beim SDRAM-Speicher werden außerdem mehrere gleichzeitig arbeitende Speicherbänke eingesetzt sowie eine Blockbetrieb-Funktion, die einen gesamten Block adressiert, nicht nur ein Datenelement. SDRAM-Speicher sind zur Zeit bereits in Produktion. SDRAM II (DDR) Synchroner DRAM II, auch als DDR-Speicher (Double Data Rate = doppelte Datenrate) bezeichnet, ist die nächste Generation von SDRAM-Speichern. Der DDR-Speicher basiert prinzipiell auf demselben Design wie SDRAM, bietet jedoch einige Verbesserungen, die diesen Speicher schneller machen. Im Vergleich zum Standard-SDRAM-Speicher gibt es zwei grundlegende Unterschiede: Zum einen wird beim DDR-Speicher eine höher entwickelte Synchronisationsschaltlogik eingesetzt, über die SDRAMs nicht verfügen. Zum anderen wird beim DDR-Speicher mittels einer Schleife mit Verzögerungssperre (Delay-Locked Loop - DLL) ein DataStrobe-Signal ausgegeben, wenn Daten auf den SDRAM-Stiften eingehen. Die Steuereinheit kann anhand dieses DataStrobe-Signals (eins für je 16 Ausgabevorgänge) die Position von Daten genauer bestimmen und die von verschiedenen DIP-Modulen eingehenden Daten neu synchronisieren. Der DDR-Speicher bietet ohne Erhöhung der Taktfrequenz eine doppelt so hohe Geschwindigkeit wie SDRAMs. So können beim DDR-Speicher Daten auf beiden Flanken eines Taktzyklus gelesen werden, wodurch sich die Bandbreite im Vergleich zu Standard-SDRAMs verdoppelt. Darüber hinaus wurde die Taktfrequenz des DDR-Speichers durch den Wechsel der Signalisierung von TTL/LVTTL zu SSTL3 erhöht. Der DDR-Speicher soll 1998 in Produktion gehen. SLDRAM (SyncLink) SLDRAM wird von einem DRAM-Konsortium entwickelt und wird sich unter Umständen hinsichtlich der Geschwindigkeit als der ernsthafteste Konkurrent für Rambus erweisen. Die Entwicklung wird von einem Konsortium von zwölf DRAM und PC-Herstellern koordiniert. SLDRAM ist eine Weiterentwicklung der SDRAM-Architektur, bei der das aktuelle Design mit vier Bänken auf 16 Bänke erweitert wird. Außerdem erhält der SLDRAM-Speicher eine neue Schnittstellen- und Steuerlogik. Dies ermöglicht den Einsatz von Paketprotokollen für die Speicherzellenadressierung, wobei die Anzahl der Stifte zwischen 50 und 60 liegen wird. SLDRAM überträgt wie RDRAM Daten auf beiden Flanken jedes Taktzyklus. SLDRAM befindet sich zur Zeit in Entwicklung und soll 1999 in Produktion gehen. RDRAM Rambus ist ein systemweites Chip-zu-Chip-Schnittstellendesign, das die Datenübertragung über einen vereinfachten Bus mit hoher Taktfrequenz ermöglicht. Das RDRAM-Design stellt im Gegensatz zu den üblichen Ansätzen auf Chip-Ebene einen integrierten Ansatz auf Systemebene dar. Die drei wichtigsten Elemente des Rambus-Designs sind (1) Rambus-basierende DRAMs (RDRAMs), (2) Rambus ASIC-Zellen (RACs) und (3) eine als "Rambus-Kanal<169> bezeichnete Verbundschaltlogik. Rambus, eine Technologie, die 1995 zum ersten Mal in Grafik-Workstations eingesetzt wurde, nutzt eine spezielle RSL-Technologie (Rambus-Signalisierlogik), die bei herkömmlichen Verfahren des System- und Platinendesigns Übertragungsraten von 600 MHz ermöglicht. Rambus gibt es in zwei Varianten: RDRAM und Concurrent RDRAM. RDRAM ist bereits in Produktion, während Concurrent RDRAM Ende 1997 in Produktion gehen soll. Die dritte Erweiterung dieser Produktfamilie, Direct RDRAM, befindet sich noch in Entwicklung und soll 1999 in Produktion gehen. Rambus verwendet niedervoltige ~Signalschwingungen bei Datenübertragungen auf beiden Flanken eines Synchronisationstaktimpulses. Darüber hinaus nutzt RDRAM eine 8-Bit- Schnittstelle anstelle der 4-, 8- oder 16-Bit-Schnittstelle von EDO/SDRAMs. Die Daten werden auf beiden Flanken hochfrequenter Taktimpulse übertragen, wobei Rambus einen schmalen Bus verwendet. Rambus hat Lizenzverträge mit 11 DRAM-Herstellern, die 1996 mehr als 85 % der DRAM-Umsätze weltweit tätigten. Samsung entwickelt zur Zeit 16/18-Mbit- und 64-Mbit-RDRAMs. Toshiba produziert bereits 16/18-Mbit-RDRAMs, während sich die 64-Mbit-RDRAMs noch in Entwicklung befinden. Ende 1996 schloß Rambus einen Entwicklungs- und Lizenzvertrag mit Intel ab, so daß die PC-Chipsätze von Intel ab 1999 Rambus-Speicher unterstützen werden. In der Videospielekonsole Nintendo 64TM wird die Rambus-Technologie bereits für 3D-Grafik und CD-Audio eingesetzt. Auch in Standard-PCs von Gateway und Micron sowie auf Add-In-PC-Karter, von Herstellern wie Creative Labs wird der Rambus-Speicher schon genutzt. Concurrent Rambus Concurrent RDRAMs nutzen ein verbessertes Protokoll, mit dem sich auch bei kleinen, willkürlich verteilten Datenblöcken eine durchgängig hohe Bandbreite erzielen läßt. Die Concurrent Rambus- Technologie ist für 16/18/64/72-Mbit-RDRAMs konzipiert. Dieser RDRAM der zweiten Generation bietet eine effizientere Nutzung der Spitzenbandbreiten bei Grafik- und Multimedia-Anwendungen. Diese Speichertechnologie stellt eine Weiterentwicklung des RDRAM-Speichers dar und erzielt seine höhere Effizienz dank eines synchronen, parallelen Protokolls für blockorientierte, überlappende Übertragungen. Bei dieser Technologie werden Daten pro Kanal mit bis zu 600 MB pro Sekunde, einer Frequenz von 600 MHz und einem verbesserten Protokoll übertragen (80 % effizientes). Darüber hinaus sind Concurrent RDRAMs kompatibel mit früheren RDRAM-Generationen. Dank weiterer Verbesserungen hinsichtlich Signalisierung und Taktgebung wird sich 1998 die Geschwindigkeit auf 800 MHz erhöhen lassen. Direct Rambus Die Direct Rambus-Technologie ist eine Weiterentwicklung der heutigen RDRAMs. Direct RDRAMs verwenden dieselbe Signalisierart (RSL: Rambus-Signalisierlogik), bieten jedoch eine breitere Schnittstelle (16 Bit), eine höhere Frequenz von 800 MHz und ein verbessertes Protokoll (90 % effizientes). Ein einziges Direct RDRAM-Modul wird 1,6 Gigabyte pro Sekunde, zwei Module werden 3,2 Gigabyte pro Sekunde liefern. Bei Direct Rambus werden zum Abrufen von 1,6 GB zwei und zum Abrufen von 2,4 GB drei 8-Bit-Kanäle verwendet. Kingstons Antwort auf die Leistungsdifferenz Kingston ist seit langem führend bei der Markteinführung von innovativen Speichertechnologien. Um die komplexen, globalen Abläufe bei der Einführung von Qualitätsverbesserungen und der Entwicklung neuester Speichertechnologien zu bewältigen, hat sich Kingston das nötige Fundament geschaffen, um die DRAM-Architekturen der nächsten Generation zu unterstützen, die den Erwartungen zufolge in den Jahren 1997 bis 2000 den Markt beherrschen werden. Im Rahmen eines Erweiterungsprogramms wird neuer Büroraum geschaffen, die Montagekapazitäten werden ausgebaut, und neue Test- und Design-Labors sowie Produktionsstätten werden in Europa und Asien eingerichtet. Nur Unternehmen, die jetzt hohe Investitionen in neue Geräte, neue Technologien und Fachpersonal tätigen, werden die Produktion der SDRAM-, DDR-, SLDRAM- und RDRAM-Speichermodule handhaben können, deren Entwicklung zwischen heute und dem Jahr 2000 ansteht. Wie in unserer Analyse dargestellt, sind die bisherigen Speicherprodukte, also Produkte mit schnellem Seitenmodus und EDO-Module, technisch weit weniger komplex als die neuen Speichertechnologien. Die neuen Speichertechnologien unterstützen Anwendungen, die mit sehr viel höheren Geschwindigkeiten arbeiten und bei denen schon kleinste Abweichungen bei der Taktgebung schwerwiegende Systemprobleme verursachen können. In Vorbereitung auf die sich jetzt abzeichnenden Speichertechnologien erweitert Kingston sein Produktionszentrum in Nordamerika um zwei neue HP-83000-Prüfanlagen zu einem Preis von über 1 Million US-Dollar pro Stück. Mit diesen hochmodernen Prüfanlagen wird Kingston neue Modul-Designs nach allen Spezifikationen testen und die Produktionsprozesse stichprobenweise überprüfen können und auf diese Weise Konsistenz und Präzision sicherstellen. Die HP- Testanlagen werden darüber hinaus Speicherbusgeschwindigkeiten von bis zu 300 MHz unterstützen - im Gegensatz zu den heute üblichen Busgeschwindigkeiten von 66 MHz im PC- Bereich. Wenn sich die Busgeschwindigkeiten weiter erhöhen, wird Kingston seine Testkapazitäten mit den 660-Modellen der HP-83000-Testanlagen erweitern. Da Kingston über 200 Produktionstestanlagen benötigt und die HP 83000-Testanlagen in erster Linie für das Testen von Designs und für die Produktionsprozeßkontrolle bei niedrigen Stückzahlen konzipiert sind, entwickelt und baut Kingston außerdem eigene Produktionstestanlagen. Dieses Know-how auf dem Gebiet des Testanlagenbaus ist ein Schlüsselfaktor, der in der Speichermodulindustrie einzigartig ist. Die erste Testanlage wurde vor über fünf Jahren gebaut, als es auf dem Markt noch gar keine kosteneffizienten und leistungsstarken Testanlagen für die Massenproduktion gab. Darüber hinaus werden die von Kingston selbst gebauten Testanlagen an die Testparameter und Meßvorgaben der hochentwickelten HP-Testanlagen angepaßt, um die Testverfahren weiter zu verbessern. Unabdingbare Grundlage für dieses Fachwissen ist Kingstons langjährige Erfahrung im Bereich der Speichertechnologie und in der Entwicklung von Produkten für verschiedene Computerplattformen