Fonctionnement d'un ordinateur/Le bus mémoire

Le bus mémoire des PC modernes est très important pour les performances. Les processeurs sont de plus en plus exigeants et la vitesse de la mémoire commence à être de plus en plus limitante pour leurs performances. La solution la plus évidente est d'augmenter la fréquence des mémoires et/ou de diminuer leur temps d'accès. Mais c'est que c'est plus facile à dire qu'à faire ! Les mémoires actuelles ne peut pas vraiment être rendu plus rapides, compte tenu des contraintes techniques actuelles. La solution actuellement retenue est d'augmenter le débit de la mémoire. Et pour cela, la performance du bus mémoire est primordiale.

Le débit binaire des mémoires actuelles dépend beaucoup de la performance du bus mémoire. La performance d'un bus dépend de son débit binaire, qui lui-même est le produit de sa fréquence et de sa largeur. Diverses technologies tentent d'augmenter le débit binaire du bus mémoire, que ce soit en augmentant sa largeur ou sa fréquence. La largeur du bus mémoire est quelque peu limitée par le fait qu'il faut câbler des fils sur la carte mère et ajouter des broches sur les barrettes de mémoire. Les deux possibilités sont déjà utilisées à fond, les bus actuels ayant plusieurs centaines de fils/broches.

Les bus mémoire à multiples canaux

Pour commencer, mettons de côté la fréquence, et intéressons-nous à la largeur du bus mémoire. Les PC actuels ont des bus d’une largeur de 64 bits minimum, avec cependant possibilité de passer à 128, 192, voire 256 bits ! C'est ce qui se cache derrière les technologies dual-channel, triple-channel ou quad-channel.

Le bus mémoire a une taille de 64 bits par barrette de mémoire, avec quelques contraintes de configuration. Le dual-channel permet de connecter deux barrettes de 64 bits, à un bus de 128 bits. Ainsi, on lit/écrit 64 bits de poids faible depuis la première barrette, puis les 64 bits de poids fort depuis la seconde barrette. Le triple-channel fait de même avec trois barrettes de mémoire, le quad-channel avec quatre barrettes de mémoire. Ces techniques augmentent la largeur du bus, donc influencent le débit binaire, mais n'ont pas d'effet sur le temps de latence de la mémoire. Et ce ne sont pas les seules techniques dans ce genre.

Dual channel slots

Pour en profiter, il faut placer les barrettes mémoire d'une certaine manière sur la carte mère. Typiquement, une carte mère dual channel a deux slots mémoires, voire quatre. Quand il y en a deux, tout va bien, il suffit de placer une barrette dans chaque slot. Mais dans le cas où la carte mère en a quatre, les slots sont d'une couleur différent pour indiquer comment les placer. Il faut placer les barrettes dans les slots de la même couleur pour profiter du dual channel.

Le préchargement des mémoires Dual et Quad data rate

Accroître plus la largeur du bus a trop de désavantages : il faudrait câbler beaucoup trop de fils. Une autre solution est d'augmenter la fréquence du bus, mais cela demande alors d'augmenter la fréquence de la mémoire, qui ne suit pas. Mais il existe une solution alternative, qui est une sorte de mélange des deux techniques. Cette technique s'appelle le préchargement, prefetching en anglais. Elle donne naissance aux mémoires mémoires Dual Data Rate, aussi appelées mémoires DDR. Il s'agit de mémoires SDRAM améliorées, avec une interface avec la mémoire légèrement bidouillée.

Les mémoires sans préchargement

Les mémoires sans préchargement sont appelées des mémoires SDR (Single Data Rate). Avec elles, le plan mémoire et le bus vont à la même fréquence et ils ont la même largeur (le nombre de bits transmit en une fois). Par exemple, si le bus mémoire a une largeur de 64 bits et une fréquence de 100 MHz, alors le plan mémoire fait de même.

Mémoire SDR.

Toute augmentation de la fréquence et/ou de la largeur du bus se répercute sur le plan mémoire et réciproquement. Problème, le plan mémoire est difficile à faire fonctionner à haute fréquence, mais peut avoir une largeur assez importante sans problèmes. Pour le bus, c'est l'inverse : le faire fonctionner à haute fréquence est possible, bien que cela requière un travail d'ingénierie assez conséquent, alors qu'en augmenter la largeur poserait de sérieux problèmes.

Les mémoires avec préchargement

L'idée du préchargement est un compromis idéal entre les deux contraintes précédentes : on augmente la largeur du plan mémoire sans en augmenter la fréquence, mais on fait l'inverse pour le bus. En faisant cela, le plan mémoire a une fréquence inférieure à celle du bus, mais a une largeur plus importante qui compense exactement la différence de fréquence. Si le plan mémoire a une largeur de N fois celle du bus, le bus a une fréquence N plus élevée pour compenser.

Sur les mémoires DDR (Double Data Rate), le plan mémoire est deux fois plus large que le bus, mais a une fréquence deux fois plus faible. Les données lues ou écrites dans le plan mémoire sont envoyées en deux fois sur le bus, ce qui est compensé par le fait qu'il soit deux fois plus rapide. Ceci dit, il faut trouver un moyen pour découper un mot mémoire de 128 bits en deux blocs de 64, à envoyer sur le bus dans le bon ordre. Cela se fait dans l'interface avec le bus, grâce à une sorte de mémoire tampon un peu spéciale, dans laquelle on accumule les 128 bits lus ou à écrire.

Mémoire DDR.

Sur les mémoires DDR dans les ordinateurs personnels, seul un signal d'horloge est utilisé, que ce soit pour le bus, le plan mémoire, ou le contrôleur. Seulement, le bus et les contrôleurs mémoire réagissent à la fois sur les fronts montants et sur les fronts descendants de l'horloge. Le plan mémoire, lui, ne réagit qu'aux fronts montants.

Il existe aussi des mémoires quad data rate, pour lesquelles la fréquence du bus est quatre fois celle du plan mémoire. Évidemment, la mémoire peut alors lire ou écrire 4 fois plus de données par cycle que ce que le bus peut supporter.

Mémoire QDR.

Vous remarquerez que le préchargement se marie extrêmement bien avec le mode rafale.

Le préchargement augmente donc le débit théorique maximal. Sur les mémoires sans préchargement, le débit théorique maximal se calcule en multipliant la largeur du bus de données par sa fréquence. Par exemple, une mémoire SDRAM fonctionnant à 133 Mhz et qui utilise un bus de 8 octets, aura un débit de 8 * 133 * 1024 * 1024 octets par seconde, ce qui fait environ du 1 giga-octets par secondes. Pour les mémoires DDR, il faut multiplier la largeur du bus mémoire par la fréquence, et multiplier le tout par deux pour obtenir le débit maximal théorique. En reprenant notre exemple d'une mémoire DDR fonctionnant à 200 Mhz et utilisée en simple channel utilisera un bus de 8 octets, ce qui donnera un débit de 8 * 200 * 1024 * 1024 octets par seconde, ce qui fait environ du 2.1 gigaoctets par secondes.

Les bus mémoire à base de liaisons point à point : les barrettes FB-DIMM

Dans le cas le plus fréquent, toutes les barrettes d'un PC sont reliées au même bus mémoire, comme indiqué dans le schéma ci-dessous. Le bus mémoire est un bus parallèle, avec tous les défauts que ca implique quand on travaille à haute fréquence. Diverses contraintes électriques assez compliquées à expliquer font que les bus parallèles ont du mal à fonctionner à haute fréquence, la stabilité de transmission du signal est altérée.

Bus mémoire

FB-DIMM - principe

Les barrettes mémoire FB-DIMM contournent le problème en utilisant plusieurs liaisons point à point. Il y a deux choses à comprendre. La première est que chaque barrette est connectée à la suivante par une liaison point à point, comme indiqué ci-dessous. Il n'y a pas de bus sur lequel on connecte toutes les barrettes, mais une série de plusieurs liaisons point à point. Les commandes/données passent d'une barrette à l'autre jusqu'à destination. Par exemple, une commande SDRAM part du contrôleur mémoire, passe d'une barrette à l'autre, avant d'arriver à la barrette de destination. Même chose pour les données lues depuis les DRAM, qui partent de la barrette, passent d'une barrette à la suivante, jusqu’à arriver au contrôleur mémoire.

Ensuite, les liaisons point à point sont au nombre de deux par barrette : une pour la lecture (northbound channel), l'autre pour l'écriture (southbound channel). Chaque barrette est reliée aux liaisons point à point par un circuit de contrôle qui fait l'interface. Le circuit de contrôle s'appelle l'Advanced Memory Buffer, il vérifie si chaque transmission est destinée à la barrette, et envoie la commande/donnée à la barrette suivante si ce n'est pas le cas.

Bus mémoire pour les barrettes FB-DIMM, schéma détaillé.

L'avantage de cette organisation est que l'on peut facilement brancher beaucoup de barrettes mémoire sur la carte mère. Avec un bus parallèle, il est difficile de mettre plus de 4 barrettes mémoire. Plus on insère de barrettes de mémoire, plus la stabilité du signal transmis avec un bus parallèle se dégrade. Cela ne pose pas de problème quand on rajoute des barrettes sur la carte mère, car elles sont conçues pour que le signal reste exploitable même si tous les slots mémoire sont remplis. Mais cela fait qu'on a rarement plus de 4 slots mémoire par carte mère. Avec des barrettes FB-DIMM, on peut monter facilement à 8 ou 16 barrettes.