FB-DIMM詳細介紹

FB-DIMM(Fully Buffered-DIMM，全緩沖內存模組)是Intel在DDR2、DDR3的基礎上發展出來的一種新型內存模組與互聯架構，既可以搭配現在的DDR2內存芯片，也可以搭配未來的DDR3內存芯片。FB-DIMM可以極大地提升系統內存帶寬并且極大地增加內存最大容量。

??? FB-DIMM技術是Intel為了解決內存性能對系統整體性能的制約而發展出來的，在現有技術基礎上實現了跨越式的性能提升，同時成本也相對低廉。在整個計算機系統中，內存可謂是決定整機性能的關鍵因素，光有快的CPU，沒有好的內存系統與之配合，CPU性能再優秀也無從發揮。這種情況是由計算機原理所決定的，CPU在運算時所需要的數據都是從內存中獲取，如果內存系統無法及時給CPU供應數據，CPU不得不長時間處在一種等待狀態，硬件資源閑置，性能自然無從發揮。對于普通的個人電腦來說，由于是單處理器系統，目前的內存帶寬已經能滿足其性能需求；而對于多路的服務器來說，由于是多處理器系統，其對內存帶寬和內存容量是極度渴求的，傳統的內存技術已經無法滿足其需求了。這是因為目前的普通DIMM采用的是一種“短線連接”(Stub-bus)的拓撲結構，這種結構中，每個芯片與內存控制器的數據總線都有一個短小的線路相連，這樣會造成電阻抗的不繼續性，從而影響信號的穩定與完整，頻率越高或芯片數據越多，影響也就越大。雖然Rambus公司所推出的的XDR內存等新型內存技術具有極高的性能，但是卻存在著成本太高的問題，從而使其得不到普及。而FB-DIMM技術的出現就較好的解決了這個問題，既能提供更大的內存容量和較理想的內存帶寬，也能保持相對低廉的成本。FB-DIMM與XDR相比較，雖然性能不及全新架構的XDR，但成本卻比XDR要低廉得多。

??? 與現有的普通DDR2內存相比，FB-DIMM技術具有極大的優勢:在內存頻率相同的情況下目前能提供四倍于普通內存的帶寬，并且能支持的最大內存容量也達到了普通內存的24倍，系統最大能支持192GB內存。FB-DIMM最大的特點就是采用已有的DDR2內存芯片(以后還將采用DDR3內存芯片)，但它借助內存PCB上的一個緩沖芯片AMB(Advanced Memory Buffer，高級內存緩沖)將并行數據轉換為串行數據流，并經由類似PCI Express的點對點高速串行總線將數據傳輸給處理器。

??? 與普通的DIMM模塊技術相比，FB-DIMM與內存控制器之間的數據與命令傳輸不再是傳統設計的并行線路，而采用了類似于PCI-Express的串行接口多路并聯的設計，以串行的方式進行數據傳輸。在這種新型架構中，每個DIMM上的緩沖區是互相串聯的，之間是點對點的連接方式，數據會在經過第一個緩沖區后傳向下一個緩沖區，這樣，第一個緩沖區和內存控制器之間的連接阻抗就能始終保持穩定，從而有助于容量與頻率的提升。

用于數據中轉、讀寫控制的緩沖控制芯片AMB并非只是一枚簡單的緩沖芯片，它主要承擔以下三方面的功能：

??? 1)負責管理FB-DIMM的高速串行總線。緩沖芯片與北橋芯片（或者CPU）中的內存控制器連接，讓數據在內存緩沖與控制器之間傳送，承擔數據發送和接收的指派任務，這包含一組數據讀取的14位串行通路和一組用于數據寫入的10位通路。
??? 2)實現并行數據流與串行數據流的翻譯轉換工作和讀寫控制。緩沖芯片從內存中讀取出來的原始數據原本都為并行格式，它們在通過高速串行總線發送出去之前就必須先轉換為對應的串行數據流，而這個任務也必須由緩沖芯片來完成，反之，從內存控制器傳來的串行數據流要轉成指定的并行格式，然后才能寫入到內存芯片中，緩沖芯片自然也要承擔這個任務。
??? 3)承擔多個FB-DIMM模組的通訊聯絡任務。如果在一個內存通道中存在多條FB-DIMM模組，那么各個FB-DIMM模組間的數據都是通過緩沖芯片來傳遞、轉發的。緩沖芯片要始終承擔著數據傳輸和讀寫的中介工作，不同的FB-DIMM內存儲模組必須通過這枚芯片才能交換信息。

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??? 因此，每個內存芯片不再直接和內存控制器進行數據交換。實際上，除了時鐘信號和系統管理總線的訪問，其他的命令與數據的I/O都要經過位于DIMM上的AMB的中轉，從而消除了傳統DIMM模組“短線連接”的弊端。不難看出，緩沖芯片AMB實際上是FB-DIMM的大腦，它承擔所有的控制、傳輸和中轉任務。使用串行總線作為傳輸媒介，FB-DIMM便順理成章擁有跨越式的高接口帶寬。根據1.0版標準定義，FB-DIMM模組的串行總線有3.2GHz、4.0GHz和4.8GHz三種頻率規格，而每條模組的有效位寬為24bit，所對應的接口帶寬便是9.6GBps、12GBps和14.4GBps，遠遠超過了現有的DDR2內存。必須注意的是，FB-DIMM的接口帶寬與實際讀寫帶寬其實是兩個概念，前者所指的只是每個模組串行總線的最高帶寬，它在含義上類似SATA接口—SATA的總線帶寬達到150MBps，但這并不是指串行ATA硬盤能達到這個速度，代表的只是帶寬的最高值。同樣，FB-DIMM的接口帶寬同樣如此，模組的實際性能仍取決于內存芯片規格和模組位寬設計。如果采用DDR2-533芯片、64bit位寬設計，那么這條FB-DIMM的有效帶寬仍然只有4.2GBps，同現有的DDR2-533內存完全一樣。FB-DIMM之所以能擁有高性能，關鍵在于串行傳輸技術讓它擺脫了并行總線難以實現多通道設計的問題，使得在計算機中引入六通道設計成為可能，借此達到傳統DDR2體系難以想象的超高帶寬，這就是FB-DIMM的真正奧秘所在。不過，引入緩沖設計也會產生一個新的問題。數據在傳輸過程中需要經過緩沖和轉換，不可避免需要花費額外的延遲時間，對性能產生負面影響。但隨著工作頻率的提升，這個缺陷會變得越來越不明顯。為了保持信號穩定，DDR2內存的延遲時間將隨著工作頻率的提高而快速增加，而FB-DIMM的延遲時間增幅平緩，所以雖然現在FB-DIMM延遲較高，但當單條模組的帶寬達到4GBps左右時，FB-DIMM與DDR2內存延遲時間相當，超過這個臨界點之后，DDR2內存的延遲時間將明顯長于FB-DIMM。換句話說，FB-DIMM系統不僅具有更高的數據帶寬，而且延遲時間更短、反應速度更快。

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??? 串行總線設計是FB-DIMM賴以擁有高效能的基礎。實際上，Intel并沒有另起爐灶從零開始設計，而是直接沿用了許多來自于PCI Express的成果，其中最關鍵的就是使用差分信號技術(Differential Signaling)。 現有各種并行總線都是以一條線路來傳輸一個數據信號，高電平表示“1”，低電平表示“0”，或者反過來由低電平表示“1”，高電平表示“0”。單通道結構的64bit內存需要使用64條金屬線路來傳輸數據，雙通道就需用到128條線路。當數據在線路傳輸時，很容易受到電磁環境的干擾，導致原始數據出現異常，如高電平信號電壓變低，或低電平的電壓變高，這些干擾都有可能讓接收方作出錯誤的判斷，導致數據傳輸失敗。過去業界曾為這個難題大傷腦筋，當初硬盤數據排線從40針提高到80針細線（增加40根地線）就是為了降低傳輸干擾，但直到串行技術引入后問題方告解決。與傳統技術迥然不同，差分信號不再是以單條線路的高低電平作為“0”和“1”的判斷依據，而是采用兩條線路來表達一個二進制數據—數據究竟為“0”還是“1”取決于這兩條線路的電壓差。這樣，即使受到嚴重的外來干擾，導致兩條線路傳輸的電平信號發生較大范圍的電壓波動，但它們之間的電壓差依然可以保持相對穩定，接收方便能夠作出正確的判斷。因此，差分信號技術擁有非常強的抗干擾能力，但因它需要占用兩條線路，很難被引入到并行總線技術中，只有針對服務器應用的SCSI總線是個例外。

??? FB-DIMM借鑒PCI Express技術的第二個地方，就是其串行總線也采用了點對點結構。目前，DDR體系的并行總線無法在同一時刻同時發送和接收數據，二者根據指令輪流進行。然而FB-DIMM卻可以在同一時刻同時發送和接收數據，奧秘在于它擁有兩個串行通路，一個用于數據發送，一個用于數據接收。與之對應，FB-DIMM的緩存芯片有專用的發送控制邏輯和接收控制邏輯，數據讀出操作和寫入操作可在一個周期內同步進行。這實際上將內存系統的理論延遲時間縮短了一半，彌補了緩沖處理所造成的損失。較為特殊的是，FB-DIMM的數據發送總線與接收總線是不對等的，發送總線一共有14個線路對，一次向內存控制器發送14bit數據。而接收總線采用10位設計，每次只能夠接收10bit數據?；\統地說，單通道的FB-DIMM模組就是24bit設計。這種不對等設計之前沒有先例，但它卻十分符合內存系統的客觀實際。在大多數情況下，CPU從內存中讀出的數據總是遠遠多于寫入到內存的數據，與之對應，讀取總線帶寬高于寫入總線的設計方案科學合理，而且十分經濟。

??? 按照Intel的FB-DIMM規范，每個DIMM只需要69pin或70pin，比普通DDR2的240pin要少得多，這有利于實現多通道設計。例如普通的DDR2系統需要240條線路，而且線路長度必須保持嚴格一致，這導致了設計難度的加大，而且主板PCB上的空間被密密麻麻、設計極其復雜的蛇形線路占據，沒有任何空余的地方；而采用FB-DIMM的話，即使是六通道設計，也只需要420條線路，比雙通道的DDR2還要少得多，大大簡化了主板設計，并且工作更加穩定。?

??? 高性能并非FB-DIMM的唯一優點，對服務器系統來說，FB-DIMM另一個關鍵的優點是它可實現超大容量。每個FB-DIMM內存通道都可以最多支持8個DIMM(普通DDR2每個內存通道只能支持2個DIMM)，一個服務器系統最多可以實現6個通道，裝載48條FB-DIMM內存，而每條FB-DIMM內存的最大容量達到4GB，這樣該系統可容納的最高容量就達到了192GB。這么大的容量對于普通服務器沒有什么意義，但對于高端系統乃至超級計算機，FB-DIMM帶來的容量增益就非常明顯。

??? 要將如此之多的FB-DIMM內存插槽放置在主板上肯定是個大麻煩。顯然，若采用現行內存槽方案，將導致主板PCB面積難以控制，為此，Intel為FB-DIMM系統定義了全新的連接模式，通過內存擴展板來實現多模組的連接。主板上提供6個內存擴展槽，每個內存擴展槽對應一個通道。每個內存擴展槽上可直接插入FB-DIMM模組或者是內存擴展板，每個內存擴展板上又有8個FB-DIMM內存插槽，只要你愿意，可以將8條FB-DIMM模組插在擴展板上，然后再將該內存擴展板插在主板上，依此類推，完成6通道、48條內存的安裝。這種方法充分利用了機箱內部空間，巧妙解決了多模組安裝的難題，構建高效能系統就顯得更具可操作性。

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??? 值得注意的是，FB-DIMM內存模組的金手指仍有240個，與普通DDR2內存相同，區別只是缺口的位置不同而已。這種設計其實也是為兼容現有生產設備之故，FB-DIMM的有效針腳只有69個或70個，我們可以從FB-DIMM內存模組實物圖中看到，只有正面左側的金手指有連接到緩沖控制芯片的線路，其余位置的金手指并沒有連接線路，只是做做樣子而已。也許很多人會認為，直接設計為69個或70個金手指會更經濟一些，但這樣做就必須對現有的生產設備作較大的調整，花費的成本反而更高。

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??? 綜上所述，嚴格說來FB-DIMM并不是一種全新的內存類型，而只是一種能極大的提升內存性能的連接技術，它并不涉及到內存的核心技術的改變，而是利用了現有的DRAM芯片，只是在系統架構與互聯方式上進行了新的嘗試。FB-DIMM目前所存在的主要問題是，首先，FB-DIMM雖然成本比XDR要低廉得多，但其價格仍然要比普通DDR2內存要高得多；其次，FB-DIMM的功耗比較大，這直接導致其發熱量也比較大，因此所有的FB-DIMM內存模組都必須配備散熱片，而且在一個配備大容量FB-DIMM的多路服務器系統中，FB-DIMM的總功耗也不容小視。FB-DIMM的特點決定了該技術目前只會應用在服務器/工作站平臺上，而普通的個人電腦則暫時還不會采用。在Intel方面，目前支持FB-DIMM的Intel 5000系列芯片組已經發布，相應的主板也已經上市，而且各大內存生產廠商也都推出了各自的基于DDR2的DDR2 FB-DIMM內存模組產品，未來還將推出基于DDR3的DDR3 FB-DIMM內存模組產品。而AMD方面，由于Opteron整合了內存控制器，要支持FB-DIMM必須得全面重新設計處理器，故目前暫時還不會支持FB-DIMM，但也將在2008年左右使Opteron全面支持FB-DIMM。