高速ページモードとは？ DRAM内部回路改良による高速データ転送技術

高速ページモードは、DRAM内部の回路を改良することでページモードの転送速度を向上させた技術です。

DRAMに列アドレスを入力後、信号ピンにデータが出力されるまでのCASアクセスタイムを短縮することで、高速なデータ転送が可能になります。

256Kbit DRAMの世代交代とともに登場し、後にEDO DRAMへと発展しました。

高速ページモードの背景と必要性

DRAMは長年にわたり、データ転送の効率化と高速化が求められてきました。

高速ページモードは、従来のページモードのアプローチを改良することで、より速いデータ転送を実現し、システム全体のパフォーマンス向上に寄与しています。

以下では、DRAM転送モードの変遷と従来のページモードが抱えていた課題について詳しく解説します。

DRAM転送モードの変遷

DRAMの転送モードは、初期のシンプルなページモードから、より高度な技術に発展してきました。

これまでの変遷を時系列で見ると以下のような流れになります。

• 初期のDRAMでは、データがメモリセルに格納されると、列アドレスを入力してから信号ピンにデータが出力されるまでにある程度の遅延が発生していました。
• ページモードでは、一度開かれた行を再利用することにより、列アドレスの連続入力時のアクセス時間を短縮する工夫がなされました。
• 高速ページモードは、DRAM内部回路の改良により、従来よりも短いCASアクセスタイムを可能にしています。これにより、連続データの読み出しがより迅速に行えるようになりました。

このように、DRAM転送モードの進化は、メモリのアクセススピードを向上させるための試行錯誤の積み重ねの結果といえます。

従来のページモードが抱える課題

従来のページモードは、基本的な高速化効果を持ちながらも、いくつかの課題を抱えていました。

• データ転送にかかる時間が、依然として一定の遅延を伴っていたため、最新のアプリケーションには十分なパフォーマンスを発揮できない場合がありました。
• 内部回路の設計が、連続アクセス時に最適化されていなかったため、複数のデータを連続して読み出す際に効率が低下することがありました。
• DRAMセルへのアクセスタイミングが固定的であったため、動的なシステム要求に柔軟に対応できないといった点も指摘されていました。

これらの課題を解決するため、内部回路の改良を中心にした高速ページモードの開発が進められるようになりました。

高速ページモードの動作原理

高速ページモードは、DRAM内部回路における各種工夫を通じて、従来よりも迅速なデータ転送を実現しています。

ここでは、DRAM内部回路の改良ポイントと、CASアクセスタイム短縮の仕組みについて詳しく解説します。

DRAM内部回路の改良ポイント

従来のDRAMでは、内部回路の設計が当初の目的に対して十分な最適化がされていなかったため、データ転送速度に制約がありました。

以下のポイントが主要な改良点と言えます。

• 回路設計の再構成により、データパスの最短化が図られたこと。
• 転送に関与する信号ラインの最適配置により、信号遅延の低減が実現されたこと。
• 内部キャッシュの活用と制御ロジックの見直しにより、連続アクセス時の効率向上が可能になったこと。

これらの改良により、DRAMは従来の設計に比べ大幅な高速化を達成しました。

nMOSからCMOSへの移行と影響

DRAMの内部回路では、かつてnMOSトランジスタが主流でしたが、CMOS技術への移行が大きな影響をもたらしました。

• CMOS回路はnMOSに比べて消費電力が低減されるため、発熱や電力効率の面で優れています。
• また、CMOS技術は高速動作が可能であるため、内部クロック周波数の向上に寄与し、結果としてデータ転送速度の向上が実現されました。
• 信号の安定性とノイズ耐性が向上したことで、連続アクセス時のエラー抑制効果も得られています。

このような技術転換は、DRAM全体の性能向上に大きく貢献しています。

CASアクセスタイム短縮の仕組み

高速ページモードの根幹をなすのが、CAS(Column Address Strobe)アクセスタイムの短縮です。

CASアクセスタイムとは、DRAMに列アドレスを入力してからデータが出力されるまでの時間を指します。

• 内部回路の最適化により、従来よりも少ない待機時間でデータアクセスが可能になりました。
• 開かれた行に対して連続して列アドレスを入力する場合、すでにオープン状態にあるメモリアドレスに対するアクセス時間がさらに短縮されます。
• 高速ページモードでは、これらの工夫により、単一アクセスあたりの待機時間を大幅に削減し、連続データの読み込み処理が迅速に行われるようになっています。

この仕組みは、システム全体の応答速度向上に直結するため重要な技術要素となっています。

高速ページモードの歴史的発展

高速ページモードは、DRAM技術の歴史の中で段階的に進化してきました。

ここでは、256Kbit DRAM採用時の高速ページモードの流れと、EDO DRAMとの技術比較について触れます。

256Kbit DRAMと高速ページモード採用の流れ

256Kbit DRAMが市場に登場した際、DRAM内部回路の改良が大きな転換点となりました。

以下の点がその特徴として挙げられます。

• 256Kbit DRAMの第二世代目では、従来の技術に加え、内部回路の再設計が行われました。
• この改良により、DRAMは初めて高速ページモードに対応し、連続した列アドレスへの高速アクセスが可能になりました。
• 高速ページモードが備わったDRAMは、FPM DRAMとも呼ばれ、性能向上が実際のシステムにおいて確認されました。

この流れは、以降のDRAM技術発展の基盤となり、更なる高速化技術の研究が進められるようになりました。

EDO DRAMとの技術比較

EDO DRAMは、従来の高速ページモードをさらに進化させた製品と位置付けられています。

それぞれの技術の違いを以下にまとめます。

• 高速ページモード：
  • DRAM内部回路の改良により、CASアクセスタイムが短縮され連続アクセスが高速化されました。
  • 基本的な連続アクセスのスピードアップが実現され、コスト面でも競争力がありました。
• EDO DRAM：
  • 高速ページモードの利点をさらに活用し、ページモードでの転送レートをより一層向上させています。
  • アクセスタイムの短縮に加え、データ保持の信頼性やエラーの低減にも寄与しており、結果としてシステム性能に対する総合的な効果が大きくなっています。

この二つの技術は、時代背景や製品要求に応じて使い分けられ、共にシステム性能の向上に貢献してきました。

システム性能への影響

DRAMの高速ページモードは、システム全体の性能向上に大きく関与しています。

ここでは、高速転送によるパフォーマンス向上と、設計上の留意点および実装ポイントについて解説します。

高速転送によるパフォーマンス向上

DRAMの高速ページモードを採用することで、システムは以下のようなパフォーマンス向上を享受できます。

• データ転送時間の短縮により、アプリケーションのレスポンスが速くなります。
• 同一の行が連続してアクセスされる場合、既にオープン状態のデータに対して迅速な読み出しが可能となります。
• バッファやキャッシュとの連携が強化され、全体的なシステムスループットが向上する効果があります。

これらの効果は、特に大量データの連続読み出しを必要とするシナリオにおいて顕著に現れます。

設計上の留意点と実装ポイント

システム設計や実装を行う際、高速ページモードの特性を最大限に活用するために以下の点に注意する必要があります。

• DRAMコントローラの設計では、高速ページモード用のタイミング制御が正確に行われるよう、クロック周波数や信号遅延の管理を徹底する必要があります。
• 回路設計全体として、データパスを最適化し、連続アクセス時の待機時間を最小限に抑える工夫が求められます。
• 実装時には、メモリアクセスのパターンを分析し、最も効率的なアクセス手法を選定することが重要です。たとえば、以下の点が挙げられます。
  • ページモードによるバースト転送を効果的に活用する方法
  • キャッシュ管理との連携最適化
  • シグナルインテグリティの確保によるエラー低減

これらの留意点を踏まえた設計と実装により、高速ページモードの利点を最大限に引き出し、システム全体の効率アップが実現されます。

まとめ

この記事では、高速ページモードの背景と必要性、DRAM転送モードの進化、従来のページモードが抱えた課題が解説されました。

また、DRAM内部回路の改良、nMOSからCMOSへの転換、CASアクセスタイムの短縮について説明し、256Kbit DRAMでの採用経緯やEDO DRAMとの技術比較、システム性能への具体的な影響と設計上の留意点に触れ、全体として高速データ転送の実現方法が明確になりました。