JP2007164755A - グラフィックスメモリハブ用の装置、システムおよび方法 - Google Patents

グラフィックスメモリハブ用の装置、システムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】メモリハブがグラフィックス処理装置にダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)などランダムアクセスメモリへのアクセスを提供すること。
【解決手段】一実施態様において、メモリハブは2つ以上のメモリを集約することにより、メモリ帯域幅を効果的に増加することができる。別の実施態様において、メモリハブは、グラフィックス処理装置がメモリアクセスインターフェーシングオペレーションをメモリハブにオフロードすることを可能にする。
【選択図】 図2

Description

発明の分野
[0001]本発明は一般にメモリをグラフィックス処理装置に結合する技術に関する。より具体的には、本発明はグラフィックス処理システムにおいてメモリ帯域幅を増加する技術に関する。
発明の背景
[0002]図1は従来型のグラフィックス処理システム100を示す。一部の従来型の構成要素は例示の目的で省略されている。グラフィックス処理装置(GPU)110は、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)バス115を介してDRAM120に結合されたメモリコントローラ112を含む。DRAMは特定のインターフェースプロトコルを有する。したがって、GPU110はDRAMメモリと互換性のあるDRAMメモリバスインターフェース125を必要とする。
[0003]グラフィックス処理システム100の1つの欠点は、メモリ帯域幅が望まれる帯域幅に満たない可能性があることである。総メモリ帯域幅は、GPU110により同時に利用されることが可能なDRAMメモリ120の数に対応する。GPU110に結合されることが可能なDRAM120の数はいくつかの問題によって制限される。1つの問題はGPU110における入力/出力(I/O)インターフェースの総数が限られていることである。例えば、ボールグリッドアレイパッケージ機構では、メモリへアクセスできるように作られた各単位領域のボールの数が限られている。したがって、所与のGPUチップ領域に対して、限られたボール数をDRAMメモリに対して機能するように割り当てることができる。
[0004]グラフィックス処理システム100の別の欠点は、GPU110はDRAMメモリの異なるバージョンと互換性のあるDRAMインターフェース125を有する必要があることである。例えば、ダブルデータレート(DDR)メモリは、DDRおよびDDR2などいくつかの異なるプロトコルを有する。異なるDRAMメモリプトロコルと互換性のあるようにGPU110を設計することは、GPU110の原価および複雑性を増加させる。
[0005]グラフィックス処理システム100のさらに別の欠点は、潜在的な特許実施許諾義務に関する。多くのメモリプトロコルは標準設定団体(standard setting bodies)により定められている。このような標準設定団体は、通常、その標準設定団体の参加者に対して、合理的かつ非差別的な(RAND)根拠に基づきその標準を実施するために必要な基本特許のライセンスを求める。さらに、第三者もその標準を実施する目的で好ましい技術に関する特許を維持することができる。したがって、いくつかの異なるメモリプロトコルを支援するGPU110を設計することは、GPU110の潜在的な特許実施許諾義務を増加させる。
[0006]前述の問題に照らして、本発明の装置、システムおよび方法が開発された。
発明の概要
[0007]グラフィックスシステムはメモリハブを含む。このメモリハブはDRAMメモリなど複数のメモリにアクセスする目的でグラフィックス処理装置によって利用される。メモリハブはメモリアクセス処理を行う。本発明のメモリハブの応用例は、グラフィッスクシステムのメモリ帯域幅を増加すること、グラフィックス処理装置からメモリアクセス処理をオフロードすること、および異なる型のメモリをグラフィックス処理装置と互換性のあるものにするための適応機能性を提供することとを含む。
[0008]本発明の一実施形態はメモリハブに関する。このメモリハブは少なくとも1つのダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)プロトコルを利用して複数のDRAMメモリにアクセスするように作動可能なDRAMインターフェースを有する。このメモリハブはグラフィックス処理装置にアクセスするためのハブインターフェースを含む。ハブインターフェースとDRAMインターフェースとの間の信号を橋渡しし、ハブインターフェースとDRAMインターフェースとの間の信号変換を行うためのロジック部が含まれる。このメモリハブは、グラフィックス処理装置がハブインターフェースを利用して2つ以上のDRAMにアクセスするように作動可能である。
[0009]本発明は、添付図面を参照する以下の詳細な説明から更に理解される。
[0013]図面中の複数の図を通して同じ参照符号は対応する部品を示す。
発明の詳細な説明
[0014]図2は本発明の一実施形態によるグラフィックスシステム200を示す。グラフィックスシステム200は、中央処理装置(CPU)205、CPU205をグラフィックス処理装置(GPU)220に結合するインターフェース210(例えば、1つまたは複数のブリッジおよび関連バス)、ハブバス240を介してGPU220に結合されたメモリハブ230、およびメモリ入力/出力(I/O)バス260を介してメモリハブ230に結合されるランダムアクセスメモリ(RAM)250を含む。
[0015]メモリハブ230はGPU220にアクセスするためのGPU接続部分233およびRAMにアクセスするためのRAM接続部分239を含む。ハブロジック部235は、RAM接続部分239とGPU接続部分233との間で、信号の橋渡しおよび必要な信号変換を行う。
[0016]メモリハブ230は様々な異なるRAMアーキテクチャに利用できるように企画されている。しかし、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)は一般に、以下の議論でRAMメモリが例示的な実施形態においてDRAMとして説明されるようにグラフィックスシステムにおいて用いられている。グラフィックス技術分野では、グラフィックスシステム用メモリを実現するために用いられるいくつかの異なるDRAMプロトコルが存在することが良く知られている。したがって、メモリハブ230は、特にグラフィックスシステムに適した各種DRAMを含めて1つまたは複数の異なるDRAMプロトコルを支援するために適用可能であることが理解される。例えば、DRAMメモリ250は、シングルデータレート(SDR)同期ダイナミックランダムアクセスメモリ(SDRAM)であっても、またはDDRメモリおよびDDR2メモリなどダブルデータレート(DDR)SDRAMであってもよい。DRAMメモリ250は、グラフィックスダブルデータレート(GDDR)型メモリなど、特にグラフィックスシステムに適した各種SDRAMを用いて実現することもできる。GDDR型メモリの例は、GDDR、GDDR2、GDDR3およびGDDR4を含む。GDDRメモリはさらに同期グラフィックランダムアクセスメモリ(SGRAM)メモリ(例えば、GDDR SGRAM、GDDR2 SGRAM、GDDR3 SGRAMおよびGDDR4 SGRAM)であってもよい。しかし、本発明のメモリハブ230は、DRAM標準および前述以外の実施態様を支援できることが理解されよう。
[0017]メモリハブ230は、実施態様に応じて、単独でまたは組み合わせて、いくつかの異なる利点が存在する。集約態様において、メモリハブ230は、2つ以上のDRAMメモリ250を集約し、GPU220のI/O接続(例えば、ボールグリッドアレイパッケージの物理ピンまたは物理ボール)の数ごとにメモリ帯域幅を増やすことができる。また、メモリハブ230は、GPU220からメモリハブ230にDRAMメモリアクセスプロトコルをオフロードするためにも用いられ得る。適用態様では、GPU220が複数の異なる型のDRAMメモリ250と互換性を持つようメモリハブ230が作動するように、メモリハブ230において十分なDRAMインターフェーシングが行われる。
[0018]一実施形態において、メモリハブバス240はデータパケット(「パケット化」バス)におけるバス通信データおよびメモリ要求などの高速バスである。例えば、高速I/Oバスは、パケットプロトコルがデータパケットとしてデータを送信および受信するのを支援するために、低電圧差動信号技術およびインターフェース論理を用いて実現することができる。一実施形態において、GPU220はハブインターフェース227およびハブI/Oモジュール229を含み、メモリハブ230はハブI/Oモジュール231およびハブインターフェース232を含む。例えば、ハブI/Oモジュール231および229は、I/Oバスを支援するためのハードウェアおよび関連するI/Oピンを含んでもよく、一方、ハブインターフェース232および227は、バスプロトコルを支援するためにインターフェース論理を含んでもよい。しかし、I/Oハードウェアの機能性とインターフェース論理機能性とを組み合わせて1つのハブインターフェース227および232にできることが理解されよう。
[0019]一実施例として、メモリハブバス240は、高速差動バスなど固有バス技術を用いて実現してもよい。あるいは、周辺コンポーネント相互接続エクスプレス(Peripheral Component Interconnect Express)(PCI−E)バス標準仕様など、高速バス標準を用いてもよい。ペリフェラルコンポーネントインターコネクトスペシャルインタラストグループ(Peripheral Component Interconnect Special Interest Group)(PCI−SIG)は「PCI−E基本仕様」を発表しており、その内容を本明細書に援用する。高速ハブバス240を用いることの利点は、ピンカウントの削減が可能になることである。従来型のDRAMメモリ250は、パケット化されていない比較的速度の遅いI/Oバス260を利用している。したがって、1つの高速ハブバス240を用いて、メモリアクセス専用の比較的少数のGPU I/Oピンまたはボールを用いるいくつかの従来型のDRAMメモリ250にアクセスすることが可能である(図2には図示せず)。これにより、GPU220のメモリアクセス専用の所与のI/Oピンまたはボールの数に対して総メモリ帯域幅を増やすことができる。また言い換えれば、所与のメモリ帯域幅に対してGPU220に求められるボール/ピンの数が削減される。GPU220のI/Oピンカウントまたはボールカウントの削減は、DRAM I/Oバス260とハブバス240のバス速度の割合に対応する。説明のための実施例として、ハブバス240が従来型のDRAM I/Oバスより(1ピン/ボールあたり)およそ2倍の転送速度を提供する場合、ハブバス240の使用はDRAMメモリにアクセスするために必要なGPU220のピンカウントを2分の1に減らす。しかし、メモリハブ230は拡張(ただし1ピンあたり低速の)ハブバス240を備えたGPU220を高速の差動メモリ(図示せず)に結合する目的でも利用できるように企画されている。
[0020]GPU220はグラフィックスパイプライン222を含む。グラフィックスパイプライン222の1段階は、ラスター演算(ROP)段階224など、DRAMメモリ250からデータへのアクセスが必要である。GPU220は、ROP段階224など、グラフィックスクライアントに代ってメモリ読み出し要求およびメモリ書き込み要求を出すメモリコントローラ226を含む。メモリコントローラはハブインターフェース228に結合される。ハブインターフェース228はハブバス240を利用して、メモリ読み出し要求/書き込み要求をDRAM250に送り、送り返されたデータを受け取る。
[0021]メモリハブ230はI/Oバス260を介してDRAM250で入力/出力操作を支援するためのDRAM I/Oモジュール238を含む。メモリ技術分野において良く知られているように、SDRAMに関しては低電圧トランジスタトランジスタ論理(low voltage transistor to transistor logic)(LVTTL)およびDDRメモリに関しては低電圧差動信号を支援する、スタブシリーズ終端論理(stub series terminated logic)(SSTL)など、それぞれの型のDRAMメモリは通常それぞれ特定の信号プロトコルおよびバス終端を備えている。DRAMインターフェース236は、DRAMメモリアクセスインターフェース処理を支援する。DRAMインターフェース236によって支援され得る例示的なDRAMメモリアクセスインターフェース処理は以下を含む。すなわち、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)初期化シーケンス、モードレジスタコマンドシーケンス、クロックの立ち上がりおよび立ち下がりにおいてデータをダイナミックランダムアクセスメモリに送信するための支援、クロックの立ち下がりにおいてダイナミックランダムアクセスメモリにデータマスクを供給するための支援、ならびに読み出しコマンド、書き込みコマンド、再生コマンド、バンク/行コマンドおよびプレチャージコマンド(pre−charge command)などDRAMセル内容の格納および読出用DRAMプロトコルである。より一般的には、DRAMメモリインターフェース236を用いて、SDR SDRAMメモリ、GDDR SGRAMメモリ、DDRメモリ(すなわち、JEDEC(Joint Electron Device Engineering Councils)が奨励するDDR標準およびDDR2標準)、またはその他の既述のDRAM標準のいずれかにより求められるメモリ標準によって義務づけられたDRAMインターフェース処理をオフロードすることができる。
[0022]メモリハブ230は、ハブインターフェース232とDRAMインターフェース236との間の信号橋渡しおよび必要な変換を支援するためのロジック部235も含む。これは例えば、いくつかのDRAMメモリを集約的に支援し、DRAMインターフェース236のプロトコルとハブインターフェース232のプロトコルとの差異を補うために必要な変換を行うための論理を含んでもよい。
[0023]メモリハブ230は、あらかじめ選択された待ち時間割当量の範囲内で総メモリ待ち時間を増やすように設計されることが好ましい。例えば、従来型のDRAMメモリは通常20クロックサイクル程度の待ち時間を有することが可能である。メモリハブ230は従来型のDRAMメモリ待ち時間にわずかな追加的クロックサイクル待ち時間を加えるよう設計してもよい。グラフィックスデータの並列処理を行うGPU220において、メモリ待ち時間をわずかに増やすことは通常、総合的性能を著しく低下することにならない。その理由は、一つには、高性能GPU220はグラフィックスフレームを処理するために行われる作業を振り分ける数百または数千の並列処理スレッドを有することが可能なためである。そのため、メモリ待ち時間のわずかな増加は超並列GPUアーキテクチャにおける性能を著しく低下させない。対照的に、少数の処理スレッド(例えば、1つのスレッド)を有するCPU205の性能は、処理が行われていない場合にアイドルクロックサイクルを防ぐうえでわずかな待ち時間に大いに依存する。
[0024]図3は、ROP段階224がメモリハブ330に含まれるメモリハブ330の一実施形態を示している。ROP段階224を物理メモリに近接して配置することにより、待ち時間に影響されやすいROP処理に性能優位性を与えることができる。さらに、ROP段階224を物理メモリに近接して配置することは、超並列でないGPUにとって有効である可能性がある。したがって、待ち時間が短いメモリハブを設計する別の方法として、ROP段階224の機能性の一部または全部をメモリハブ330に移してもよい。
[0025]本発明の一応用例はグラフィックス処理装置220のメモリ帯域幅を増やすことである。メモリハブ230は、定数のGPU I/O接続(例えば、ボールグリッドアレイパッケージにおけるGPUのボール)を用いてGPU220に結合されることが可能なメモリの数を増やすことを可能にする。本発明の別の応用例は適応機能を提供することである。メモリハブ230がGPU220をいくつかの異なる型のメモリと互換性を持たせるように、該メモリハブ230を設計することが可能である。本発明のさらに別の応用例は、1つまたは複数のメモリアクセスプロトコルをメモリハブ230にオフロードすることである。メモリアクセスプロトコルは標準規定団体によって設定された合理的かつ非差別的な(RAND)実施許可規定を条件としてもよい。メモリハブ230にメモリアクセスプロトコルの機能性を置くことで、メモリアクセスプロトコルに関する実施許可は高価なGPU220範囲内ではなく比較的低価格なメモリハブ230の義務となる。さらに、異なる型のメモリを用いて生産されるグラフィックスシステム200について特定の実施許可を必要とする装置の数を最低限に抑えるために、メモリハブ230の異なるバージョンを構築してもよい。例えば、メモリハブ230の1つのバージョンはDDR2を支援してもよく、別のバージョンはGDDR SGRAMを支援してもよい。メモリハブ230は、例えば、取得しなければならない実施許可の数を最低限に抑える目的、実施許可が必要な装置の数を最低限に抑える目的、または使用権料が算出される基になる装置の価格を最低限に抑える目的で設計することができる。
[0026]先の記述は、説明目的で、本発明の十分な理解をもたらすことを目的として特定の専門語を用いている。しかし、本発明を実行するために特定の詳細は必要でないことは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の特定の実施形態に関する先の記述は例示および説明目的で提示されている。これらの記述は、網羅的であること、または開示された厳密な形態に本発明を制限することを意図するものではない。明らかに、前述の教示に照らして、多くの変更形態および改変形態が可能である。これらの実施形態は本発明の原則およびその実用化を最も良く説明するために選択および記述されたものであり、それにより、他の当業者が企画された特別な使用にふさわしい多様な変更を用いて本発明および様々な実施形態を最も良く利用することを可能にする。前述の特許請求の範囲およびその均等物は本発明の範囲を定義することを意図している。
ランダムアクセスメモリに直結された先行技術のグラフィックス処理装置のブロック図である。 本発明の一実施形態によるメモリハブを含むグラフィックスシステムのブロック図である。 本発明の一実施形態によるラスター演算モジュールを含むメモリハブのブロック図である。
符号の説明
100 グラフィックス処理システム
110 グラフィックス処置装置(GPU)
112 メモリコントローラ
115 ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)バス
120 DRAM
125 DRAMメモリバスインターフェース
200 グラフィックスシステム
205 中央処理装置(CPU)
210 インターフェース
220 グラフィックス処理装置(GPU)
222 グラフィックスパイプライン
224 ROP段階
226 メモリコントローラ
227 ハブインターフェース
228 ハブインターフェース
229 ハブI/Oモジュール
230 メモリハブ
231 ハブI/Oモジュール
232 ハブインターフェース
233 GPU接続部分
235 ハブロジック部
236 DRAMインターフェース
238 DRAM I/Oモジュール
239 RAM接続部分
240 メモリハブバス
250 ランダムアクセスメモリ(RAM)
260 メモリ入力/出力(I/O)バス
330 メモリハブ

Claims (20)

  1. グラフィックスシステム用のメモリハブであって、
    少なくとも1つのダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)プロトコルを利用して複数のDRAMメモリにアクセスするように作動するDRAMインターフェースと、
    ハブインターフェースと、
    前記ハブインターフェースと前記DRAMインターフェースとの間の信号を橋渡しし、前記ハブインターフェースと前記DRAMインターフェースとの間の信号の変換を行うためのロジック部と、を備え、
    グラフィックス処理装置が前記ハブインターフェースを利用して2つ以上のDRAMにアクセスするように作動可能なメモリハブ。
  2. 前記ハブインターフェースは、複数の前記DRAM I/Oバスインターフェースのうちの2つ以上に対応する帯域幅を有するハブバスを支援する、請求項1に記載のメモリハブ。
  3. 前記ハブバスは、前記DRAM I/Oバスインターフェースのうちの2つより大きなデータレートを有する高速バスである、請求項2に記載のメモリハブ。
  4. 前記少なくとも1つのDRAMメモリアクセスインターフェーシングオペレーションが、前記グラフィックス処置装置から前記メモリハブにオフロードされる、請求項1に記載のメモリハブ。
  5. DRAM初期化シーケンスが前記メモリハブにオフロードされる、請求項4に記載のメモリハブ。
  6. モードレジスタコマンドシーケンスが前記メモリハブにオフロードされる、請求項4に記載のメモリハブ。
  7. 前記DRAMインターフェースがクロックの立ち上がりおよび立ち下がりにおいてデータをDRAMに送信することを支援する、請求項4に記載のメモリハブ。
  8. 前記DRAMインターフェースがクロックの立ち下りにおいてデータマスクをダイナミックランダムアクセスメモリに供給することを支援する、請求項4に記載のメモリハブ。
  9. DRAMセル内容の格納および読出のためのDRAMプロトコルが前記メモリハブにオフロードされる、請求項4に記載のメモリハブ。
  10. 前記DRAMプロトコルが、読み出しコマンド、書き込みコマンド、再生コマンド、バンク/行コマンドおよびプレチャージコマンドからなる群から選択される少なくとも1つのメモリを含む、請求項9に記載のメモリハブ。
  11. 前記DRAMコネクションモジュールが、SDR SDRAM、DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、GDDR SGRAM、GDDR2 SGRAM、GDDR3 SGRAMおよびGDDR4 SGRAMからなる群から選択される少なくとも1つのDRAMプロトコルを支援する、請求項1に記載のメモリハブ。
  12. 前記メモリハブがさらに前記GPUに代って少なくとも1つのラスター演算を行うためのラスター演算モジュールを備える、請求項1に記載のメモリハブ。
  13. 前記ハブバスインターフェースがパケット化バスプロトコルを利用し、前記DRAM I/Oバスインターフェースがパケット化されていないプロトコルを利用する、請求項1に記載のメモリハブ。
  14. メモリコントローラと、入力/出力(I/O)バスを介してメモリハブにアクセスするためのメモリハブインターフェースとを有するグラフィックス処理装置(GPU)を備え、
    前記GPUが前記メモリハブを介して複数のダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)にアクセスするように作動可能であるグラフィックス処理システム。
  15. 前記GPUがDRAMインターフェースを前記メモリハブにオフロードする、請求項14に記載のグラフィックス処理システム。
  16. 前記GPUが少なくとも1つのDRAMメモリアクセスプロトコルを前記メモリハブにオフロードする、請求項14に記載のグラフィックス処理システム。
  17. 前記GPUがメモリ帯域幅を増やすために前記メモリハブを利用して2つ以上のDRAMを集約するように作動可能である、請求項14に記載のグラフィックス処理システム。
  18. 前記I/Oバスがパケット化高速バスである、請求項14に記載のグラフィックス処理システム。
  19. 前記I/Oバスが周辺コンポーネント相互接続エクスプレス(PCI−E)バスである、請求項18に記載のグラフィックス処理システム。
  20. メモリコントローラおよび第1のメモリハブインターフェースを含むグラフィックス処理装置(GPU)と、メモリハブとを備え、
    前記メモリハブは、
    少なくとも1つのDRAMプロトコルを利用して複数のDRAMメモリにアクセスするように作動可能なダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)と、
    第2のメモリハブインターフェースと、
    前記第2のメモリハブインターフェースと前記DRAMインターフェースとの間の信号を橋渡しし、前記第2のメモリハブインターフェースと前記DRAMインターフェースとの間の信号の変換を行うためのロジック部とを具備しており、
    前記GPUは、前記第1のメモリハブインターフェースと前記第2のメモリハブインターフェースを結合する入力/出力バスを介して前記メモリハブに通信可能に接続され、
    前記GPUは、前記メモリハブを介して複数のDRAMメモリにアクセスし、少なくとも1つのDRAMインターフェーシングオペレーションを前記メモリハブにオフロードする、グラフィックスシステム。
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