RaSer Technology

RDRAM의 가장 큰 특징은 데이터의 전송에 직렬(serial) 버스를 사용한다는 데에 있다. RDRAM에서 사용하는 직렬 버스는 RaSer(RAMBUS Serial Link) 기술이라는 이름을 가지고 있다.

1. 시리얼 링크가 가지는 잇점

기존의 데이터 전송방식인 패러럴 버스, 즉 병렬 버스는 개개의 데이터 전송 라인의 속도를 많이 높일 수 없었던 시대에 개발된 것이다. 그래서, 이들 버스에서는 데이터의 전송을 보다 빠르게 하기 위해서 버스의 폭을 넓혀야 했다. 버스의 폭이 넓어짐으로써, 클럭의 상승 없이 데이터 전송 대역폭을 확장할 수 있었지만 여기에는 많은 문제점이 따른다.

우선, 이들 버스의 연결을 위한 구조가 상당히 복잡해진다. 데이터 버스에 사용되는 핀의 수도 많아져서 연결부위가 커지기도 하며, 이런 대형화/복잡화는 필연적으로 가격의 상승으로 이어진다. 그리고, 각 신호들을 모두 동기화시키는 것 역시 클럭이 상승할수록 어려워진다.

64bit라면 한번에 64개의 정보가 전송되는 것이며, 이들 데이터는 데이터를 수신하는 쪽에서 모두 동시에 도착해야만 한다. 만약 신호의 타이밍 오차로 인한 왜곡(skew)가 크다면 클럭을 높일 수가 없으며 이것은 데이터 전송속도의 제약을 만들어낸다. 다수의 선을 사용해서 데이터를 전송하기에 신호선간에 간섭(crosstalk)이 생길 수 있으며, 또한 다수의 선을 통해서 도착하는 신호들이 보이는 약간씩의 지연시간 차이로 인해 발생하는 왜곡으로 클럭에 제한이 생기는 것이다.

회로가 복잡해진다는 것도 단점으로 작용한다. 다수의 선은 필연적으로 회로상의 복잡한 패턴을 필요로 하기 때문이다. 듀얼 채널의 SDRAM 또는 DDR SDRAM을 사용하는 경우가 현재로써는 상당히 드물다는 것이 이러한 문제점을 증명하고 있다.(840 칩셋에서 듀얼 채널의 SDRAM을 사용한 적이 있으나 기판이 8층기판이었고, 그럼에도 불구하고 PCB 상의 회로는 상당히 복잡했다.)

시리얼 전송방식은 이러한 문제점들을 상당부분 해소해준다. 물론 이것은 기가헤르쯔 단위의 고클럭을 만들어낼 수 있는 클럭생성기와, 그러한 높은 클럭을 소화할 수 있는 기술의 등장에 의해서 가능해졌다. 시리얼 전송방식은 소수의 데이터 선을 통해서 대단히 높은 클럭으로 데이터를 전송한다. 100MHz의 64bit를 통해서 데이터를 전송하던 것을 시리얼 전송방식에서는 1.6GHz, 4bit로 전송한다는 것이다.

데이터가 전달되는 선의 수를 줄임으로써, 연결구조는 극단적으로 단순해진다. RDRAM이 16bit의 버스를 가지고 있다는 점이라던가, 시리얼 ATA가 단지 4개의 신호선만을 가지고 있다는 것이 이러한 인터페이스 단순화의 사례이다. 다음의 일러스트는 그간 40핀의 커넥터, 그리고 80선의 케이블을 사용한 ATA 규격의 인터페이스가 시리얼화 되면서 얼마나 단순해질 수 있는가를 보여준다.

시리얼 ATA 연결커넥터 어셈블리. Molex 홈페이지에서 발췌

또한, 데이터의 왜곡을 최소화할 수 있다. 한번에 전송되는 데이터 비트의 수가 적은만큼 간섭 등이 발생한 가능성이 줄어들며, 이것은 왜곡(skew)가 대단히 크게 줄어든다는 것을 의미한다. 그렇기 때문에 매우 높은 클럭의 달성이 가능해졌다. 물론 전송방식에 다음에 언급할 디퍼런셜 기법이 적용되었기 때문이기도 하며, 높은 클럭을 만들어내는 클럭생성기가 만들어졌기 때문이기도 하다. 수 GHz에 달하는 이러한 높은 클럭으로 데이터를 전송할 수 있기 때문에 데이터 버스 자체가 줄어들었다고 해도 더욱 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있게 되었다.

기판의 설계도 단순해진다. 이는 RDRAM을 사용한 메인보드를 살펴보면 명확하게 드러난다. 2채널을 사용했음에도 불구하고 메인보드에서 볼 수 있는 패턴은 SDRAM을 사용한 메인보드보다 듬성듬성하며, 개개의 패턴 굵기도 약간 굵다. 기판 설계가 단순해졌다는 것은 보다 넓은 범위로의 적용을 가능하게 한다.

2. Differential Signaling (디퍼런셜 신호기법)

디퍼런셜 신호기법은 그다지 새로운 기술은 아니다. 이것은 초기에 보다 높은 신뢰도를 얻기 위한 서버용 SCSI 장비 등에 HVD(High Voltage Differential)이라는 이름으로 사용되었다. 이후 Ultra2 SCSI가 등장하면서 LVD(Low Voltage Differential)이라는 이름으로 보다 대중화되기 시작하였고, 그 후 높은 데이터의 신뢰도가 필요한 부분에서 널리 사용되는 기법이 되었다.

디퍼런셜이라는 이름이 의미하는 바는 2개의 신호선에 서로 다른 신호가 전송된다는 것이다. 다음은 디퍼런셜 신호가 전송되는 구조를 간략하게 표현한 것이다.

일반적인 데이터 전송과 마찬가지로 2개의 선이 한 조가 되어서 데이터를 전송한다. 그러나 일반 데이터 전송과 크게 다른 점은 이 두 선의 구성이 '신호선-접지선(그라운드)'이 아니라 '신호선-역신호선'이라는 점이다. 역신호(complement of signal)은 신호선을 통해서 전해지는 신호의 역부호로 이루어진 것이다. 디퍼런셜 전송이 일어날 때 데이터를 송신하는 송신기(Tx : Transmitter)에서 두개의 선으로 신호를 흘리되, 한쪽에는 일반 신호를, 다른 쪽에는 그 신호의 역신호를 흘려주게 된다. 그리고 수신기(Rx : Receiver)에서는 이들 두 신호를 취합한다.

디퍼런셜 기법이 가지는 잇점은 상당히 크다. 우선, 신호의 진폭을 줄일 수가 있다. 일반적인 전송기법에서, 1과 0을 1.5V와 0V로 한다면 이 때의 진폭은 3.3V가 된다. 그러나 디퍼런셜 기법에서는 신호의 인가에 동일한 전압을 사용한다 하더라도 실질적인 유효 진폭은 2배가 된다는 것이다.

1과 0의 구분이 보다 명확해졌기 때문에 상대적으로 낮은 전압을 사용하거나, 1과 0사이의 전압 구분(swing)을 더욱 줄일 수 있다. 전압변동이 적기 때문에 전압이 변동되는 순간의 신호 왜곡이 상당히 줄어든다. 이는 보다 높은 클럭의 구현을 가능하게 하는 요소이다.

또한가지 이득은, 일반적으로 발생하는 노이즈에는 영향을 받지 않는다는, 매우 높은 노이즈 면역성(noise immunity)을 가진다는 점이다. 다음의 일러스트를 보면 보다 쉽게 이해가 가능하다.

이것은 대단히 중요한 디퍼런셜 데이터 전송의 이득이다. 일반적인 신호선-그라운드 방식의 데이터 전송에서, 노이즈가 개입될 경우 이 노이즈는 그라운드선에는 영향을 주지 못하고 신호선에만 영향을 준다. 그래서 신호값(신호선의 전압 - 접지선의 전압)에 영향을 주게 되며, 이는 곧 신호의 왜곡으로 이어진다. 그러나 디퍼런셜 데이터 전송에서는 양쪽의 신호선이 모두 영향을 받게 된다.(또한 쌍이 되는 선은 대개 가장 인접해 있기 때문에 외부 노이즈에 의한 영향이 거의 동일하다) 만약 신호선에 A만큼의 노이즈가 가해졌다면, 역신호선에도 마찬가지로 A만큼의 노이즈가 가해진다. 결국, 신호값(신호선의 전압 - 역신호선의 전압)은 일정하게 유지되며, 수신측에서 받아들이는 정보에는 아무런 영향을 주지 못한다.

3. 시리얼 링크를 구성하는데에 필요한 요소 : SerDes

기존의 다른 데이터 전송기법이 대개 병렬전송에 기반하고 있기 때문에 한 곳에서만 시리얼을 사용하면 데이터의 전송과정에서 호환성 문제가 발생한다. 이 때문에 RaSer에서는 시리얼/패러럴 데이터간의 전환기인 시리얼라이저(Serializer : 데이터를 직렬 데이터로 전환), 디시리얼라이저(Deserializer : 직렬 데이터를 병렬로 복구)가 포함되어 있다. 이것은 SerDes라는 약자로 불린다.

SerDes는 위에서 보이는 바와 같이 회로에서 나온 병렬 신호를 직렬 신호로 바꿔주고, 수신된 직렬 신호를 병렬 신호로 전환해 주는 역할을 한다. 이 과정에서 디퍼런셜 신호 기법과 신호복구, 코딩 및 바이트 정렬 기능 등이 사용된다. SerDes의 보다 자세한 구조는 다음과 같다.

SerDes의 회로구성. Rambus Developer Forum에서 발췌

SerDes의 동작과정을 살펴보면 다음과 같다.

A : 패러럴 인터페이스로 데이터가 수신된다.
B : 이 데이터는 해당 인터페이스의 시스템 클럭을 가지고 있다.(예 : FSB)
C : 시리얼 인터페이스는 시리얼 인터페이스에 사용될 기준 클럭을 생성한 후 이를 PLL로 넘긴다.
D : 시리얼 기준 클럭은 시리얼라이저와 클럭 디바이더에 전달되고, 클럭 디바이더에서는 이를 패러럴 인터페이스에 맞는 클럭으로 나누어서 버퍼에 적용한다.
E : 버퍼에 저장된 데이터는 시리얼라이저에 의해서 직렬화되고 송신기를 통해서 전달된다.
F : 수신된 데이터는 디시리얼라이저로 입력된다.
G : PLL로부터 보내진 레퍼런스 클럭은 클럭 복원기를 통해서 원래의 클럭으로 복구되어서 디시리얼라이저로 전달된다.
H : 디시리얼라이저는 복구된 클럭을 적용해서 수신된 데이터를 병렬 데이터로 복원하여 시스템으로 전달한다.