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DDR5? Ja, wir haben DDR4 kaum getroffen



Im Januar 2020 stellte SK Hynix auf der CES DDR5-Speicher mit maximaler Geschwindigkeit vor. Gerüchten zufolge testen Micron und andere Hersteller ähnliche Geräte. Obwohl sie nicht über die üblichen Kanäle gelangen können, ist dies kein Problem, da für sie noch keine Motherboards vorhanden sind. Soweit wir wissen, werden Intels Xeon Sapphire Rapids zu den ersten Motherboards gehören, die die neue Technologie nutzen können. Es stellt sich jedoch die Frage: Was für eine Technologie ist das?

SDRAM-Grundlagen


Im Allgemeinen gibt es für ein System, das RAM benötigt, zwei konkurrierende Hauptoptionen: statischen und dynamischen Speicher. Es gibt neue Technologien, zum Beispiel FeRAM und MRAM, aber die klassische Wahl ist zwischen statisch und dynamisch. Statischer RAM ist eine Reihe von Switches, einer pro Bit. Aufstellen und vergessen. Und dann lesen sie es. Und sie kann sehr schnell arbeiten. Das Problem ist, dass normalerweise mindestens vier Transistoren und oft sechs zu einem solchen Schalter gehen, so dass eine begrenzte Anzahl von ihnen in einen bestimmten Bereich geschoben werden kann. Der Stromverbrauch ist oft zu hoch, obwohl moderne Geräte dies gut können.

Während statischer Speicher bei Einplatinencomputern und kleinen Geräten beliebt ist, kann ein PC oder Server keinen Gigabyte statischen Speicher aufnehmen. Der dynamische Speicher verwendet einen kleinen Kondensator zum Speichern jedes Bits. Um einen Kondensator an einen gemeinsamen Bus anzuschließen, benötigen Sie noch einen Transistor, aber Sie können ihn fest verpacken. Leider gibt es ein großes Problem: Kondensatoren entladen sich ziemlich schnell. Es ist notwendig, eine Möglichkeit zu entwickeln, um den Speicher regelmäßig zu aktualisieren, sonst wird er vergessen. Beispielsweise muss ein typisches DDR4-Modul alle 64 ms aktualisiert werden.

Echte Geräte verwenden Zeilen- und Spaltenkondensatoren, um den Speicherplatz zu maximieren und eine ganze Reihe gleichzeitig zu aktualisieren. Dies bedeutet, dass ein Gerät mit 4096 Zeilen alle 15,6 ms aktualisiert werden muss, damit jede Zeile ihre Daten behält. Das Update selbst dauert nur wenige Nanosekunden.



Ein typisches Array verfügt über einen Bus für Zeilen und Spalten. Der Kondensator wird an den FET angeschlossen, der ihn vom Säulenbus verbinden und trennen kann. Das FET-Ventil ist an den Leitungsbus angeschlossen. Das Leitungssignal wählt die gesamte FET-Leitung aus. Der lange Säulenbus hat seine eigene Kapazität und seinen eigenen Widerstand, so dass es einige Zeit dauert, das Signal zur Stabilisierung vorzuladen, wonach der Multiplexer ein wenig von der gewünschten Säule liest. Die Aufnahme erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Wenn Sie möchten, können Sie mit dem Speichersimulator im Browser herumspielen.

So funktioniert dynamischer Speicher (DRAM). Was ist mit SDRAM? SDRAM ist ein dynamischer Speicher mit einer synchronen Schnittstelle zu einem Speichercontroller. Mit dem Controller können Sie mehrere Befehle gleichzeitig erfassen, die gesamte Logik der Arbeit mit Zeilen und Spalten verarbeiten und sogar wissen, wie der Speicher automatisch aktualisiert wird. Der Controller puffert sowohl Befehle als auch Daten, was den Durchsatz im Vergleich zu vielen anderen Technologien erhöht.

Geschichte


Die Geschichte von SDRAM begann 1992 und hatte bis zum Jahr 2000 fast alle anderen DRAM-Sorten vom Markt verdrängt. Die JEDEC-Industriegruppe hat die Schnittstelle für SDRAM 1993 standardisiert, sodass es normalerweise keine Probleme gibt, Speicher verschiedener Hersteller zu verwenden.

Ein normales SDRAM kann einen Befehl empfangen und ein Datenwort pro Zyklus senden. Im Laufe der Zeit definierte JEDEC den Standard für Double Data Rate (DDR). Er nimmt immer noch einen Befehl pro Zyklus entgegen, schreibt oder liest jedoch zwei Wörter in einem Schlag. Er weiß, wie man das macht, indem er ein Wort an der ansteigenden Flanke des Taktsignals und das andere an der abfallenden Flanke überträgt. In der Praxis bedeutet dies, dass er innerhalb eines Befehls zwei Wörter liest, wodurch der interne Timer langsamer als I / O arbeiten kann. Wenn also die E / A-Taktfrequenz 200 MHz beträgt, kann der interne Timer mit 100 MHz arbeiten, und während der Datenübertragung werden immer noch zwei Wörter pro E / A-Takt übertragen.



All dies funktionierte so gut, dass sie am Ende den DDR2-Standard erfanden, der den Speicher so reorganisiert, dass er mit vier Wörtern im Inneren funktioniert, und dann vier Wörter gleichzeitig senden oder empfangen. Natürlich änderte sich die Taktfrequenz nicht, so dass die Verzögerung zunahm. DDR3 verdoppelte erneut seine interne Datengröße und erhöhte die Latenz entsprechend.

DDR4 ging einen anderen Weg. Er verdoppelte nicht den internen Speicherbus, sondern griff zeitweise auf interne Speicherbänke zu, um den Durchsatz zu erhöhen. Durch Verringern der Spannung können Sie auch die Taktfrequenz erhöhen. DDR4 erschien 2012, obwohl es erst 2015 an kritischer Masse gewann.

Haben Sie das Gefühl, die Speicherbandbreite zu vergrößern? Na ja, praktisch. Die Erhöhung des Durchsatzes fiel ungefähr mit der Erhöhung der Anzahl der Kerne in Prozessoren zusammen. Obwohl der Nettodurchsatz zunahm, hat sich der Durchsatz pro Kern auf einer typischen Maschine seit einiger Zeit nicht geändert. In der Tat nimmt der Durchschnittswert angesichts des raschen Anstiegs der Anzahl der Kerne auf einer typischen CPU ab. Es ist also Zeit für einen neuen Standard.

DDR5


Und jetzt haben wir DDR5, definiert im Jahr 2017. Gemessen an den Berichten wird der Durchsatz des DDR5-3200 SDRAM 1,36 höher sein als der DDR4-3200 und vielleicht sogar mehr. Wir hören auch, dass sich die Prefetch-Größe zumindest optional wieder verdoppelt.

Eine ArtDurchsatzStromspannungPrefetchJahr
SDR1,6 GB / s3.311993
DDR3,2 GB / s2.522000
DDR28,5 GB / s1.842003
DDR38,5 GB / s1.882007
DDR425,6 GB / s1.282017
DDR532 GB / s1.18/162019


Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist der Durchsatz im Vergleich zum ursprünglichen SDR-Speicher über 26 Jahre um das 20-fache gestiegen. Nicht schlecht. Das Vorabrufen von 16 Wörtern sieht besonders interessant aus, da der Chip damit jeweils einen typischen PC-Cache füllen kann.

Es gibt noch andere Vorteile. Wenn Sie beispielsweise jemals versucht haben, SDRAM an Ihre eigene Schaltung oder Ihr eigenes FPGA anzuschließen, wird Ihnen der Loopback-Modus gefallen. Wenn Sie wirklich viel Speicher mögen, beträgt die maximale Speicherkapazität jetzt 64 GB.

Übrigens gibt es auch die LP-DDR5-Spezifikation für die Speicheroption mit geringem Stromverbrauch für Geräte wie Smartphones. Diese Spezifikation wurde letztes Jahr veröffentlicht, und bis jetzt sehen wir kein großes Rennen bei der Herstellung solcher Produkte. Mit LP-DDR4 können Sie aus zwei Frequenzoptionen auswählen, um die Geschwindigkeit für den Energieverbrauch zu opfern. LP-DDR5 bietet drei verschiedene Tuning-Optionen. Darüber hinaus gibt es bereits vor GDDR6 GDDR-Standards für die Verarbeitung von Grafiken und anderen Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Langfristig kann LP-DDR5 mit einer Bandbreite von 6,4 Gbit / s pro Bit-E / A arbeiten, und GGDR6 kann je nach Wortbreite Hunderte von GB / s aufweisen.

Und was jetzt?


Wenn Sie keinen ausgelasteten Server oder etwas anderes haben, das alle Kerne Ihrer CPU vollständig lädt, werden Sie keinen großen Unterschied zwischen DDR4 und DDR5 spüren. Aber wer mag keine guten Ergebnisse bei Geschwindigkeitstests?

Aus Sicht einer typischen Workstation liegt das Hauptaugenmerk außerdem darauf, über genügend RAM zu verfügen, um nicht zu oft auf die Festplatte zugreifen zu können. Besonders wenn Sie eine Scheibe mit rotierenden Platten haben, die für ihre niedrige Geschwindigkeit berüchtigt ist. Die Zeit zum Schreiben und Lesen von RAM ist bei der tatsächlichen Arbeit kein so wichtiger Faktor. Bei SSDs ist die Situation nicht so schlecht wie zuvor, aber die Bandbreite einer typischen SSD ist nur geringfügig höher als die von DDR3, obwohl sich am Horizont schnellere Laufwerke abzeichnen. Wenn Sie also nicht mit einer sehr hohen Last von mehreren Kernen beschäftigt sind, sollten Sie 32 GB DDR3 als 4 GB DDR5 haben, da Sie durch mehr Speicher Zeit bei langsameren Vorgängen sparen.

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