DDR-SDRAM („Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory“) ist ein Typ eines Random Access Memory (RAM). Verwendet werden sie hauptsächlich für Speichermodule des DIMM-Standards als Arbeitsspeicher in PCs.
Geschichte
Als die von Intel unterstützte Direct-Rambus-DRAM-Technik (RDRAM-Technik) Mitte 1999 durch einen Fehler im i820-Chipsatz Probleme bekam und durch den P3-FSB ihre Leistungsfähigkeit trotz hoher Preise nicht ausspielen konnte, setzte die Computerindustrie wieder auf die Weiterentwicklung von SDRAM in Form der DDR-Speichertechnik.
Erste Speicherchips sowie Mainboards mit Unterstützung für DDR-SDRAM kamen Ende 1999 auf den Markt. Erst Ende 2001 bis Anfang 2002 konnten sie sich jedoch auf dem europäischen Endverbrauchermarkt durchsetzen.
Arbeitsweise
DDR-SDRAM
Während „normale“ SDRAM-Module bei einem Takt von 133 MHz eine Datenübertragungsrate von 1,06 GB/s bieten, arbeiten Module mit DDR-SDRAM nahezu mit der doppelten Datenrate. Möglich wird dies durch einen relativ simplen Trick: Die Datenbits werden bei der ab- und aufsteigenden Flanke des Taktsignals übertragen, statt wie bisher nur bei der aufsteigenden.
Damit das Double Data Rate Verfahren zu einer Beschleunigung führt, muss die Anzahl zusammenhängend angeforderter Daten (= „Burst-Length“) immer gleich oder größer als die doppelte Busbreite sein. Da das nicht immer der Fall sein kann, ist DDR-SDRAM im Vergleich zu einfachem SDRAM bei gleichem Takt nicht exakt doppelt so schnell. Ein weiterer Grund ist, dass Adress- und Steuersignale im Gegensatz zu den Datensignalen nur mit einer Taktflanke gegeben werden.
DDR-SDRAM Speichermodule (DIMM) besitzen 184 Kontakte/Pins (DDR2-SDRAM DIMM/DDR3-SDRAM DIMM: 240, SDRAM DIMM: 168 Kontakte).
Spezifikationen
| Chip | Modul | Speichertakt | I/O-Takt ² | Effektiver Takt ³ | Übertragungsrate pro Modul | Übertragungsrate Dual-Channel | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DDR-200 | PC-1600 | 100 MHz | 100 MHz | 200 MHz | 1,6 GB/s | 3,2 GB/s | ||||||
| DDR-266 | PC-2100 | 133 MHz | 133 MHz | 266 MHz | 2,1 GB/s | 4,2 GB/s | ||||||
| DDR-333 | PC-2700 | 166 MHz | 166 MHz | 333 MHz | 2,7 GB/s | 5,4 GB/s | ||||||
| DDR-400 | PC-3200 | 200 MHz | 200 MHz | 400 MHz | 3,2 GB/s | 6,4 GB/s |
- ² = Geschwindigkeit der Anbindung an den Speichercontroller von CPU oder Mainboard
- ³ = Effektiver Takt im Vergleich zu SDR-SDRAM (theoretisch)
- PC-XXXX: Das XXXX berechnet sich durch (2× Speichertakt ×Bitbreite)/8 (Bitbreite = 64 bit) und entspricht der Speicherbandbreite in MB/s.
DDR-200 bis DDR-400 sowie die damit aufgebauten PC-1600 bis PC-3200 Speichermodule sind von der JEDEC als JESD79 standardisiert. Alle davon abweichenden Module orientieren sich zwar von den Bezeichnungen her an den Standards, aber jeder Hersteller setzt bei den elektrischen Eigenschaften – der oft als „Übertakter-Speicher“ angebotenen Module – seine eigenen Spezifikationen und arbeitet oft mit exzessiver Überspannung.
Einen zusätzlichen Sicherheitsgewinn bringen die oft bei Servern eingesetzten Speichermodule mit ECC (Error Checking and Correction) oder auch Registered-Module mit Signalpuffer. Solche Speichermodule sind in allen standardisierten Taktfrequenzen erhältlich und an der zusätzlichen Bezeichnung R, ECC oder R ECC erkennbar, z. B. PC-1600R, PC-2100 ECC oder PC-2700R ECC.
DDR2-SDRAM
DDR2-SDRAM ist eine Weiterentwicklung des Konzeptes von DDR-SDRAM, bei dem statt mit einem Zweifach-Prefetch mit einem Vierfach-Prefetch gearbeitet wird.
DDR2-SDRAM Speichermodule (DIMM) besitzen 240 Kontakte/Pins (DDR3-SDRAM DIMM: ebenfalls 240, DDR-SDRAM DIMM: 184, SDRAM DIMM: 168 Kontakte).
Die Abmessungen der fertig verpackten Speicherchips sind kleiner (126 mm² statt bisher 261 mm²). Erreicht wird dies durch eine andere Verpackungstechnik: FBGA (Fine-Pitch Ball Grid Array) statt TSOP (Thin Small Outline Package).
Bei DDR2-SDRAM taktet der I/O-Puffer mit der zweifachen Frequenz der Speicherchips. Hier erhält man wie bei dem älteren DDR-Standard jeweils bei steigender als auch bei fallender Flanke des Taktsignals gültige Daten. Beim DDR-SDRAM werden mit einem Read-Kommando (mindestens) zwei aufeinanderfolgende Adressen gelesen, bei DDR2-SDRAM vier. Dies ist bedingt durch die Prefetch-Methode des jeweiligen Standards. Aus einem 128 Bit breiten DDR-Modul werden also pro Read 256 Bit gelesen aus einem vergleichbaren DDR2-Modul aber 512. Die absolute Datenmenge bleibt bei gleichem I/O-Takt von zum Beispiel 200 MHz aber identisch, da das DDR2-Modul zwei anstelle von einem Takt benötigt, um die Daten zu übertragen. DDR2 unterstützt nur 2 mögliche Burst-Längen (Anzahl an Datenwörtern die mit einem einzelnen Kommando gelesen oder geschrieben werden können), nämlich 4 (bedingt durch Vierfach-Prefetch) oder 8, DDR hingegen unterstützt 2, 4 oder 8.
Zur Erhöhung der Taktraten und zur Senkung der elektrischen Leistungsaufnahme wurde die Signal- und Versorgungsspannung von DDR2-SDRAM auf 1,8 Volt verringert (bei DDR-SDRAM sind es 2,5 V). Nebenbei führt die verringerte Spannung zu einer geringeren Wärmeentwicklung. Die elektrische Leistungsaufnahme sinkt auf für den Mobilbereich akkufreundlichere 247 mW (statt bisher 527 mW).
DDR2-SDRAM Chips arbeiten mit „On-Die Termination“ (ODT). Der Speicherbus muss also nicht mehr auf der Modulplatine (oder dem Board) terminiert werden. Die Terminierungsfunktion wurde direkt in die Chips integriert, was Platz und Kosten spart. ODT arbeitet wie folgt: Der Speicher-Controller sendet ein Signal auf den Bus aus, das alle inaktiven DDR2-SDRAM-Chips dazu veranlasst, auf Terminierung umzuschalten. Somit befindet sich nur das aktive Signal auf der Datenleitung, Interferenzen sind so gut wie ausgeschlossen.
Um DDR2-SDRAMs nicht versehentlich in einen DDR-SDRAM Steckplatz zu stecken, was bei Inbetriebnahme den DDR2-SDRAM-Riegel wegen der höheren Spannung zerstören würde, wurde die Einkerbung mehr zur Mitte des Moduls verschoben.
Spezifikationen
| Chip | Modul | Speichertakt | I/O-Takt ² | Effektiver Takt ³ | Übertragungsrate pro Modul |
Übertragungsrate Dual-Channel | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DDR2-400 | PC2-3200 | 100 MHz | 200 MHz | 400 MHz | 3,2 GB/s | 6,4 GB/s | ||||||
| DDR2-533 | PC2-4200 | 133 MHz | 266 MHz | 533 MHz | 4,2 GB/s | 8,4 GB/s | ||||||
| DDR2-667 | PC2-5300 | 166 MHz | 333 MHz | 667 MHz | 5,3 GB/s | 10,6 GB/s | ||||||
| DDR2-800 | PC2-6400 | 200 MHz | 400 MHz | 800 MHz | 6,4 GB/s | 12,8 GB/s | ||||||
| DDR2-1066 | PC2-8500 | 266 MHz | 533 MHz | 1066 MHz | 8,5 GB/s | 17,0 GB/s (In Planung seitens JEDEC) |
- ² = Geschwindigkeit der Anbindung an den Speichercontroller von CPU oder Mainboard
- ³ = Effektiver Takt im Vergleich zu SDR-SDRAM (theoretisch)
- PC2-XXXX: Das XXXX berechnet sich durch (4 × Speichertakt × Bitbreite)/8 (Bitbreite = 64 bit) und entspricht der Speicherbandbreite in MB/s.
DDR2-400 bis DDR2-800 sowie die damit aufgebauten PC2-3200 bis PC2-6400 Speichermodule sind von der JEDEC standardisiert. Alle davon abweichenden Module orientieren sich zwar von den Bezeichnungen her an den Standards, aber jeder Hersteller setzt bei den elektrischen Eigenschaften – der oft als „Übertakter-Speicher“ angebotenen Module – seine eigenen Spezifikationen und arbeitet oft mit exzessiver Überspannung.
Wie bei DDR1-SDRAM gibt es auch bei DDR2-SDRAM Registered-Module mit oder ohne ECC.
DDR3-SDRAM
DDR3-SDRAM ist eine Weiterentwicklung des Konzeptes von DDR2-SDRAM, bei dem statt mit einem Vierfach-Prefetch mit einem Achtfach-Prefetch gearbeitet wird.
Die neuen Chips mit einer Kapazität von 512 MBit sollen Daten mit 8500 MBps verarbeiten und sind damit deutlich schneller als DDR-400 oder auch DDR2-667-SDRAM. Allerdings ist die CAS-Latenz höher. Darüber hinaus benötigt DDR3-SDRAM auch nur noch 1,5 Volt statt 1,8 Volt und ist damit gerade für den mobilen Einsatz besser geeignet, bei dem es auf lange Batterielaufzeiten ankommt. DDR3-SDRAM wird seit dem 5. Juli 2006 bei Samsung in 80 nm Prozesstechnologie hergestellt. Man erwartet, dass die neue Speichergeneration bis 2009 einen Marktanteil von 65 % am gesamten DRAM-Markt erreichen wird.
DDR3-SDRAM-Speichermodule (DIMM) besitzen 240 Kontakte/Pins (DDR2-SDRAM-DIMM: ebenfalls 240, DDR-SDRAM-DIMM: 184, SDRAM-DIMM: 168 Kontakte), SODIMM-Module für Notebooks haben 204 Kontakte gegenüber 200 Kontakten als DDR2-Variante.
Im Bereich des Video-RAMs wird schon seit längerem GDDR3 eingesetzt. Dieser basiert aber auf DDR2-Speicherchips, lediglich die Spannung wurde abgesenkt (Spannung VDD, VDDQ = 1,8 V, 1,8 V anstatt 2,5 V, 1,8 V). Die Bezeichnung GDDR3 besitzt keine offiziellen Spezifikationen, sondern wurde aus Marketing-Gründen gewählt (um sich von den weniger erfolgreichen GDDR2 abzugrenzen).
Spezifikationen
| Chip | Modul | Speichertakt | I/O-Takt ² | Effektiver Takt ³ | Bandbreite pro Modul | Bandbreite Dual-Channel | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DDR3-800 | PC3-6400 | 100 MHz | 400 MHz | 800 MHz | 6,4 GB/s | 12,8 GB/s | ||||||
| DDR3-1066 | PC3-8500 | 133 MHz | 533 MHz | 1066 MHz | 8,5 GB/s | 17,0 GB/s | ||||||
| DDR3-1333 | PC3-10600 | 166 MHz | 667 MHz | 1333 MHz | 10,6 GB/s | 21,2 GB/s | ||||||
| DDR3-1600 | PC3-12800 | 200 MHz | 800 MHz | 1600 MHz | 12,8 GB/s | 25,6 GB/s |
²) = Geschwindigkeit der Anbindung an den Speichercontroller von CPU oder Mainboard ³) = Effektiver Takt im Vergleich zu SDR-SDRAM (theoretisch)
PC3-XXXX: Das XXXX berechnet sich durch (Speichertakt × Bitbreite) (Bitbreite = 64 bit) und entspricht der Speicherbandbreite in MB/s.
„Mythos“ der Langsamkeit von DDR2-SDRAM
Im Zusammenhang mit DDR2-SDRAM wurde oft von einem Nachteil in Bereich Zugriffszeit gegenüber von DDR-SDRAM Modulen gesprochen. Dies trifft aber nur zu einem gewissen Teil zu. Praktisch ist die Latenz vom realen Takt und der Zugriffzeit vom RAM abhängig. Da ein DDR2 Modul, welches auf 667MHz spezifiziert ist, mit einem realen Takt von 166MHz arbeitet, kann es mit einem DDR400- Modul nicht in jedem Bereich konkurrieren. Die theoretische maximale Bandbreite des DDR2 Moduls ist zwar höher, dennoch fehlen 33MHz Takt, was die Latenz beim Zugriff auf den Ram erhöht, womit der Vorteil der höheren Bandbreite zu einem großen Teil verfällt. Da ein DDR 2 Modul 4 Datenpakete pro Takt verschickt, aber nicht unbedingt alle brauchbar sind (es werden zu dem angeforderten Paket einfach die nachfolgenden drei mit ausgelesen) ist die erhöhte Bandbreite zudem nicht voll nutzbar. Beim Erscheinen des DDR2 Speichers kam zudem die Problematik hinzu, dass die frühen Module allgemein sehr langsame Zugriffszeiten hatten, was den „Mythos“ noch verstärkte.
Deswegen ist es sinnvoll, von DDR400 auf DDR2-800 oder höher zu wechseln. Ein DDR2-800 DDR-SDRAM kann von der Latenz her gleich ziehen und zudem auch noch die theoretisch doppelte Bandbreite liefern. Besonders hervorzuheben ist, das die realen Taktraten der SDRAM- Speicher seit geraumer Zeit nicht weiter steigen.
Latenzzeiten im Vergleich
Die Leistung von Speichermodulen misst sich vor allem in der „absoluten Latenz“.
Die absolute Latenz ergibt sich aus den Faktoren (effektiver) Takt und Timing.
Beispiele:
Da der Speicherbus in allen 3 folgenden Fällen mit jeweils exakt 200MHz arbeitet, die Timings aber auf den reellen Takt bezogen sind, bleiben die Latenzzeiten identisch, die Timings verdoppeln sich aber jeweils! Es verdoppelt sich jeweils auch die theoretische Bandbreite aufgrund der Tatsache, dass der I/O Bus jeweils mit 200, 400 bzw. 800MHz arbeitet:
- DDR400 CL2-2-2-6: 10 ns – 10 ns – 10 ns – 30 ns (CAS-TRCD-TRP-TRAS)
- DDR2-800 CL4-4-4-12: 10 ns – 10 ns – 10 ns – 30 ns
- DDR3-1600 CL8-8-8-24: 10 ns – 10 ns – 10 ns – 30 ns
- DDR-Speicher
- DDR500 CL3-3-2-8: 12 ns – 12 ns – 8 ns – 32 ns
- DDR2-Speicher
- DDR2-667 CL4-4-4-12: 12 ns – 12 ns – 12 ns – 36 ns
- DDR2-667 CL5-5-5-15: 15 ns – 15 ns – 15 ns – 45 ns
- DDR2-800 CL5-5-5-15: 12,5 ns – 12,5 ns – 12,5 ns – 37,5 ns
- DDR2-1066 CL4-4-4-12: 7,5 ns – 7,5 ns – 7,5 ns – 22,5 ns
- DDR2-1066 CL5-5-5-15: 9,38 ns – 9,38 ns – 9,38 ns – 28,13 ns
- DDR3-Speicher
- DDR3-1333 CL8-8-8: 12 ns – 12 ns – 12 ns
- DDR3-1600 CL7-7-7: 8,75 ns – 8,75 ns – 8,75 ns
- DDR3-1600 CL9-9-9: 11,25 ns – 11,25 ns – 11,25 ns
Es existieren einige Speicherhersteller, die die offiziellen Spezifikationen der JEDEC nicht einhalten und Module mit weitaus höheren Taktraten oder besseren Timings anbieten. Während DDR3-1600 CL9-9-9 einer offiziellen Spezifikation unterliegt, handelt es sich bei DDR2-1066 CL4-4-4-12 nicht um standardkonforme Speichermodule. Diese schnellen Speicher werden oft als Speichermodule für Übertakter bezeichnet. Aufgrund der Neuheit von DDR3 ist zu erwarten, dass infolge der stetigen Verbesserung der Fertigungsverfahren in naher Zukunft deutlich schnellere Speichermodule angeboten werden. Diese werden anfangs jedoch außerhalb der offiziellen Spezifikation arbeiten. Die JEDEC könnte diese Speichermodule in die offizielle Spezifikation aufnehmen, allerdings geschieht dies oft erst Jahre nach der ersten Verfügbarkeit.
SDRAM – ein Ergebnis der JEDEC-Spezifikationen
Der SDRAM-Standard wird in der JEDEC, einem offenen Industrieforum, weiterentwickelt. Da sich alle einstimmig für eine Weiterentwicklung in eine Richtung entscheiden müssen, laufen Entwicklungen nur äußerst langsam. Die Umsetzung von Entwicklungen in die Praxis dauert noch länger, da kein Hersteller wegen der Charakteristik von DRAM als standardisiertem Massenprodukt einen wirtschaftlichen Vorteil daraus ziehen kann, einen neuen DRAM-Speichertyp allein zu produzieren. Ohne Unterstützung in den Speichercontrollern der DRAM-Kunden wird sich ein neuer DRAM-Typ nur schwerlich verkaufen. Und neue Controllertypen werden nur gebaut, wenn auch die entsprechenden Speicherchips am Markt etabliert und günstig verfügbar sind.
Literatur
- Christof Windeck: Merkzellen. c't 6/2006 S. 278ff; Riegel-Reigen c't 7/2006 S. 238ff; High-Speed versus Standard. c't 8/2006 S. 210ff – Artikelserie über Aufbau und Funktionsweise von DDR2-Speichermodulen
Weblinks
- JEDEC – das Standardisierungsgremium für Speicherstandards
- Spezifikation DDR3-SDRAM (14 MiB PDF)
- DDR3-Speicher aus 3DCenter.de