DDR-SDRAM
DDR-SDRAM („Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory“) ist ein Typ des Arbeitsspeichers 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.
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 (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 2,5V). 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, 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.
Mythos der Langsamkeit von DDR2-SDRAM
Im Zusammenhang mit DDR2-SDRAM existiert ein oft geäußertes Wandermärchen. Dieses besagt, dass DDR2-SDRAM angeblich eine höhere Bandbreite als DDR-SDRAM bietet (durch die größere I/O-Datenrate), jedoch im Gegenzug die Latenzzeit größer wird. Dies hat jedoch keine Grundlage. Im Gegenteil, die Latenz von SDRAM-Speicherchips stagniert bereits seit geraumer Zeit. Die Bandbreiten wachsen stetig (zum Beispiel von 508,62 MB/s für ein 64-Bit PC-66 DIMM mit 66 MHz SDRAM auf 4,97 GB/s für ein 64-Bit PC2-5300 DIMM mit 333 MHz DDR2-SDRAM).
Die Latenzen sinken dagegen nur theoretisch. Beispielsweise von 20 ns - 20 ns - 20 ns - 50 ns (tCL-tRCD-tRP-tRAS) bei DDR200-SDRAM auf 11,25 ns - 11,25 ns - 11,25 ns - 45 ns bei den besten DDR2-533 SDRAMs. Während die Bandbreite von DDR2-533 SDRAM also 2,67-mal höher ist als die von DDR-200 SDRAM schrumpft die Latenz noch nicht einmal theoretisch auf die Hälfte. Für die sehr kurzen Latenzzeiten von 11,25 ns muss man PC2-4200 Module mit einem 3-3-3-12er Timing verwenden. Diese sind als Markenmodul kaum zu bekommen, da die Markenhersteller schnellere Chips lieber mit mehr Erlös für höhere Taktraten verkaufen, als kurzlatenzige langsamere Module zu bauen.
Ein Großteil der DDR1-SDRAM und DDR2-SDRAM Module werden mit tCL-, tRCD- und tRP-Latenzen von um die 15 ns betrieben. Abweichungen kommen meist nur dadurch zustande, dass die Zykluszeiten nicht immer ganzzahlige Teiler von 15 erlauben.
Das Wandermärchen vom langsamen DDR2-SDRAM Modul wird wohl durch zwei Umstände genährt:
- Einerseits war die erste Anwendungsplattform für DDR2-DIMMs der PC mit den Intelchipsätzen 915P/G und 925X. Diese unterstützen nur einen 200 MHz schnellen FSB, der eine Maximaldatenrate von 6,4 GB/s erreicht. Zu wenig für schnelle PC2-DIMMs, die mit zwei Speicherkanälen Daten mit theoretisch 8,4 GB/s liefern können. Logischerweise kann es zu keiner Leistungssteigerung kommen, wenn die Schnittstelle zur CPU (als Hauptnutzer des Systemhauptspeichers) zu langsam ist. Gleichzeitig waren DDR2-SDRAM DIMMs zu ihrer Einführung wegen der geringen am Markt abgesetzten Mengen deutlich teurer als ihre DDR1-Vorgänger. Viele urteilten DDR2-SDRAM deshalb zu Unrecht als überteuerten neuen Speichertyp ab, der in der Praxis nicht hält, was er verspricht.
- In den Medien wird beim Thema „Latenz des Hauptspeichers“ in praktisch allen Publikationen nur die Anzahl der Waitstate-Taktzyklen beachtet. Da liest es sich natürlich nicht gut, wenn DDR2-SDRAM Module in langsamen Ausführungen bei 200 MHz mit einem 4-4-4-9er (Zyklen tCL-tRCD-tRP-tRAS) und bei 266 MHz mit einem 5-5-5-12er Timing ausgeliefert werden. Leider wird bei dieser Herangehensweise vergessen, dass es auf die absolute Latenzzeit ankommt, und nicht auf die Anzahl der Wartezyklen. Vergleich: Angenommen es gibt zwei Bahnhöfe in der Stadt, Bahnhof „DDR“ und Bahnhof „DDR2“, von beiden Bahnhöfen fahren Züge von Stadt „A“ nach Stadt „B“. Alle Züge fassen 50 Leute. Am Bahnhof „DDR“ kommt alle 10 Minuten ein Zug, am Bahnhof „DDR2“ hingegen kommen alle 15 Minuten 2 Züge. Welcher Bahnhof ist schneller leer? Richtig, die Antwort kann nicht genau definiert werden, da der Bahnhof „DDR“ bei wenigen wartenden Leuten schneller leer ist und der Bahnhof „DDR2“ bei vielen Leuten schneller leer ist. Genauso ist es bei Arbeitsspeichern und deren Latenzen. Wenn man nur wenig Daten an die Arbeitsspeicher sendet, dann ist der RAM mit der kürzeren Latenzzeit besser. Wenn man aber viele Daten an die Arbeitsspeicher sendet, dann ist der RAM mit der größeren Bandbreite schneller. Aus dieser Logik sind DDR2-RAMs immer schneller, wenn sie gegen einen DDR-RAM antreten, der die selbe Größe und selbe Latenzzeit hat.
Tatsächlich stagniert die Latenz bei DDR2-SDRAM Modulen immer noch auf einem Wert von ungefähr 15 ns für CAS-, RAS-to-CAS- und RAS-Precharge. Die RAS-Latenz stagniert ebenso bei 45 ns. Nur eben mit dem Unterschied, dass 45 ns bei PC-2100 nur 6 Takten entsprechen und bei DDR2-667 schon ganzen 15 Takten. Daraus nun zu schlussfolgern, dass DDR2-SDRAM langsam sei, ist nicht zutreffend. Nicht DDR2-SDRAM ist langsam, SDRAM hat insgesamt Schwierigkeiten, deutlich weniger als 15 bzw. 45 ns in den wichtigen Timings zu erreichen.
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 damit deutlich schneller sein als heutiges DDR-400 oder auch DDR2-667 SDRAM. Allerdings wird die CAS-Latenz höher sein. Darüber hinaus benötigt DDR3-SDRAM auch nur noch 1,5 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 und wird im Laufe des Jahres 2007 auf dem Markt erhältlich sein. Man erwartet, dass sich die neue Speichergeneration auch bis spätestens 2007 durchgesetzt hat und bis 2009 einen Marktanteil von 65 % am gesamten DRAM-Markt erreichen wird.
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 (geplant)
| 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 | PC3-10667 | 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 (8× Speichertakt × Bitbreite)/8 (Bitbreite = 64 bit) und entspricht der Speicherbandbreite in MB/s.
SDRAM im Vergleich zu RDRAM
Gegenüber dem technologisch fortgeschritteneren Direct-RDRAM (mit seriellem Speicherbus, höherer Integration und voller Bandbreite schon bei einem einzelnen RDRAM-Chip, die Aussage „generell besser“ wäre dennoch zu weit gegriffen) hat das parallel angebundene konventionelle DDR-SDRAM einige Vorteile:
- die Hersteller benötigen keine neuen Produktionsmaschinen
- DDR-SDRAM ist ein offener Standard, dessen Spezifikationen im Internet offenliegen und nach derzeitiger Erkenntnis nicht von Patenten belastet sind; Lizenzgebühren werden (im Vergleich zu RAMBUS) also nicht fällig.
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.
Gleichzeitig existiert ein „Henne-Ei-Problem“: DRAM ist nur dann günstig, wenn er in großen Massen produziert und abgesetzt wird. Da DRAM standardisiert ist, haben die Hersteller als Unterscheidungsmöglichkeit zur Konkurrenz fast nur den Preis zur Verfügung, dies führt zu niedrigen Preisen, die teilweise nur knapp über dem Herstellungspreis liegen.
Ein neuer DRAM-Typ nach JEDEC-Standardisierung muss demnach anfänglich durch ein „Tal der Tränen“ gehen, in dem die Preise hoch sind, da die Produktionsmengen und die Nachfrage niedrig sind. Gleichzeitig wird SDRAM durch den JEDEC-Standardisierungsprozess (alle Speicherhersteller müssen sich auf einen kleinsten gemeinsamen Nenner einigen) nur langsam weiterentwickelt. Neue JEDEC SDRAM-Typen haben dadurch schon per se eher geringe Vorteile gegenüber ihren Vorgängern. Langsame Entwicklung und noch längere Einführungszyklen für Neuerungen, anfänglich hohe Preise für Neuentwicklungen, wenig wirtschaftliche Attraktivität von Weiterentwicklungen - das ist der Preis für die Lizenzfreiheit der Nutzung der SDRAM-Spezifikationen nach JEDEC.
Ein weiterer Nachteil derzeitiger JEDEC-Standards ist, dass die vorgegebenen Spezifikationen teilweise zu ungenau sind, wodurch es selbst bei Speichermodulen, die nach dem JEDEC-Standard gebaut wurden, zu Inkompatibilitäten mit Mainboards und Chipsätzen kommen kann.