DDR-SDRAM

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DDR-SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) ist ein Speichertyp, bei dem im Gegensatz zu normalen SDRAM[1] Datensignale sowohl bei der steigenden als auch fallenden Taktsignalflanke übertragen werden. Derzeit gibt es vier Generationen von DDR-SDRAM: DDR , DDR2, DDR3 und DDR4.

DDR Generationen

DDR1, DDR2, DDR3 und DDR4 im Vergleich
Eigenschaft DDR DDR2 DDR3 DDR4
Anzahl Kontakte 184 240 240 288
Betriebsspannung 2,5 V 1,8 V 1,5 V
DDR3L:[2][3] 1,35V
DDR3U:[4] 1,25V
1,2 V[5]
Chip (I/O Taktfrequenz)[6]
  • DDR-200 (100 MHz)
  • DDR-266 (133 MHz)
  • DDR-333 (166 MHz)
  • DDR-400 (200 MHz)
  • DDR2-400 (200 MHz)
  • DDR2-533 (266 MHz)
  • DDR2-667 (333 MHz)
  • DDR2-800 (400 MHz)
  • DDR2-1066 (533 MHz)
  • DDR3-800 (400 MHz)
  • DDR3-1066 (533 MHz)
  • DDR3-1333 (666 MHz)
  • DDR3-1600 (800 MHz)
  • DDR3-1866 (933 MHz)
  • DDR3-2133 (1066 MHz)
  • DDR4-1600 (800 MHz)
  • DDR4-2133 (1066 MHz)
  • DDR4-2400 (1200 MHz)
  • DDR4-2666 (1333 MHz)
  • DDR4-3200 (1600 MHz)
Prefetching Zweifach-Prefetch (2-Bit) Vierfach-Prefetch (4-Bit) Achtfach-Prefetch (8-Bit) Achtfach-Prefetch mit zwei
oder vier Bank Groups[7]
Typische Strukturbreiten
  • 150nm
  • 100nm[8]
  • 100nm
  • 90nm[9]
  • 80nm
  • 60nm
JEDEC Standard
Wikipedia

Speichertechnologien

ECC

Rückseite: ECC ist an den neun anstelle von sonst acht Speicherchips erkennbar (hier Samsung K4B1G0846E-HCH9 Chips).
Vorderseite: Der größere Inphi INSSTE32882-GS04 Chip bietet die Registered Funktionalität.

Speichermodule mit ECC[16] (error-correcting code) speichern neben den normalen Daten zusätzliche Daten zur Fehlerkorrektur mittels Hamming-Code.[17]

Eigenschaften von Speichermodulen mit ECC:

  • 1 Bit Fehler werden erkannt und korrigiert
  • 2 Bit Fehler werden erkannt, können aber nicht korrigiert werden
  • ECC Module sind zwar teurer als Module ohne ECC, erhöhen aber die Zuverlässigkeit des Servers
  • ECC muss vom Mainboard und Prozessor unterstützt werden, ansonsten arbeiten ECC Module ohne ECC

Buffer

Je nach Art der Zusatzmodule (Buffer) zwischen Speichercontroller und DRAM Modulen werden folgende Module unterschieden:

  • Unbuffered DIMM
  • Registered DIMM
  • Fully Buffered DIMM
  • LRDIMM

Unbuffered DIMM

Unbuffered DIMMs haben keine Zusatzmodule zwischen Speichercontroller und DRAM Modulen.

Registered DIMM

Registermodule (Registered Modules) haben ein zusätzliches Register zwischen dem Speichercontroller des Systems und den DRAM Modulen. Das Register senkt die elektrische Last am Speichercontroller, wodurch im Vergleich zu Systemen ohne Register mehr Module stabil in einem einzelnen System betrieben werden können.[18] Ein Beispiel eines solchen Registers ist der Inphi INSSTE32882-GS04 Chip.[19]

Fully Buffered DIMM

Der hohe Stromverbrauch von FB-DIMMs führt zu einer größeren Hitzeentwicklung als bei normalen Speichermodulen. Kühlbleche führen diese Hitze ab.
Fully Buffered DIMMs (FB-DIMMs) haben ebenfalls wie Registermodule einen zusätzlichen Chip zwischen dem Speichercontroller und den DRAM Modulen, genannt Advanced Memory Buffer (AMB). FB-DIMMs sind nur für DDR2 verfügbar und werden nicht mehr weiter entwickelt. Obwohl durch den AMB Performancevorteile erzielt wurden, führte der sehr hohe Stromverbrauch dazu dass die Weiterentwicklung praktisch eingestellt wurde.[20]

LR-DIMM

LR-DIMMs (Load-Reduced-DIMMs) haben ähnlich wie FB-DIMMs einen Puffer – Isolation Memory Buffer (iMB) – zwischen Speichercontroller und DRAM Modulen. Der iMB arbeitet allerdings nicht wie der AMB von FB-DIMMs mit einen speziellen Signalprotokoll, sondern wie normale Registered DIMMs. Der Stromverbrauch soll durch den iMB nur gering steigen.

Bei LR-DIMMs laufen im Gegensatz zu Registered DIMMs alle Signale durch den Zustatz-Chip (iMB bei LR-DIMM)
Im Gegensatz zu Registered DIMMs laufen bei LR-DIMMs nicht nur die Kommando-, Adress- und Clock-Signale durch den Zwischenchip (iMB), sondern auch die Daten-Signale. Das verringert die elektrische Last am Speichercontroller.[21] Gegenüber dem Speichercontroller verhalten sich LR-DIMMs wie ein Single Rank Modul.

LR-DIMMs gibt es für DDR3 und DDR4[22], als DDR3 LR-DIMMs können Sie in Dual- und Quad-CPU Systemen der Intel Sandy Bridge Architektur zum Einsatz kommen. Als DDR LR-DIMMs in Haswell-EP und -EX Systemen.

Weitere Informationen:

Rank

Speichermodule (DIMMs) werden mit mehreren Speicherchips bestückt.

Ein einzelner Speicherchip kann jeweils die folgende Anzahl an Signalleitungen haben:[23]

  • 4 Signalleitungen (x4, nur mit Puffer-Chips, nicht für unbuffered DIMMs geeignet)
  • 8 Signalleitungen (x8)
  • 16 Signalleitungen (x16)

Ein Rank ist dabei ein eindeutig adressierbarer Bereich mit 64 (non-ECC) oder 72 (ECC) Signalleitungen.

Ein Rank eines non-ECC Speichermoduls kann damit folgendermaßen aufgebaut sein:

  • acht x8 Chips
  • vier x16 Chips

Ein unbuffered (U)DIMM darf aus einem (Single Rank) oder zwei Ranks (Dual Rank) mit x8 oder x16 Chips bestehen, die x4 Chips sind nicht erlaubt da diese einen Puffer-Chip erfordern.[24] Mögliche Konfigurationen für ein solches Speichermodul (non-ECC) sind also beispielsweise:

  • 2 GByte (1 Rank, mit acht 2GBit x8 Chips)
  • 2 GByte (2 Ranks, jeweils mit acht 1GBit x8 Chips)
  • 4 GByte (2 Ranks, jeweils mit acht 2GBit x8 Chips)
  • 8 GByte (2 Ranks, jeweils mit acht 4GBit x8 Chips) (teuer)

Weitere Informationen zu Ranks:

Dual-Channel/Triple-Channel

Mit Dual-Channel kann ein Speichercontroller parallel zwei unterschiedliche Ranks ansprechen und somit die maximale Datentransferrate zwischen Speicher und Speichercontroller verdoppeln. Die Ranks müssen sich dabei auf unterschiedlichen Speichermodulen befinden. Für eine Dual-Channel Konfiguration sind also mindestens zwei Speichermodule nötig.[25][26]

Der Speichercontroller war bei Intel Systemen bis inklusive der Intel Core Mikroarchitektur in der Northbridge. Ab der Intel Nehalem Mikroarchitektur sitzt der Speichercontroller in der CPU und unterstützt bis zu zwei oder drei Speicherkanäle (Dual-Channel/Triple-Channel).[27]

Quad-Channel

Mit den Prozessoren der Sandy Bridge-E Generation wurde ein Quad-Channel Speichercontroller eingeführt. Dies bedeutet, dass vier Speicherkanäle unterstützt werden. Bei diesem Betriebsmodus sind vier Speichermodule gleicher Bauart erforderlich.

Energieverbrauch

Energieeinsparungen durch geringe Betriebsspannung und geringere Strukturbreite (Quelle: Samsung)
Je nach verwendeter Technologie variiert der Energieverbrauch von Speichermodulen. Module mit einer geringeren Betriebsspannung und niedrigeren Strukturbreiten verbrauchen weniger Energie als andere Module. Im laufenden Betrieb variiert die Leistungsaufnahme außerdem von der jeweiligen Speichernutzung.[2]

Die folgende Tabelle zeigt Beispiele des Energieverbrauchs von unterschiedlichen ATP Speichermodulen. Deutlich sichtbar ist der Vorteil von DDR3 Speichermodulen mit Speicherchips mit 256Mx8 Organisation (2 Gbit Chips) mit 0,54 Watt/GByte im Vergleich zu 6,84 Watt/GByte bei FB-DIMMs:

Speichermodul Kapazität Speichertyp Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme je GByte
AL48M72F4GKF8S 16 GByte DDR3, Registered, ECC, 4 Rank 8,710 Watt 0,54 Watt/GByte
AL24M72E4BKH9S 8 GByte DDR3, Registered, ECC, 2 Rank 6,132 Watt 0,77 Watt/GByte
AL12M72B8BKH9S 4 GByte DDR3, Registered, ECC, 2 Rank, Speicherchips mit 256Mx8 Organisation (2 Gbit Chips) 2,934 Watt 0,73 Watt/GByte
AL56M72A8BKH9S 2 GByte DDR3, Registered, ECC, 1 Rank, Speicherchips mit 256Mx8 Organisation (2 Gbit Chips) 2,130 Watt 1,07 Watt/GByte
AL56M72B8BJH9S 2 GByte DDR3, Registered, ECC, 2 Rank, Speicherchips mit 128Mx8 Organisation (1 Gbit Chips) 5,132 Watt 2,57 Watt/GByte
AL28M72A8BJH9S 1 GByte DDR3, Registered, ECC, 1 Rank 2,241 Watt 2,24 Watt/GByte
AQ12M72E8BKH9S 4 GByte DDR3, Unbuffered, ECC, 2 Rank, Speicherchips mit 256Mx8 Organisation (2 Gbit Chips) 2,214 Watt 0,55 Watt/GByte
AQ56M72D8BKH9S 2 GByte DDR3, Unbuffered, ECC, 1 Rank, Speicherchips mit 256Mx8 Organisation (2 Gbit Chips) 1,280 Watt 1,28 Watt/GByte
AQ28M72D8BJH9S 1 GByte DDR3, Unbuffered, ECC, 1 Rank 1,387 Watt 1,39 Watt/GByte
AJ28K72F8BJE6S 1 GByte DDR2, Unbuffered, ECC 1,872 Watt 1,87 Watt/GByte
AP56K72G4BHE6S 2 GByte DDR2, FB-DIMM, ECC 13,683 Watt 6,84 Watt/GByte

Einzelnachweise

  1. Synchronous Dynamic Random Access Memory (de.wikipedia.org)
  2. 2,0 2,1 Spezifikation für sparsamere DDR3-Speicherchips (heise.de, 27.07.2010)
  3. What's New in Greener DDR3 Server Memory (kingston.com, 15.02.2011)
  4. Development of DDR3 SDRAM operating at 1.25V (hynix.com, 01.06.2010)
  5. Prototypen von DDR4-Speichermodulen produziert (heise.de, 06.01.2011)
  6. Quelle: DDR-SDRAM (de.wikipedia.org)
  7. Ein paar technische Details zu DDR4-SDRAM (heise.de, 23.08.2011)
  8. Hynix mit 100nm DDR SDRAM - 512Mbit Speicherchips werden bald in 100nm statt 150nm gefertigt (hartware.net, 30.10.2002)
  9. Elpida steigt auf 90 nm-Produktionsprozess für DDR-Speicher um (tomshardware.de, 02.12.2004)
  10. Samsung Develops Industry's First DDR4 DRAM, Using 30nm Class Technology (samsung.com, 04.01.2011)
  11. 30nm class DDR3 (samsung.com)
  12. Elpida liefert Muster von 25-nm-DDR3-DRAM aus (computerbase.de, 01.08.2011)
  13. Samsung entwickelt DDR4-RAM in 30-nm-Fertigung (tomshardware.de, 05.01.2011)
  14. Samsung fertigt 8 GBit große DDR4-Speicherchips in 20 nm (tomshardware.de, 22.10.2014)
  15. Samsung produziert 8-GBit-Chips im 10-nm-Verfahren (golem.de, 06.04.2016)
  16. ECC memory (en.wikipedia.org)
  17. Hamming-Code (en.wikipedia.org)
  18. Registered memory (en.wikipedia.org)
  19. Inphi DDR3 Registering Clock Driver Passes JESD47 Validation (edageek.com, 29.04.2008)
  20. FB-DIMM is dead, RDDR3 is new king (theinquirer.net, 26.09.2007)
  21. End to End LRDIMM Benefits for Your Future Intel Server Session SPCQ002 des IDF 2011, Slide 5 Load Reduction with Isolation Memory Buffer
  22. LR-DIMMs vervielfachen Hauptspeicherkapazität (heise.de, 30.06.2010)
  23. Speichermodul (de.wikipedia.org)
  24. Mehr Platz fürs Hirn - PC-Hauptspeicher erweitern (c't 13/2011, Seite 97)
  25. Dual-channel architecture (en.wikipedia.org)
  26. Single, dual, triple, and flex memory modes (intel.com)
  27. Nehalem (microarchitecture) (en.wikipedia.org)

Weitere Informationen


Foto Werner Fischer.jpg

Autor: Werner Fischer

Werner Fischer, tätig im Bereich Communications / Knowledge Transfer bei Thomas-Krenn, hat sein Studium zu Computer- und Mediensicherheit an der FH Hagenberg abgeschlossen. Er ist regelmäßig Autor in Fachzeitschriften und Speaker bei Konferenzen wie LinuxCon, OSDC, OSMC, LinuxTag u.v.m. Seine Freizeit gestaltet er sehr abwechslungsreich. In einem Moment absolviert er seinen Abschluss im Klavierspielen, im anderen läuft er beim Linzmarathon in der Staffel mit oder interessiert sich für OpenStreetMap.


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