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Computertechnik-Fibel

Die Computertechnik-Fibel, das Computer-Buch

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DDR-SDRAM - Double Data Rate SDRAM (DDR1 / DDR2 / DDR3 / DDR4)

DDR-SDRAM und die Varianten DDR2, DDR3 und DDR4 sind gängige Halbleiterspeicher für Computersysteme. DDR-SDRAM wird als Arbeitsspeicher bzw. Hauptspeicher verwendet. Dieser Halbleiterspeicher wird nicht nur in Computern, sondern auch in Kraftfahrzeugen, Netzwerken, Kommunikationstechnik, medizinischen Apparaten und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt.

DDR-SDRAM entspricht dem normalen SDRAM, jedoch mit einer kleinen Modifikation: Bei der Übertragung der Daten wird nicht nur die ansteigende Flanke, sondern auch die abfallende Flanke des Taktsignals zur Datenübertragung genutzt. In der Praxis entspricht das einer Taktverdopplung. Rein rechnerisch entsteht so eine Verdopplung der Übertragungsrate.

Um eine Verwechslung mit DDR-SDRAM (Double Data Rate) zu vermeiden, wird normales SDRAM als SDR-SDRAM (Single Data Rate) bezeichnet. Fälschlicherweise wird "DDR-SDRAM" auch als "DDR-RAM" oder "DDR-DRAM" bezeichnet. Um Verwechslungen und Missverständnisse zu vermeiden, sollte man die einzig richtige Bezeichnung "DDR-SDRAM" verwenden.

Vom Mythos der Verdopplung der Übertragungsrate durch DDR-Technik

Es geht darum zu klären, wie es zu der angeblichen Verdopplung der Übertragungsrate durch die DDR-Technik kommt. So einfach ist es nämlich nicht, wie man sich das vielleicht vorstellt. Erschwerend kommt hinzu, das die technischen Unterschiede zwischen DDR, DDR2, DDR3 und DDR4 im Detail liegen. Die folgenden Erläuterungen sind nicht vollständig und sollen auch nur einen kleinen Einblick in die DDR-Speichertechnik bieten.

Double Data Rate bedeutet, dass pro Übertragungszyklus (eine Taktrate) zweimal bzw. die doppelte Menge an Daten übertragen wird. Damit die beteiligten Komponenten des Speicherbusses synchron arbeiten orientieren sie sich am Speichertakt und nutzen durch die DDR-Technik sowohl die steigende als auch die fallende Taktflanke. Normalerweise würde man nur die steigende Taktflanke nehmen. Ein Speicherbus, der mit 100 MHz arbeitet würde bei DDR rein rechnerisch mit 200 MHz arbeiten. Soviel zur grundsätzlichen Funktionsweise von Double Data Rate (DDR).

Eine weitere Erhöhung der Übertragungsrate wäre dann nur noch durch die Erhöhung der Taktrate möglich. Doch Vorsicht, man unterscheidet zwischen dem internen Speicher-Takt in den Speicherchips und dem externen Speicherbus-Takt. Das bedeutet, wenn der Speicherbus-Takt mit 100 MHz und durch DDR rechnerisch mit 200 MHz arbeitet, bedeutet das nur, dass sich die DDR-Technik als Taktverdopplung von 100 auf 200 MHz auswirkt. Denn intern arbeitet der Speicher nur mit 100 MHz. Double Data Rate bezieht sich hier nur auf den Speicherbus, nicht auf die Speicherchips.

SDR-SDRAM
(Beispiel: PC100)
SDR-SDRAM
DDR-SDRAM
(Beispiel: DDR-400)
DDR1-SDRAM
DDR2-SDRAM
(Beispiel: DDR2-400)
DDR2-SDRAM

Das bedeutet, die Verdopplung der Übertragungsrate auf dem Speicherbus ist nur wenig sinnvoll, wenn der eigentliche Speicher die Daten in dieser Geschwindigkeit nicht liefern kann. Die Frage ist, wie schafft man es, dass die Verdopplung der externen Datentransferrate auch wirklich genutzt werden kann. Das erreicht man nur durch Prefetching innerhalb des Speichers. Dazu werden einfach zwei (DDR) oder mehr (DDR2, DDR3) Datenbits auf einmal ausgelesen. Die Zugriffsbeschleunigung durch Prefetching funktioniert aber nur dann, wenn der Speicher-Controller hintereinander liegende Adressbereiche aus der gleichen Speicherfeldzeile anfordert oder wenn die angeforderten Daten auf unterschiedlichen Speicherbänken liegen. Das bedeutet, die Adresszugriffe müssen optimal auf die internen Speicherbänke verteilt werden, um die Taktverdopplung für eine Verdopplung der Übertragungsrate nutzen zu können.
DDR ist also erst mal nichts weiter als eine Verdopplung der Speicherbusgeschwindigkeit. Erst mit verschiedenen Tricks werden auch mehr Daten aus dem Speicher gelesen. Beim Prefetching erfolgte bei jeder Adressierung ein paralleler Zugriff auf zwei interne Speicherbänke (DDR), bei DDR2-SDRAM auf vier Speicherbänke und bei DDR3-SDRAM auf acht Speicherbänke. DDR4-SDRAM verwendet auch ein achtfaches Prefetching. Hier erfolgt der Zugriff auf zwei oder vier Gruppen von Speicherbänken.

Dual Channel (DDR)

Um die Speicherbandbreite zu erhöhen kann man die Daten auch gleich aus zwei Speichermodulen anfordern. Man bezeichnete das als Dual-Channel. Dual-Channel bezieht sich nicht auf das Speichermodul, sondern auf den Speicher-Controller. Manche Speicher-Controller können auch mehr als 2 Speichermodule gleichzeitig auslesen.

Speicher-Bezeichnung

Mit DDR-SDRAM wurde eine neue Speicher-Bezeichnung eingeführt, um die Leistungsfähigkeit der Speichermodule leichter unterscheiden zu können. Die Bezeichnung wurde von der JEDEC offiziell festgelegt. Sie gibt nicht wie ursprünglich die Taktrate an (zum Beispiel PC66, PC100, PC133), sondern die Speicherbandbreite (zum Beispiel PC1600, PC2100). Doch Vorsicht, die Angabe ist nach oben gerundet. PC1600 steht für rund 1,6 GByte/s. Wobei DDR200-Speicherchips verwendet werden. Die physikalische Taktrate beträgt nur 100 MHz. Durch DDR beträgt die rechnerische Taktrate 200 MHz. PC2100 steht für eine Speicherbandbreite von rund 2,1 GByte/s. Wobei DDR266-Speicherchips verwendet werden. Die physikalische Taktrate beträgt 133 MHz. Durch DDR beträgt die rechnerische Taktrate 266 MHz.

Die genaue Erläuterung zur Bezeichnung von Speicherchips und Speichermodulen ist unter PC/PC2/PC3/PC4-Spezifikation zu finden.

Hinweis: In der Praxis ist die angegebene oder berechnete Datenrate für ein Speichermodul selten erreichbar. Es braucht Zeit, bis die angeforderten Daten am Speicherbus anstehen. In der Zeit muss der Prozessor warten. Die Angabe der Übertragungsrate dient nur zur Klassifizierung des Speichermoduls, nicht zur Angabe der tatsächlichen Datenrate.

SDR-SDRAM und DDR-SDRAM im Vergleich

Speichermodul Speicher-Typ physikalische
Taktfrequenz
genutzte
Flanken
rechnerische Taktrate Interface Speicher-
Bandbreite
PC66 SDR-SDRAM 66 MHz 1 66 MHz 64 Bit 0,50 GByte/s
PC100 SDR-SDRAM 100 MHz 1 100 MHz 64 Bit 0,75 GByte/s
PC133 SDR-SDRAM 133 MHz 1 133 MHz 64 Bit 0,99 GByte/s
PC150 SDR-SDRAM 150 MHz 1 150 MHz 64 Bit 1,12 GByte/s
PC166 SDR-SDRAM 166 MHz 1 166 MHz 64 Bit 1,24 GByte/s
PC1600 (PC200) DDR-SDRAM 100 MHz 2 200 MHz (DDR200) 64 Bit 1,49 GByte/s
PC2100 (PC266) DDR-SDRAM 133 MHz 2 266 MHz (DDR266) 64 Bit 1,98 GByte/s
PC2700 (PC333) DDR-SDRAM 166 MHz 2 333 MHz (DDR333) 64 Bit ~ 2,7 GByte/s
PC3200 DDR-SDRAM 200 MHz 2 400 MHz (DDR400) 64 Bit ~ 3,2 GByte/s

DDR2-SDRAM - Double Data Rate 2 SDRAM

DDR2-SDRAM bietet verschiedene Vorteile gegenüber dem normalen DDR-SDRAM. DDR- und DDR2-Speichermodule (DIMM) arbeiten mit unterschiedlichen Spannungen und unterscheiden sich auch mechanisch voneinander.
DDR2-SDRAM wurde entwickelt, um den Energiebedarf zu reduzieren und die Signalqualität und damit die Systemstabilität zu verbessern. Beides wird durch die Senkung der Frequenz, beispielsweise von 200 MHz auf 100 MHz, und der Spannung, von 2,4 V auf 1,8 V, erreicht.
In der Regel haben DDR2-Speichermodule eine Betriebsspannung von 1,8 oder 1,9V. Liegt sie darüber eignen sich die Speichermodule zum Übertakten.
Die Senken der Taktfrequenz war wegen der schlechten Signalqualität und dem zunehmenden Rauschen notwendig. Der Zeitraum, in dem ein Datensignal als 1 oder 0 erkannt werden kann, reduziert sich bei hoher Frequenz deutlich. Das Signal ist kürzer und deshalb die Erkennung anfälliger für Fehler. Eine weitere Maßnahme ist die Verkürzung der Leitungswege zum Speichercontroller. Zum Beispiel durch On-Die-Terminatoren (ODT). Die ODT-Technik verhindert Reflektionen auf den Signalleitungen und erhöht somit die Systemstabilität. Dabei werden die Abschlusswiderstände vom Speicher-Controller in den Speicherchip implementiert. Das verkürzt die Leitungswege und vermindert das Rauschen durch Reflektionen am Leitungsende.

DDR2 überträgt die Daten genauso wie DDR1 mit steigender und fallender Taktflanke. Die DDR2-Technik nennt sich QDR und überträgt vier Datenworte pro Takt. Durch ein 4-Bit-Prefetching liefert der interne Speicher vier, anstatt zwei Bit pro Taktschritt an ein Ein-/Ausgabe-Puffer. Somit bleibt die maximale Bandbreite von DDR400 und DDR2-400 mit 3,2 GBit/s gleich.
Zur Wiederholung: DDR400 arbeitet intern mit einer Taktfrequenz von 200 MHz, während DDR2-400 nur mit 100 MHz arbeitet. Der externe Speicherbus wird bei beiden Speichertypen mit 200 MHz getaktet. Erst durch Prefetching wird die verfügbare Bandbreite ausgereizt.
Bedeutet das, dass DDR2 gegenüber normalem DDR keinen Vorteil hat? Doch, hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Systemstabilität schon. Im Lauf der Zeit wurde die interne Speichertaktrate von 100 auf bis zu 266 MHz gesteigert, um parallel dazu auch die Speicherbandbreite zu erhöhen.
Neben DDR2-400 gibt es auch Speichermodule mit 533er, 667er, 800er und 1066er Speicherchips.

Speichermodul Speicherchip Spannung interner Speichertakt externer Bustakt Bandbreite
PC2-3200 DDR2-400 1,8 V 100 MHz 200 MHz DDR 3,2 GByte/s (2,98 GByte/s)
PC2-4200 DDR2-553 1,8 V 133 MHz 266 MHz DDR 4,2 GByte/s (3,97 GByte/s)
PC2-5300 DDR2-667 1,8/2,0 V 166 MHz 333 MHz DDR 5,3 GByte/s (4,97 GByte/s)
PC2-6400 DDR2-800 1,8/2,1 V 200 MHz 400 MHz DDR 6,4 GByte/s
PC2-8500 DDR2-1066 1,8 V 266 MHz 533 MHz DDR 8,5 GByte/s

DDR3-SDRAM - Double Data Rate 3 SDRAM

Die Nachfrage nach einem schnellen Speicher, der wenig Strom verbraucht, hat zum DDR3-SDRAM geführt. Die Speicherchips werden mit einer Spannung von 1,5V betrieben. Dadurch wird Verlustleistung reduziert. Und die Speicherchips eignen sich noch besser für höhere Taktraten.
Die Latenzzeiten der Zugriffe sind bei DDR3 bei gleichem Takt etwas höher als bei DDR2. Höhere Latenzen ermöglichen höhere Taktraten. Durch einen höheren Takt werden die höheren Latenzen wieder ausgeglichen.
Unterscheiden muss man auch bei DDR3 die Taktfrequenz des Speicher-Interfaces und die Speicher-interne Taktrate. Im Speicher beträgt die Taktfrequenz nur ein Viertel des nominellen Takts. Um die Daten trotzdem für die hohe Bandbreite aus den Speicherzellen lesen zu können, sind die Speicherzellen von DDR3-SDRAM gegenüber DDR1-SDRAM mit einem vierfach so breiten Interface angebunden. Nur ein Bruchteil eines einzelnen Speicherchips wird als Speicher verwendet. Der Großteil sind I/O-Einheiten.
DDR3 stellt nichts anderes dar, als die konsequente Fortsetzung des mit DDR2 eingeschlagenen Wegs.

Die DDR3L-Version mit 1,35 V ist eine Stromspar-Variante für Notebooks und Mini-PCs. Die Stromverbrauchsersparnis ist allerdings minimal und lohnt sich wirklich nur für Server mit einem sehr großen Arbeitsspeicher oder für Akku-betriebene Geräte.

Speichermodul Speicherchip Spannung interner Speichertakt externer Bustakt Bandbreite
PC3-6400 DDR3-800 1,5 V 100 MHz 400 MHz DDR 6,400 GByte/s
PC3-8500 DDR3-1066 1,5 V 133 MHz 533 MHZ DDR 8,528 GByte/s
PC3-10600 DDR3-1333 1,5 V 166 MHz 667 MHz DDR 10,667 GByte/s
PC3-12800 DDR3-1600 1,5 V 200 MHz 800 MHz DDR 12,800 GByte/s
PC3-14900 DDR3-1866 1,5 V 233 MHz 933 MHz DDR 14,933 GByte/s
PC3-17000 DDR3-2133 1,5 V 266 MHz 1.066 MHz DDR 17,066 GByte/s

Noch ein kurzer Hinweis auf die Geschwindigkeitsklassifizierung der Speicherchips: PC3-8500-Speichermodule haben DDR3-1066-Speicherchips. Die werden nicht mit 1066 MHz, sondern nur mit 533 MHz angesteuert. Die Datenübertragung erfolgt dann mit DDR (Double Data Rate), also sowohl bei steigender als auch bei fallender Taktflanke, wodurch sich rein rechnerisch 1066 MHz ergeben würde.

DDR4-SDRAM - Double Data Rate 4 SDRAM

DDR4-SDRAM-Speichermodule haben verschiedene Verbesserungen gegenüber DDR3-SDRAM. Dazu zählen höhere Taktfrequenzen, verbesserte DRAM-Chips und Speicher-Controller. Die Taktfrequenzen sind auf 800, 933, 1066 und 1.200 MHz festgelegt. Das bedeutet, es gibt DDR4-1600, -1866, -2133 und -2400-Chips. Die Latenzparameter reichen von 10-10-10 bis 18-18-18. Höhere Datentransferraten und eine niedrigere Leistungsaufnahme sind das Ziel. Die Speichermodule (DIMM) laufen mit 1,2 Volt und haben 288 (Desktop und Server) bzw. 256 (Notebooks) Pins. Die Angabe, dass ein DDR4-DIMM 284 Pins hat ist veraltet und damit falsch.

Um höhere Taktfrequenzen zu erreichen bringt DDR4 ein paar technische Neuerungen. Zu den Neuerungen gehört das Übertragungsverfahren POD12 (Pseudo Open-Drain Interface mit 1,2 Volt Nominalspannung). Die Referenzspannungen zur Unterscheidung von High- und Low-Pegeln ist nicht mehr festgelegt, sondern die handeln die Chips untereinander aus. Damit kompensieren sie äußere Einflüsse durch wechselnde Temperaturen, unterschiedlich lange Busleitungen und unterschiedliche SDRAM-Chips.
Bisher wurde der Speicherbus bei jedem neuen DDR-SDRAM beschleunigt, wobei sich das nur auf die externen Anschlüsse der Chips bezog. Doch die Daten müssen natürlich auch schneller in die Speicherzellen geschrieben und ausgelesen werden. Die Zellen lassen sich aber nicht so einfach hochtakten. Bei den vielen Tausend Transistor-Kondensator-Reihen ist das schwierig, die Geschwindigkeit zu halten, wenn auch immer wieder die Strukturen verkleinert werden. Feinere Leiterbahnen haben einen größeren Widerstand und kleinere Kondensatoren nehmen weniger Elektronen (Ladungsträger) auf, was zu schwächeren Signalen führt und damit auch zu empfindlicheren Sense Amplifiern, die den Speicherzellenzustand sicher erkennen müssen. Mehr Geschwindigkeit in den Chips ist da Gift. Deshalb laufen die Speicherchips intern schon seit Jahren nur mit 200 MHz. Damit pro Taktzyklus mehr Daten geliefert werden können greift der DDR-Speicher intern parallel auf mehrere Speicherzellen zu. Diese Parallelisierung des Speicherzellen-Zugriffs wird als Prefetching bezeichnet.
Die erste DDR-Generation arbeitete mit zweifachem Prefetching, DDR2 mit vierfachem und DDR3 mit achtfachem Prefetching. Bei DDR4 wollte man das Prefetching nicht noch mal steigern. Das hätte nur Nachteile gebracht. Denn nur wenn der Inhalt aufeinanderfolgender Speicherzellen auch in unmittelbarer aufeinanderfolgenden Taktzyklen übertragen wird, dann arbeitet Prefetching effizient. Bei DDR3 sind es 64 Byte, was exakt zur Cache Line Length aktueller Prozessoren passt.
Bei DDR4 bleibt das Prefetching mit 64 Byte erhalten. Statt dessen verteilt man die Zugriffe auf die internen Speicherbänke geschickter. Im Prinzip ist das auch Prefetching, aber eben auf einer anderen Ebene.

Speichermodul Speicherchip Spannung interner Speichertakt externer Bustakt Bandbreite
PC4-1600 DDR4-1600 1,2 V 100 MHz 800 MHz DDR 12,8 GByte/s
PC4-1866 DDR4-1866 1,2 V 133 MHz 933 MHz DDR 14,9 GByte/s
PC4-2133 DDR4-2133 1,2 V 166 MHz 1.066 MHz DDR 17,0 GByte/s
PC4-2400 DDR4-2400 1,2 V 200 MHz 1.200 MHz DDR 19,2 GByte/s
PC4-3200 DDR4-3200 1,2 V   1.600 MHz DDR 25,6 GByte/s

Geändert hat sich mit DDR4 auch die Schreibweise der Bezeichnungen. Ein DIMM-Speichermodul mit DDR3-1600-Chips wird mit PC3-12800 bezeichnet. Im Vergleich dazu wird ein DIMM-Speichermodul mit DDR4-2400-Chips mit PC4-2400 bezeichnet. Während sich bei DDR3, die Bezeichnung der Chips indirekt auf die Taktfrequenz beziehen, hat man das bei DDR4 auf dem Speichermodul übernommen. Ein DDR3-1600-Chip arbeitet mit einer Taktfrequenz von 800 MHz und erreicht mit Double-Data-Rate 1.600 Megatransfers pro Sekunde (MT/s). Das ist aber nicht die eigentliche Datentransferrate. Die ist von der Anzahl der Datenleitungen abhängig. Bei 64 Datenleitungen und 8 Byte pro Transfer ergibt das bei 1.600 MT/s rechnerisch 12,8 GByte/s.
Bei DDR4 kann man nun auf die Taktfrequenz schließen, aber eben nicht mehr so einfach auf die Übertragungsrate des Speicherkanals. Bei PC4-2400 wäre es 19,2 GByte/s. Bei PC4-3200 wäre es 25,6 GByte/s.

DDR, DDR2, DDR3 und DDR4 im Vergleich

  DDR DDR2 DDR3 DDR4
offizielle Taktfrequenzen 100 - 200 MHz
(DDR200 - DDR400)
200 - 400 MHz
(DDR2/400 - DDR2/1066)
400 - 1066 MHz
(DDR3/800 - DDR3/2133)
800 - 1200 MHz
(DDR4/1600 - DDR4/2400)
Takt-Verhältnis I/O-Einheiten zu Speicherzellen 1:1 1:2 1:4 1:8
Takt der Speicherzellen 200 MHz bei DDR400 200 MHz bei DDR2/800 200 MHz bei DDR3/1600 200 MHz bei DDR4/2400
nominelle Speicherspannung 2,5 V (± 0,2 V) 1,8 V (± 0,1 V) 1,5 V (± 0,075 V) 1,2 V

DIMM-Speichermodule von DDR1, DDR2 und DDR3 im Vergleich

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Übersicht: Halbleiterspeicher

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