DDR-SDRAM - Double Data Rate SDRAM

DDR / DDR2 / DDR3 / DDR4 / DDR5

DDR-SDRAM und die Varianten DDR2, DDR3, DDR4 und DDR5 sind Halbleiterspeicher, die Computersystemen als Arbeitsspeicher bzw. Hauptspeicher verwendet werden. Dieser Halbleiterspeicher wird nicht nur in klassischen Computern, sondern auch in Kraftfahrzeugen, Systeme der Netzwerktechnik, Kommunikationssystemen, medizinischen Apparaten und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt.

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 Missverständnisse zu vermeiden, sollte man die einzig richtige Bezeichnung "DDR-SDRAM" verwenden.

Damit sich die Rechenleistung von Prozessoren entfalten kann, braucht es einen schnellen Speicher. Je nach Einsatzbereich sind unterschiedliche Neuerungen durch die Weiterentwicklung der DDR-Technik wichtig:

• Für die Virtualisierung und für In-Memory-Datenbanken ist mehr Speicher pro Speichermodul interessant.
• KI-Systeme und Supercomputer profitieren eher von höheren Datentransferraten zwischen Prozessor und Speicher.
• Bei normalen PCs und Notebooks wird der Einfluss von schnellerem Arbeitsspeicher häufig überschätzt.

Wie funktioniert Double Data Rate?

Zu beachten ist, dass die technischen Unterschiede zwischen den verschiedenen Weiterentwicklungen von DDR-SDRAM 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) jeweils die doppelte Menge an Daten übertragen werden.

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

Damit die beteiligten Komponenten des Speicherbusses synchron arbeiten, orientieren sie sich an der Taktrate des Speicherbusses. Der Takt sieht aus, wie ein rechteckförmiges Signal, bei dem das Signal regelmäßig steigt und fällt. Normalerweise werden Daten nur bei steigendem Taktsignal übertragen. Die DDR-Technik nutzt sowohl die steigende als auch die fallende Taktflanke. Ein Speicherbus, der mit 100 MHz arbeitet, würde bei DDR rein rechnerisch mit 200 MHz arbeiten. Also doppelt so viele Daten übertragen.
Eine weitere Erhöhung der Übertragungsrate ist aber nur noch durch die Erhöhung der Taktrate möglich.

Doch Vorsicht, diese Taktrate gilt nur für den externen Speicherbus. Double Data Rate bezieht sich nur auf den Speicherbus, nicht auf den internen Speicher-Takt der Speicherchips.

Weil sich die eigentlichen DRAM-Speicherzellen nicht so stark beschleunigen lassen, wie es höhere Datentransferraten mit DDR verlangen, muss man mit verschiedenen Maßnahmen die Differenz zwischen der Speicherbus-Geschwindigkeit und der internen Speicher-Geschwindigkeit auszugleichen. Erst mit verschiedenen Tricks werden auch mehr Daten aus dem Speicher gelesen.

• Parallelisierung: Mit jeder neuen Generation von DDR-Speicher werden die großen Speicherzellenfelder in immer mehr Blöcke unterteilt. Die Daten in diesen Blöcken können bis zu einem gewissen Grad unabhängig voneinander gelesen und geschrieben werden. Um die externe Datenrate zu erhöhen, arbeiten mehrere Blöcke intern parallel. Die jeweiligen Daten werden dann in aufeinanderfolgenden Transferzyklen über den externen Speicherbus übertragen.
• Prefetching: Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Daten spekulativ aus den Speicherchips vorgeladen werden, in der Annahme, dass diese Daten später angefordert werden. 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. Bei DDR erfolgte bei jeder Adressierung ein paralleler Zugriff auf zwei interne Speicherbänke, bei DDR2 auf vier Speicherbänke und bei DDR3 auf acht Speicherbänke. DDR4 verwendet auch ein achtfaches und DDR5 ein 16-faches Prefetching.
• Höhere Kodierung: Die Datenrate auf einem Übertragungskanal kann nicht nur durch höhere Taktfrequenzen erhöht werden, sondern auch durch eine Abkehr vom binären System. Anstatt nur die Werte 0 und 1 in zwei unterschiedlichen Spannungspegeln zu kodieren, werden drei oder vier verschiedenen Spannungspegeln verwendet. Das ist fehleranfälliger, weshalb der Schaltungsaufwand in den Chips steigt.

Dual-Channel

Um die Speicherbandbreite zu erhöhen können die Daten auch aus zwei Speichermodulen parallel angefordert werden. Man bezeichnet das als Dual-Channel. Dual-Channel bezieht sich aber nicht auf das Speichermodul, sondern auf den Speicher-Controller. Manche Speicher-Controller können auch mehr als 2 Speichermodule gleichzeitig auslesen.

SDRAM-Transferrate berechnen

Die Transferrate von SDRAM und DDR-SDRAM errechnet sich aus dem Produkt der Anzahl der Kanäle, der Breite der Speicherschnittstelle (64 Bit), der I/O-Taktfrequenz und dem Faktor 2, wenn es sich um ein Double-Data-Rate-Speicher (DDR) handelt.

Beispiel bei DDR4-2666: 21,3 GByte/s = 1 Kanal x 64 Bit x 1.333 MHz x 2

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 bezieht sich die Bandbreite des Speicherbusses, meist nach oben gerundet. PC1600 steht zum Beispiel für rund 1,6 GByte/s.

• Bezeichnung von Speicherchips und Speichermodulen nach der PC/PC2/PC3/PC4-Spezifikation

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 Speicher-Bezeichnung dient nur zur Klassifizierung des Speichermoduls, nicht zur Angabe der tatsächlichen Datenrate.

Gründe warum es zu Verzögerungen kommt:

• Die Adressierung der Speicherzellen braucht Zeit.
• Bei manchen Zugriffen treten Latenzen auf, bis die Daten aus den Speicherzellen gelesen wurden.
• Die Speicherzellen müssen regelmäßig aufgefrischt werden (Refresh) und können nicht gleichzeitig Daten liefern.
• Weil die Speicherchips kontinuierlich mit hoher Transferrate arbeiten, werden sie heiß, weshalb es kurze Kühlpausen gibt.

SDR-SDRAM und DDR-SDRAM im Vergleich

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 1,9 V. 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? 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.

DDR3-SDRAM - Double Data Rate 3 SDRAM

Die Nachfrage nach einem schnellen Speicher, der wenig Strom verbraucht, hat zu DDR3-SDRAM geführt. Die Speicherchips werden mit einer Spannung von 1,5 V 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.

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, 1.066 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.

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.

DDR5-SDRAM

DDR5-SDRAM ermöglicht es, die Datentransferrate pro Speichermodul um fast 80 Prozent im Vergleich zu DDR4 zu steigern. Beispielsweise von 23,5 GByte/s bei DDR4-2933 auf 41,6 GByte/s bei DDR5-5200.
Um die Leistungsaufnahme und Abwärme in Grenzen zu halten, wurde die Spannung von 1,2 auf 1,1 Volt reduziert. Mehrere weitere Maßnahmen verbessern Signalübertragung und Fehlerkorrektur.

DDR, DDR2, DDR3 und DDR4 im Vergleich

DIMM-Speichermodule von DDR1, DDR2, DDR3 und DDR4 im Vergleich

• DIMM - Dual Inline Memory Module
• CUDIMM - Clocked Unbuffered Dual Inline Memory Module
• R-DIMM und FB-DIMM

Übersicht: Halbleiterspeicher

• ROM - Read Only Memory
• RAM - Random Access Memory
• DRAM - Dynamic RAM
• SDRAM - Synchronous DRAM
• HBM - High Bandwidth Memory
• Flash-Speicher
• FRAM - Ferroelectric RAM
• MRAM - Magnetoresistive RAM
• PCRAM - Phase Change RAM

Weitere verwandte Themen:

• PC/PC2/PC3/PC4-Spezifikation
• Speichermodule
• Speicherarchitektur
• Arbeitsspeicher / Hauptspeicher

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