DDR-SDRAM (DDR1 / DDR2 / DDR3)

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 genutzt. Effektiv ist das eine 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.

Wer denkt, dass DDR-SDRAM nur in Arbeitsplatz-Computern verbaut ist, der täuscht sich. DDR-SDRAM ist heute die gängigste Speichertechnik. Sie wird nicht nur in Computern, sondern auch in Kraftfahrzeugen, Netzwerken, Kommunikationstechnik, medizinischen Apparaten und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt.

Vom Mythos der Verdopplung der Übertragungsrate

Pro Übertragungszyklus werden theoretisch zweimal Daten übertragen. Einmal bei der steigenden und einmal bei der fallenden Taktflanke. Doch Vorsicht, man unterscheidet zwischen internem Speicher-Takt und externem Bus-Takt! Das bedeutet, wenn der Bustakt mit 100 MHz arbeitet und durch DDR rechnerisch mit 200 MHz arbeitet, bedeutet das nicht, dass diese 200 MHz ausgereizt werden. Denn intern arbeitet der Speicher nur mit 100 MHz. Auf die Speicherchips bezieht sich Double Data Rate (DDR) nicht.
Konkret bedeutet das, die Verdopplung der externen Datentransferrate 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 Speichercontroller 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.
DDR ist also erst mal nichts weiter als eine Verdopplung der Speicherbusgeschwindigkeit. Erst mit verschiedenen Tricks werden mehr Daten aus dem Speicher gelesen. Beim Prefetching erfolgt das Auslesen der Speicherzellen in Zweier(DDR-SDRAM)- oder Vierergruppen (DDR2-SDRAM).

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.

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 PCxxxx-Spezifikation zu finden.

SDR-SDRAM und DDR-SDRAM im Vergleich

DDR2-SDRAM - Double Data Rate 2 SDRAM

DDR2-SDRAM bietet verschiedene Vorteile gegenüber dem normalen DDR-Speicher. DDR- und DDR2-Speichermodule (DIMM) arbeiten mit unterschiedlichen Spannungen und unterscheiden sich auch mechanisch voneinander.
Der DDR2-Speicher 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.
Die Senkung der Taktfrequenz wurde wegen der schlechten Signalqualität und dem zunehmenden Rauschen notwendig. Der Zeitraum, in dem ein Signal als 1 oder 0 erkannt werden kann, reduziert sich bei hoher Frequenz deutlich. Das Signal ist kürzer und 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.

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

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 den 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.
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.

DDR3-SDRAM - Double Data Rate 3 SDRAM

Die Nachfrage nach einem schnellen Speicher, der wenig Strom verbraucht, hat zur DDR3-Speichertechnik geführt. Die Speicherchips werden mit einer Spannung von 1,5V betrieben. Dadurch wird Verlustleistung gespart. 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 als die konsequente Fortsetzung des mit DDR2 eingeschlagenen Wegs dar.

DDR1, DDR2 und DDR3 im Vergleich

DIMM-Speichermodule von DDR1, DDR2 und DDR3 im Vergleich

Übersicht: Halbleiterspeicher

• ROM - Read Only Memory
• RAM - Random Access Memory
• DRAM - Dynamic RAM
• SDRAM - Synchronous DRAM
• Rambus-DRAM
• Flash-Speicher
• FRAM - Ferroelectric RAM
• MRAM - Magnetoresistive RAM
• OUM - Ovonic-Unified-Memory

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• PCxxxx-Spezifikation
• DIMM - Dual Inline Memory Module
• Halbleiterspeicher
• Arbeitsspeicher / Hauptspeicher
• Identifikation von Halbleiterbausteinen

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