DDR4 SDRAM

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 13:17, 10 декабря 2016.
DDR4 SDRAM
Two 8 GB DDR4-2133 ECC 1.2 V RDIMMs.jpg
Two 8 GiB DDR4-2133 ECC 1.2 V RDIMMs
Тип Synchronous dynamic random-access memory (SDRAM)
Дата выпуска September 2014[1]
Предшественник DDR3 SDRAM
Website www.jedec.org/standards-documents/results/jesd79-4%20ddr4


DDR4 SDRAM (англ. double-data-rate four synchronous dynamic random access memory) — новый тип оперативной памяти, являющийся эволюционным развитием предыдущих поколений DDR. Отличается повышенными частотными характеристиками и пониженным напряжением питания. Основное отличие DDR4 от предыдущего стандарта DDR3 заключается в удвоенном до 16 числе банков (в 2 группах банков, что позволило увеличить скорость передачи. Пропускная способность памяти DDR4 в перспективе может достигать 25,6 ГБ/c (в случае повышения максимальной эффективной частоты до 3200 МГц). Кроме того, повышена надёжность работы за счёт введения механизма контроля чётности на шинах адреса и команд. Изначально стандарт DDR4 определял частоты от 1600 до 2400 МГц с перспективой роста до 3200 МГц. В массовое производство вышла во 2 квартале 2014 года, сперва только ECC-память, а в следующем квартале начались продажи и не-ECC модулей DDR4, вместе с процессорами Intel Haswell-E/Haswell-EP, требующих DDR4.[2]

Разработка

Ранние работы по проектированию следующего за DDR3 стандарта начались в JEDEC около 2005 года, примерно за два года до запуска DDR3 в 2007. Основы архитектуры DDR4 планировалось согласовать в 2008 году. JEDEC представила информацию о DDR4 в 2010 году на конференции MemCon в Токио. Судя по слайдам «Time to rethink DDR4», новинка должна иметь и повышенную эффективную частоту (от 2 133 до 4 266 МГц), и пониженное напряжение (от 1,1 до 1,2 В) по сравнению с предыдущими стандартами, предполагаемый техпроцесс — 32 и 36 нм. Массовое производство намечалось на 2015 год, а первые образцы для создания контроллеров памяти и совместимых платформ — на 2011 год. В январе 2011 года компания Samsung представила модуль DDR4. Техпроцесс составил 30 нм, объём памяти 2 ГБ, а напряжение 1,2 В. Позднее Hynix представила свой первый модуль DDR4, который превзошёл модуль Samsung по частоте (2400 МГц вместо 2133). Hynix заявила о 80-процентном увеличении производительности памяти по сравнению с DDR3-1333. В сентябре 2012 года JEDEC опубликовала финальный вариант спецификации DDR4. Последняя ревизия стандарта DDR4 была принята в ноябре 2013 года, стандарт на LPDDR4 — в августе 2014 года. По оценке компании Intel от апреля 2013 года, уже в 2014 году DDR4 могла бы стать основным типом памяти DRAM, и в 2015 году практически полностью вытеснить используемую ранее DDR3. По данным Intel, DDR4 потребляет на 35 % меньше энергии, чем DDR3L, а по пропускной способности превосходит память предыдущего поколения на 50 %. Однако внедрение DDR4 началось позднее, и эта память займет большую часть рынка не ранее 2016 года.

Основные отличия DDR3 от DDR4

Внешне, DDR4 такой же ширины, как и DDR3, но немного выше примерно на 9 мм. Разница между DDR3 и DDR4 в том, что DDR4 использует 288 контактов по сравнению с 240 на DDR3 и ключ находится в другом месте. Множество косметических изменений. Вот четыре основных улучшения DDR4 SDRAM:

  • Более низкое рабочее напряжение
  • Увеличение энергосбережения
  • Увеличение частоты
  • Уплотнение микросхем.[3]

Увеличение объема и производительности

Одно тонкое, но в то же время важное отличие, заключается в том, как организованы чипы памяти. 8Gb x4 DDR4 чип обычно состоит из 4 групп банков, по 4 банка в каждой группе. Каждый банк такого чипа содержит 131.072 (217) строк (rows), по 512 байтов каждая. Для сравнения 8Gb x4 DDR3 чип содержит 8 независимых банков, 65.536 (216) строк на банк, по 2048 байтов в каждой строке. При равном объеме, у DDR4 чипа в два раза больше банков и гораздо короче строки памяти. Это означает, что новая память может переключаться между банками памяти гораздо быстрее, чем это делала DDR3. В частности, для 8Gb x4 DDR4 чипов, заявленных как 1600 MT/s compatible, показатель tFAW(Four-bank Activation Window) равен 20ns, что вдвое меньше, чем у DDR3 (40ns). Это означает, что DDR4 чипы памяти могут открывать произвольные строки в разных банках в два раза быстрее, чем DDR3.[4]

Сравнение DDR3 и DDR4 показывает, что наибольший модуль DDR3, который теоретически может быть сконструирован, будет иметь размер 128GB (используя QDP (quad die package – упаковка четырех чипов в один корпус) и 8Gb кристаллы). Для DDR4, используя 16Gb кристаллы, и восьмислойную упаковку кристаллов в чип, теоретически можно создать модуль памяти объемом до 512GB. Количество контактов на модулях DDR4 увеличилось до 284, чтобы адресовать такой объем памяти. Каждый чип DDR4 памяти может представлять собой стек из 2, 4 или 8 кристаллов DRAM. Стек из 8 слоёв описан в дополнениях к спецификации и скорее всего потребует использования TSV (through silicon via) для своей практической реализации. В целом все эти изменения направлены на создание модулей памяти большей ёмкости и увеличение производительности.

Важным изменением в стандарте DDR4 стало использование интерфейса с топологией «точка-точка» вместо шины Multi-Drop, применяемой в DDR3. Зачем это нужно? Конструкция шины Multi-Drop предусматривает использование всего лишь двух каналов для связи модулей с контроллером памяти. При использовании сразу четырех портов DIMM каждые два модуля соединяются с контроллером посредством лишь одного канала, что само собой негативно сказывается на производительности подсистемы памяти.

В дизайне шины с топологией «точка-точка» для каждого DIMM-разъема предусмотрен отдельный канал, то есть каждый модуль памяти будет напрямую связываться с контроллером и не делить ни с кем этот самый канал. Конечно, у такого подхода есть и свои недостатки. Например, двухканальные системы будут ограничены двумя разъемами DIMM, четырехканальные — четырьмя. Однако, учитывая большие объемы модулей DDR4, это не должно никак ограничивать пользователей.

Модуль памяти DDR4 в форм-факторе DIMM имеет 288 контактов. Количество пинов было увеличено для возможности адресации как можно большего объема памяти. Максимальная емкость модуля памяти составляет 128 Гбайт — и это при использовании кристаллов объемом 8 Гбайт и технологии QPD (Quad Die Package — упаковка четырех чипов в один корпус). Вполне возможно и применение более емких 16-гигабайтных кристаллов и более плотной упаковки (до 8 кристаллов в один корпус). В таком случае емкость модуля памяти может составить до 512 Гбайт.

Кстати, увеличится не только объем модулей памяти, но и частота чипов. В рамках стандарта DDR4 реальная частота достигнет отметки 2133 МГц. [5]

Улучшенная энергоэффективность

Другая важная часть спецификации DDR4 – повышение энергоэффективности по сравнению с DDR3. Кроме снижения напряжения на I/O с 1.35V до 1.2V, новый стандарт также специфицирует использование более высокого уровня напряжения внутри чипов (DRAM word line 2.5V), что обеспечивает быстрый доступ в активном режиме и малый ток утечки в пассивном. [6]

Изменилась и электрическая реализация интерфейса ввода-вывода данных. Новый интерфейс носит название pseudo-open drain (POD, «псевдо-открытый сток») и его основное отличие в том, что в схеме не протекает ток, когда на линии установлен высокий уровень напряжения.

Уменьшение напряжение на I/O, изменения электрического интерфейса и уменьшение длины строк в банках памяти приводят к существенному сокращению энергопотребления по сравнению с DDR3. Предварительные оценки говорят о 30% выигрыше. Хотя, разумеется, это зависит от характера обращений к памяти, техпроцесса и многих других факторов. Такой выигрыш может использоваться для того, чтобы увеличить тактовую частоту и, соответственно, скорость работы, или для того, чтобы сэкономить немного энергии при той же производительности.[4]

Надежность

Также, много немаловажных изменений относятся к надежности (RAS) DDR4. Например, спецификация говорит об обнаружении и коррекции чипами памяти ошибок, связанных с контролем четности команд и адресов.

Другой пример – то, что чипы DDR4 имеют режим тестирования соединений. Этот режим позволяет контроллеру памяти проверять электрические связи (и находить «обрыв» линий), гораздо быстрее, чем раньше, и без использования инициализирующих последовательностей. Также модуль DDR4 может быть сконфигурирован так, чтобы отбрасывать команды, содержащие ошибки контроля четности. В DDR3 такие команды пропускались и доходили до чипов памяти, многократно усложняя восстановление после сбоев. А как пример одной из необязательных «фич», которые содержит спецификация можно привести проверку контрольных сумм для записываемых в память данных.

Все эти и другие возможности направлены на то, чтобы обеспечить рост рабочих частот и объемов памяти (связанные с ростом количества ошибок в работе), при этом гарантируя стабильную работу.

С более высокой производительностью и энергоэффективностью, DDR4 память уже в 2014 году должна без труда занять своё место в многоядерных серверных и настольных системах. А затем, за счет меньшей цены за единицу объема в дополнение к другим преимуществам, DDR4 должна добраться и в другие устройства.[4]

Модули

Название Частота
работы памяти(МГц)
Частота
I/O шины(МГц)
Скорость
передачи данных(МТ/с)
Имя
модуля
Максимальная скорость
передачи(Мб/с)
Задержки,
CL-tRCD-tRP
CAS задержка
(ns)
DDR4-1600J*

DDR4-1600K

DDR4-1600L
200 800 1600 PC4-1600 12800 10-10-10

11-11-11

12-12-12
12.5

13.75

15
DDR4-1866L*

DDR4-1866M

DDR4-1866N
233.33 933.33 1866.67 PC4-1866 14933.33 12-12-12

13-13-13

14-14-14
12.857

13.929

15
DDR4-2133N*

DDR4-2133P

DDR4-2133R
266.67 1066.67 2133.33 PC4-2133 17066.67 14-14-14

15-15-15

16-16-16
13.125

14.063

15
DDR4-2400P*

DDR4-2400R

DDR4-2400U
300 1200 2400 PC4-2400 19200 15-15-15

16-16-16

18-18-18
12.5

13.33

15

DDR4-хххх и PC4-хххх обозначают скорость передачи данных на бит для DDR чипов и для модулей DIMM соответственно. Можно заметить, что имена модулей DDR4 сформированы по-другому, нежели у предыдущих поколений (например, DDR3), используя скорость передачи данных на бит, а не скорость передачи данных в целом на байт (например, PC4-1866 и PC3-14900, представляют одну и ту же пиковую скорость передачи). Модульная пиковая скорость передачи данных рассчитывается путем умножения скорости передачи в секунду на восемь. Все потому, что передача данных в модулях DDR4 производится по 64-битной шине, а поскольку байт содержит 8 бит, это соответствует 8 байт данных за один перевод.

Преемник

В 2016 году на форуме Intel для разработчиков велось обсуждение будущего DDR5 SDRAM. Спецификации должны быть готовы к концу 2016 года - однако модули будут доступны только в 2020 году. Также были предложены другие технологии хранения памяти, направленные на смену DDR4.

В 2011 году JEDEC опубликовала стандарт Wide I/O 2; в нем предлагается компоновка матриц памяти непосредственно на верхней части процессора и в том же пакете. Такая компоновка памяти обеспечивает высокую пропускную способность и более высокую производительность, чем мощность DDR4 SDRAM, а также позволяет использовать широкий интерфейс с короткими длинами сигналов. В первую очередь она направлена ​​на замену различных мобильных стандартов SDRAM DDRx, используемых в высокопроизводительных встраиваемых и мобильных устройств, таких как смартфоны. Hynix предложил аналогичный стандарт High Bandwitch Memory (HBM), который был опубликован в качестве JEDEC JESD235. Оба Wide I/O 2 и НВМ используют очень широкий параллельный интерфейс памяти, до 512 бит для Wide I/O 2 (по сравнению с 64 битами для DDR4), работающий на более низкой частоте, чем DDR4. Wide I/O 2 ориентирован на высокопроизводительных компактных устройств, таких как смартфоны, где она будет интегрирована в процессор или на SoC модулях. НВМ ориентирован на графической памяти и общих вычислениях, в то время как HMC предназначается для высокопроизводительных серверов и корпоративных приложений.

Hybrid Memory Cube (HMC) производства Micron Technology использует последовательный интерфейс. Многие другие компьютерные шины мигрировали в направлении замены параллельных шин последовательными шинами, например, замена Parallel ATA на Serial ATA, или PCI Express, заменяющий PCI. В общем, последовательные шины легче масштабировать и используют меньше проводов, что делает проектирование печатных плат легче.

В долгосрочной перспективе, эксперты полагают, что энергонезависимые типы RAM, такие как PCM , RRAM (резистивная память с произвольным доступом), или MRAM (магниторезистивная память с произвольным доступом) может заменить DDR4 SDRAM и его наследников.

GDDR5 SGRAM является графическим типом DDR3, которая была введена ранее DDR4, и не является преемником DDR4.

Источники

  1. JEDEC [Электронный ресурс]: JEDEC Announces Publication of DDR4 Standard / Дата обращения: 20.06.2016 - режим доступа:http://www.jedec.org/news/pressreleases/jedec-announces-publication-ddr4-standard
  2. Википедия [Электронный ресурс]:DDR4 SDRAM / Дата обращения: 20.06.2016 - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/DDR4_SDRAM
  3. Geektimes [Электронный ресурс]: Что нужно знать о DDR4 ОЗУ? / Дата обращения: 20.06.2016 - Режим доступа: https://geektimes.ru/post/241660
  4. 4,0 4,1 4,2 Habrahabr [Электронный ресурс]: Зачем переходить на DDR4? / Дата обращения 20.06.2016 - Режим доступа: https://habrahabr.ru/company/intel/blog/205608
  5. Ferra [Электронный ресурс]: - Начало новой эпохи. Как работает оперативная память стандарта DDR4 / Дата обращения 20.06.2016 - Режим доступа: http://www.ferra.ru/ru/system/review/ddr4-new-age-how-it-works
  6. 3Dnews [Электронный ресурс]: DDR4 SDRAM будет внедряться медленно, но придёт надолго / Дата обращения 20.06.2016 - Режим доступа: http://www.3dnews.ru/764394