LF 2: IT-Systeme: DDR | eick-at moodle

Problem: DRAM ist langsam

DRAM ist u.a. langsam, weil

lange Wortleitungen aufgeladen werden müssen,
ein auszulesender Kondensator seine Ladung nur langsam auf die Bitleitung ausgibt,
der ausgelesene Inhalt muss bewertet und zurück geschrieben werden,
während des Refresh kein Speicherzugriff erfolgen kann.

Zwar ließen sich durch komplexere Schaltungen die Zugriffszeiten verringern, womit aber auch die Packungsdichte sinken und der Preis steigen würde. Es wird daher auch versucht, die Anbindung an den Speicherbus (genauer: Punkt zu Punkt-Verbindung) zu verbessern, über den die Daten übertragen werden:

Speicheranbindung

SDRAM

SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) arbeitet synchron zur Speicherbus-Taktfrequenz, was das bis dahin übliche Handshake-Verfahren überflüssig macht und damit die Datentransferrate erhöht. Daten werden immer mit der steigenden Taktflanke des Datenbusses übertragen.


Chip	Modul	Speichertakt	I/O-Takt	Effektiver Takt	Übertragungsrate pro Modul
PC-66	PC-66	66 MHz	66 MHz	66 MHz	0,53 GB/s
PC-100	PC-100	100 MHz	100 MHz	100 MHz	0,8 GB/s
PC-133	PC-133	133 MHz	133 MHz	133 MHz	1,06 GB/s

SDRAM

SDRAM-Module gab es für 66, 100, 133 MHz Speichertakt und hießen PC-66, PC-100 und PC-133. Die Datenübertragungsrate eines PC-100 Moduls betrug

\( 100 \cdot {10}^6 \frac{1}{s} \cdot 8 Byte = 0,8 \frac{GByte}{s} \)

da die Datenbusbreite von 64 Bit die gleichzeitige Übertragung von 8 Byte pro Takt erlaubt.

DDR-SDRAM

DDR-SDRAM (Double Data Rate) überträgt die doppelte Datenmenge pro Bustakt, indem nun bei der fallenden und der steigenden Taktflanke Daten übertragen werden.


Chip	Modul	Speichertakt	I/O-Takt	Effektiver Takt	Übertragungsrate pro Modul
DDR-200	PC-1600	100 MHz	100 MHz	200 MHz	1,6 GB/s
DDR-266	PC-2100	133 MHz	133 MHz	266 MHz	2,1 GB/s
DDR-333	PC-2700	166 MHz	166 MHz	333 MHz	2,7 GB/s
DDR-400	PC-3200	200 MHz	200 MHz	400 MHz	3,2 GB/s

Die Modulbezeichnungen entsprechen der Übertragungsrate des Moduls.

DDR

Der I/O-Puffer kann die doppelte Datenrate deshalb bereitstellen, weil die Speicherzellen mit einem 2-bit-Prefetch angeschlossen sind. D.h. bei einem Zugriff werden aus dem Speicherfeld gleich zweimal so viele Daten geholt, als mit einem Mal nach außen gegeben werden können. Die eine Hälfte der Daten wird dann mit der steigenden Taktflanke ausgegeben, während die andere Hälfte zwischengespeichert und dann erst mit der fallenden Flanke ausgegeben wird (to fetch = abrufen => prefetch = vorweg abrufen).

Damit das zu einer Beschleunigung führt, muss die Anzahl zusammenhängend angeforderter Daten (='Burst-Length') immer gleich oder größer als die doppelte Busbreite sein. Da das nicht immer der Fall ist, oft kann zweite Hälfte der Daten nicht verwendet werden (z.B. Programmsprung). Daher ist DDR-SDRAM im Vergleich zu klassischem SDRAM bei gleichem Takt nicht exakt doppelt so schnell. Ein weiterer Grund ist, dass Adress- und Steuersignale im Gegensatz zu den Datensignalen nur mit einer Taktflanke gegeben werden.

DDR2-SDRAM


Chip	Modul	Speichertakt	I/O-Takt	Effektiver Takt	Übertragungsrate pro Modul
DDR2-400	PC2-3200	100 MHz	200 MHz	400 MHz	3,2 GB/s
DDR2-533	PC2-4200	133 MHz	266 MHz	533 MHz	4,2 GB/s
DDR2-667	PC2-5300	166 MHz	333 MHz	667 MHz	5,3 GB/s
DDR2-800	PC2-6400	200 MHz	400 MHz	800 MHz	6,4 GB/s
DDR2-1066	PC2-8500	266 MHz	533 MHz	1066 MHz	8,5 GB/s

Ein 4-bit-Prefetch ermöglicht das Verdoppeln des I/O-Taktes, was wiederum eine Verdoppelung der Übertragungsrate ermöglicht.

DDR2

DDR3-SDRAM


Chip	Modul	Speichertakt	I/O-Takt	Effektiver Takt	Übertragungsrate pro Modul
DDR3-800	PC3-6400	100 MHz	400 MHz	800 MHz	6,4 GB/s
DDR3-1066	PC3-8500	133 MHz	533 MHz	1066 MHz	8,5 GB/s
DDR3-1333	PC3-10600	166 MHz	667 MHz	1333 MHz	10,6 GB/s
DDR3-1600	PC3-12800	200 MHz	800 MHz	1600 MHz	12,8 GB/s

DDR3

Ein 8-bit-Prefetch verdoppelt nun ein weiteres Mal die Übertragungsrate des Moduls. Die jedoch nur dann voll zum Tragen kommt, wenn zusammenhängende Datenstücke übertragen bzw. genutzt werden können. Im schlimmsten Fall werden 7/8 der übertragenen Daten nicht benötigt und verworfen.

DDR4-SDRAM

DDR4 SDRAM wird genau wie DDR3-SDRAM mit 8-bit-Prefetch betrieben. Es findet also keine weitere Verdoppelung der Übertragungsrate mehr statt.


Chip	Modul	Speichertakt	I/O-Takt	Effektiver Takt	Übertragungsrate pro Modul
DDR4-1600	PC4-12800	200 MHz	800 MHz	1600 MHz	12,8 GB/s
DDR4-2133	PC4-17000	266 MHz	1066 MHz	2133 MHz	17,2 GB/s
DDR4-2666	PC4-21300	333 MHz	1333 MHz	2666 MHz	21,3 GB/s
DDR4-3200	PC4-25600	400 MHz	1600 MHz	3200 MHz	25,6 GB/s
DDR4-3600	PC4-28800	450 MHz	1800 MHz	3600 MHz	28,8 GB/s

Neben verbesserter Fehlererkennung und -korrektur wurden die Taktraten bei gleichzeitiger Absenkung der Spannung auf 1,2V weiter erhöht. Intern geschieht das, indem die Speicherbänke schmaler designt werden:

Die Länge der Wordlines wird bei DDR4 auf ein Viertel reduziert, ihre Anzahl aber nur verdoppelt. Eine Bank speichert also nur halb so viele Daten wie DDR3. Dafür hat ein DDR4-Chip doppelt so viele Bänke, die zudem in Gruppen zusammengefasst sind: Jede Bankgroup besteht aus vier Bänken. Die Organisation in Bankgroups erlaubt eine schnelle Weitergabe der Daten von einer Bank über den Zwischenspeicher (Prefetcher) zum Datenbus.

Vergleich einer DDR3- mit einer DDR4-Bank