DDR-SDRAM

Zwei DDR-SDRAM-Module: oben 512 MiB beidseitig bestückt mit Heatspreader, unten 256 MiB einseitig bestückt

Verschiedene Desktop-DDR-Module: DDR1 hat gegenüber seinen Nachfolgern weniger und größere Kontakte: 1,27 mm/Pin. DDR2+DDR3: 1,00 mm/Pin. DDR4+DDR5: 0,85 mm/Pin. Ab DDR3 sind die vier seitlichen Aussparungen eckig. SDRAM (nicht im Bild) hat zwei Kerben in der Kontaktleiste.

DDR-SDRAM (englisch Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory; oft auch nur: DDR-RAM) ist ein halbleiterbasierter RAM-Typ, der durch Weiterentwicklung von SDRAM entstand. Aktuell (2021) gibt es ihn in fünf Generationen, die 5. Generation (DDR5) wurde 2019 spezifiziert und erschien 2021 auf dem Markt. Verwendet werden diese hauptsächlich für Speichermodule des DIMM- und SO-DIMM-Standards und als Arbeitsspeicher in PCs und Laptops. Für mobile Geräte gibt es eine eigene Spezifikation (Low Power SDRAM), ebenso für Graphikspeicher (siehe GDDR).

Geschichte

Mitte 1999 setzte die Computerindustrie auf die Weiterentwicklung von SDRAM in Form der DDR-Speichertechnik, weil die von Intel unterstützte Direct-Rambus-DRAM-Technik (RDRAM) durch einen Fehler im i820-Chipsatz Probleme bekam und durch den Pentium-III-FSB ihre Leistungsfähigkeit trotz hoher Preise nicht ausspielen konnte.

Erste Speicherchips sowie Mainboards mit Unterstützung für DDR-SDRAM kamen Ende 1999 auf den Markt. Erst Anfang 2002 konnten sie sich jedoch auf dem europäischen Endverbrauchermarkt durchsetzen.

Übersicht

DDR- SDRAM- Standard	Takt (MHz)		Pre- fetch	Transfer-Rate	Spannung	Pins			Bemerkungen
	Speicher	I/O		(MT/s)	(V)	DIMM	SO-	Micro-
SDR	066 – 133	0066 – 133	1n	0066 – 133	3,3	168	144		bis 183 MT/s auf Grafikkarten
DDR	100 – 200	0100 – 200	2n	0200 – 400	2,5/2,6	184	200	172	bis 400 MT/s, CL 2-2-2-5
DDR2	100 – 266	0200 – 533	4n	400 – 1066	1,8/2,0	240	200	214	bis 1066 MT/s, CL-6-7-7-20
DDR3	100 – 333	0400 – 1333	8n	800 – 2666	1,5/1,65/L=1,35	240	204	214	bis 2666 MT/s, CL-11-14-15
DDR4	200 – 667	0800 – 2666	8n	1600 – 5333	1,2/1,6	288	260	–	bis 5333 MT/s, CL-22-32-32-52
DDR5	200 – 413	1600 – 3300	16n	3200 – 6600	1,1/1,4	288	262	–	bis 6600 MT/s, CL34-40-40-105 2 Kanäle à 32 bit statt 1 Kanal mit 64 bit, On-Die-ECC, Dual-Parity statt Single-Parity (unabhängig von On-Die-ECC)

Arbeitsweise

PC-3200-Modul mit DDR-400-Chips

… und die Rückseite

DDR-SDRAM ermöglicht keine höheren Datenraten per se, da die eigentliche Datenübertragung bei SDR und DDR mit der gleichen Zeitabfolge und den gleichen Problemstellungen erfolgt. Das DDR-Verfahren löst im Vergleich zu SDR (und als einzig wesentlichen Unterschied), das Problem der Taktübertragung: Bei SDR hat das Taktsignal eine doppelt so hohe Frequenz wie im schlechtesten Fall das Datensignal. Das Taktsignal hat zwei Pegelwechsel pro Takt, das Datensignal maximal einen Pegelwechsel. Das ist bei DDR-Übertragungen nicht mehr der Fall. Dafür muss der Takt im DDR-RAM-Modul mittels einer lokalen Phasenregelschleife (PLL) schaltungstechnisch wieder verdoppelt werden.

Teilweise ist auch eine weitere Teilung des Taktes üblich. Teilweise sind auch unterschiedliche Takte für die Kommandierung und die Datenübertragung üblich. Dies ist z. B. bei GDDR-6-RAM der Fall. Ein "18 GHz" GDDR-6-RAM verwendet ein 4,5 GHz Taktsignal und überträgt mit 18 GHz je 1 Bit pro Datenleitung.

DDR-SDRAM

Während „normale“ SDRAM-Module bei einem Takt von 133 MHz eine Datenübertragungsrate von 1,06 GB/s bieten, arbeiten Module mit DDR-SDRAM (133 MHz) nahezu mit der doppelten Datenrate. Möglich wird das durch einen relativ simplen Trick: Sowohl bei der auf- als auch bei der absteigenden Flanke des Taktsignals wird ein Datenbit übertragen, anstatt wie bisher nur bei der aufsteigenden.

Damit das Double-Data-Rate-Verfahren 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 sein kann, ist DDR-SDRAM im Vergleich zu einfachem 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.

DDR-SDRAM-Speichermodule (DIMM) besitzen 184 Kontakte/Pins (DDR2-SDRAM DIMM/DDR3-SDRAM DIMM: 240, SDRAM DIMM: 168 Kontakte). Die Betriebsspannung beträgt normalerweise 2,5 V, für DDR-400 2,6 V.

Spezifikationen

Chip	Modul	Speicher- takt	I/O- Takt²	Effektiver Takt³	Datenrate (64 bit Bus)
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

²: Geschwindigkeit der Anbindung an den Speichercontroller von CPU oder Mainboard

³: Effektiver Takt im Vergleich zu SDR-SDRAM (theoretisch)

PC-XXXX: Das XXXX berechnet sich durch (2 × Speichertakt × Busbreite)/8 (Busbreite = 64 bit) und entspricht der Datenrate in MB/s.

DDR-200 bis DDR-400 sowie die damit aufgebauten PC-1600- bis PC-3200-Speichermodule sind von der JEDEC als JESD79 standardisiert. Alle davon abweichenden Module orientieren sich zwar von den Bezeichnungen her an den Standards, aber jeder Hersteller setzt bei den elektrischen Eigenschaften – dieser oft als „Übertakter-Speicher“ angebotenen Module – seine eigenen Spezifikationen ein und arbeitet oft mit exzessiver Überspannung.

Einen Sicherheitsgewinn bringen die oft in Servern eingesetzten Speichermodule mit ECC (Error Checking and Correction) oder auch Registered-Module mit Signalpuffer. Das gilt aber nur, wenn diese Speichermodule explizit unterstützt werden, oft funktionieren ECC-Module in normalen Desktop-Hauptplatinen überhaupt nicht. Solche Speichermodule sind in allen standardisierten Taktfrequenzen erhältlich und an der zusätzlichen Bezeichnung R, ECC oder R ECC erkennbar, beispielsweise PC-1600R, PC-2100 ECC oder PC-2700R ECC.

DDR2-SDRAM

512-MiB-PC2-4200-Speichermodul: Die Chips sind hier in einem BGA-Gehäuse unter­gebracht. Die Bezeichnung 32M8CEC bedeutet 32 Mibit × 8 = 256 Mibit oder 32 MiB Speicherkapazität pro Chip.

DDR2-SDRAM ist eine Weiterentwicklung des Konzeptes von DDR-SDRAM, bei dem statt mit einem Zweifach- mit einem Vierfach-Prefetch gearbeitet wird.

Die Module für Desktop-Computer besitzen 240 statt 184 Kontakte/Pins und sind mechanisch und elektrisch nicht kompatibel mit DDR-Modulen der ersten Generation. Durch eine anders angeordnete Kerbe wird eine Verwechslung verhindert.

Die Gehäuse der Speicherchips sind in FBGA (Fine Ball Grid Array)-Technik ausgeführt und kleiner (126 mm² statt bisher 261 mm²) als Standard-DDR-RAM im TSOP (Thin Small Outline Package)-Gehäuse.

Bei DDR2-SDRAM ist der I/O-Puffer mit der doppelten Frequenz der Speicherchips getaktet. Man erhält – wie bei dem älteren DDR-Standard – jeweils bei steigender als auch bei fallender Flanke des Taktsignals gültige Daten. Beim DDR-SDRAM werden mit einem Read-Kommando (mindestens) zwei aufeinanderfolgende Adressen gelesen, bei DDR2-SDRAM vier, bedingt durch die Prefetch-Methode des jeweiligen Standards. Aus einem 128 Bit breiten DDR-Modul werden also pro Lesezugriff 256 Bit gelesen, aus einem vergleichbaren DDR2-Modul 512. Die absolute Datenmenge bleibt bei gleichem I/O-Takt von zum Beispiel 200 MHz aber identisch, da das DDR2-Modul zwei Takte anstatt einen benötigt, um die Daten zu übertragen. DDR2 unterstützt nur zwei mögliche Burst-Längen (Anzahl an Datenwörtern, die mit einem einzelnen Kommando gelesen oder geschrieben werden können), nämlich vier (bedingt durch Vierfach-Prefetch) oder acht, DDR hingegen unterstützt zwei, vier oder acht.

Zur Senkung der elektrischen Leistungsaufnahme wurde die Signal- und Versorgungsspannung von DDR2-SDRAM auf 1,8 V verringert (bei DDR-SDRAM sind es 2,5 V). Außerdem bedingt die verringerte Spannung eine geringere Wärmeentwicklung, was wiederum dazu führen kann, dass höhere Taktraten erzielt werden.

DDR2-SDRAM Chips arbeiten mit „On-Die Termination“ (ODT). Der Speicherbus muss also nicht mehr auf der Modulplatine (oder dem Board) terminiert werden. Die Terminierungsfunktion wurde direkt in die Chips integriert, was Platz und Kosten spart. Bei ODT sendet der Speicher-Controller ein Signal auf den Bus aus, das alle inaktiven Speicherchips dazu veranlasst, auf Terminierung umzuschalten. Somit befindet sich nur das aktive Signal auf der Datenleitung, Interferenzen sind so gut wie ausgeschlossen.

Kompatibilität

DDR2-Module können ohne Rücksicht auf ihre jeweilige Geschwindigkeitsangabe prinzipiell in jede Hauptplatine mit DDR2-Steckplätzen eingesetzt werden. Der Speichercontroller sorgt dafür, dass Speichermodule, die langsamer sind als die Hauptplatine, höchstens mit der Taktrate betrieben werden, für die sie ausgelegt sind.

Auch DDR2-Module mit unterschiedlichen Taktraten können beliebig kombiniert werden. Meist arbeitet dann jedoch der gesamte Speicher nur mit der Geschwindigkeit des langsamsten Moduls.

Da die JEDEC-Spezifikationen jedoch ungenau sind, kann es zu Kompatibilitätsproblemen zwischen bestimmten Mainboards und bestimmten Speichermodulen kommen. Oft können diese Probleme durch ein BIOS-Update gelöst werden. Nur bei einem Speicher, der auf der sogenannten QVL (Qualified Vendor List) des Mainboards steht, kann davon ausgegangen werden, dass er in diesem Mainboard auf jeden Fall funktioniert.

Spezifikationen

Chip	Modul	Speicher- takt	I/O- Takt²	Effektiver Takt³	Datenrate (64 bit Bus)
DDR2-4000	PC2-3200	100 MHz	200 MHz	400 MHz	3,2 GB/s
DDR2-5330	PC2-4200	133 MHz	266 MHz	533 MHz	4,2 GB/s
DDR2-6670	PC2-5300	166 MHz	333 MHz	667 MHz	5,3 GB/s
DDR2-8000	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

²: Geschwindigkeit der Anbindung an den Speichercontroller von CPU oder Mainboard

³: Effektiver Takt im Vergleich zu SDR-SDRAM (theoretisch)

PC2-XY00: Das XY00 berechnet sich durch (4 × Speichertakt [in MHz] × Busbreite [in Bit])/8 (Busbreite = 64 bit) und entspricht der Datenrate in MB/s.

DDR2-400 bis DDR2-1066 sowie die damit aufgebauten PC2-3200- bis PC2-8500-Speichermodule sind von der JEDEC standardisiert. Alle davon abweichenden Module orientieren sich zwar von den Bezeichnungen her an den Standards, aber jeder Hersteller setzt bei den elektrischen Eigenschaften – der oft als „Übertakter-Speicher“ angebotenen Module – seine eigenen Spezifikationen und arbeitet oft mit exzessiver Überspannung. Wie bei DDR-SDRAM gibt es auch bei DDR2-SDRAM neben den Unregistered-Modulen (oft als PC2-XY00U bezeichnet) auch Registered-Module (PC2-XY00R) und ECC-Module (PC2-XY00E) wie auch FBDIMM-Module (PC2-XY00F).

DDR3-SDRAM

DDR3-Modul: Die Kerbe liegt gegen­über DDR2-Modulen deutlich näher am Rand.

DDR3-Module in Low-Voltage-Ausführung

PC3-10600 DDR3-SO-DIMM (204 Pins)

DDR3-SDRAM ist eine Weiterentwicklung des Konzeptes von DDR2-SDRAM, bei dem statt mit einem Vierfach- mit einem Achtfach-Prefetch gearbeitet wird.

Die Chips mit einer Kapazität von mindestens 512 Mebibit verarbeiten Daten mit 8500 Megabyte pro Sekunde und sind damit deutlich schneller als DDR-400- oder auch DDR2-800-SDRAM. Allerdings ist die CAS-Latenz höher. DDR3-SDRAM wird mit 1,5 V statt 1,8 V betrieben und ist damit gerade für den mobilen Einsatz besser geeignet, bei dem es auf lange Akkulaufzeiten ankommt. Low-Voltage-Ausführungen (DDR3L) können auf geeigneten Hauptplatinen mit 1,35 V betrieben werden. Ultra-Low-Voltage-Ausführungen (DDR3U) sind für den Betrieb mit 1,25 V vorgesehen.

DDR3-SDRAM-Speichermodule (DIMM) besitzen 240 Kontakte/Pins. Trotz gleicher Pinzahl sind sie nicht zu DDR2-SDRAM kompatibel und besitzen unterschiedliche Einkerbungen. SODIMM-Module für Notebooks haben 204 Kontakte gegenüber 200 Kontakten als DDR2-Variante und als DDR1-Variante.

Im Bereich des Grafikspeichers wird schon seit längerem GDDR3-Speicher eingesetzt. Dieser basiert aber auf DDR2-Speicherchips, lediglich die Spannung wurde anfangs abgesenkt (Spannung VDD = 1,5 V statt 2,5 V; VDDQ = 1,5 V statt 1,8 V). Die Bezeichnung GDDR3 besitzt keine offiziellen Spezifikationen, sondern wurde aus Marketing-Gründen gewählt (um sich von dem weniger erfolgreichen GDDR2 abzugrenzen). GDDR4 und GDDR5 basieren auf DDR3-Technologien, sind aber teils erheblich modifiziert für den Einsatz als Grafikspeicher.

Spezifikationen

Chip	Modul	Speicher- takt	I/O- Takt²	Effektiver Takt³	Datenrate (64 bit Bus)
DDR3-8000	PC3-64000	100 MHz	400 MHz	800 MHz	6,4 GB/s
DDR3-1066	PC3-85000	133 MHz	533 MHz	1066 MHz	8,5 GB/s
DDR3-1333	PC3-10600	166 MHz	666 MHz	1333 MHz	10,6 GB/s
DDR3-1600	PC3-12800	200 MHz	800 MHz	1600 MHz	12,8 GB/s
DDR3-1866	PC3-14900	233 MHz	933 MHz	1866 MHz	14,9 GB/s
DDR3-2133	PC3-17000	266 MHz	1066 MHz	2133 MHz	17,0 GB/s

²: Geschwindigkeit der Anbindung an den Speichercontroller von CPU oder Mainboard

³: Effektiver Takt im Vergleich zu SDR-SDRAM (theoretisch)

PC3-XXXX: Das XXXX berechnet sich durch (8 × Speichertakt [in MHz] × Busbreite eines Moduls)/8 und entspricht der Datenrate in MB/s. Die Datenbusbreite eines Modules ist immer 64 Bit (= 8 Byte). Zudem können 8 × 4 GB pro Modul adressiert werden (Adressbus benötigt nur 32 Bit).

Die Spezifikationen von DDR3-800 bis DDR3-2133 sowie die damit aufgebauten PC3-6400- bis PC3-17000-Speichermodule sind von der Standardisierungsorganisation JEDEC beschrieben. Alle davon abweichenden Module orientieren sich zwar von den Bezeichnungen her an den Standards, aber jeder Hersteller setzt bei den elektrischen Eigenschaften – der oft als „Übertakter-Speicher“ angebotenen Module – seine eigenen Spezifikationen und arbeitet oft mit exzessiver Überspannung. Wie bei DDR1-SDRAM, gibt es auch bei DDR3-SDRAM ECC- und Registered-Module, diese sind allerdings gegenwärtig (Mai 2011) nur bis einschließlich PC3-12800 standardisiert. Analog zu früheren Standards werden diese mit der Zusatzkennung R, ECC oder R ECC versehen. Eine Kennung PC3L- bezeichnet Low-Voltage-Speichermodule, PC3U- steht für Ultra-Low-Voltage-Speichermodule. Analog bestehen die Bezeichnungen DDR3L und DDR3U für entsprechende Speicherchips. Dabei ist nur eine eingeschränkte Kompatibilität untereinander gegeben: PC3L-Module laufen meistens problemlos in Mainboards mit höherer Spannung, andersherum nicht oder der Betrieb ist instabil.

DDR4-SDRAM

DDR4-Speicherriegel

DDR4-2666 4x8 GB mit Kühlkörper

Ein DDR4-SDRAM besitzt 288 Kontakte, das Notebook-Pendant SO-DIMM 260 Kontakte. Wie bei DDR3-SDRAM auch, wird der Speicher mit 8-fach-Prefetch betrieben. Es findet also keine Verdoppelung statt, wie es bei den vorherigen DDR-SDRAM-Generationen der Fall war. Stattdessen können die Module mit höheren Taktraten betrieben werden. Die neuen Speichermodule sollen im 30-Nanometer-Verfahren hergestellt werden.

Im Mai 2012 lieferte Micron erste Testexemplare von DDR4-SDRAMs aus und ab Mitte 2014 waren sie im Markt eingeführt. Ursprünglich sollte er schon bis 2015 mindestens 50 Prozent Marktanteil erreichen; spätere Schätzungen gingen davon aus, dass dieses Ziel frühestens 2016 erreicht werden kann. Der Durchbruch gelingt nach aktuellen (04/2017) Hochrechnungen im Jahr 2017. Damit wurde der 2007 eingeführte DDR3-Standard erst nach etwa zehn Jahren mehrheitlich abgelöst.

Spezifikationen

Chip	Modul	Speicher- takt	I/O- Takt²	Effektiver Takt³	Datenrate (64 bit Bus)
DDR4-1600	PC4-12800	200 MHz	800 MHz	1600 MHz	12,8 GB/s
DDR4-1866	PC4-14900	233 MHz	933 MHz	1866 MHz	14,9 GB/s
DDR4-2133	PC4-17000	266 MHz	1066 MHz	2133 MHz	17,0 GB/s
DDR4-2400	PC4-19200	300 MHz	1200 MHz	2400 MHz	19,2 GB/s
DDR4-2666	PC4-21300	333 MHz	1333 MHz	2666 MHz	21,3 GB/s
DDR4-2933	PC4-23466	366 MHz	1466 MHz	2933 MHz	23,5 GB/s
DDR4-3200	PC4-25600	400 MHz	1600 MHz	3200 MHz	25,6 GB/s

Vorteile von DDR4-RAM

Im Vergleich zum Vorgänger wird das RAM nochmals höher getaktet, dadurch können höhere Transferraten erreicht werden. Gleichzeitig wird die Spannung auf 1,2 V gesenkt. Dank Chip-Stacking-Technologie können bis zu acht Speicherschichten übereinander geschichtet werden. Das erhöht nicht nur die maximale Speicherkapazität, sondern auch die Signalqualität der einzelnen Module. Weiterhin verfügt DDR4 über eine verbesserte Fehlererkennung und Fehlerkorrektur.

DDR5-SDRAM

DDR5-SDRAM

DDR5 sollte 2020 auf den Markt kommen, es gab bereits 2018 erste Muster. Im Juli 2020 wurde die Spezifikation offiziell veröffentlicht (kostenpflichtiger Download). Bei der Markteinführung von Intels Alder Lake Core i9-12900K Ende 2021 war DDR5-SDRAM noch Mangelware.

Spezifikationen

Chip	Modul	Speicher- takt	I/O- Takt²	Effektiver Takt³	Datenrate (2×32 bit Bus)
DDR5-3200	PC5-25600	200 MHz	01600 MHz	3200 MHz	2× 12,8 GB/s
DDR5-3600	PC5-28800	225 MHz	01800 MHz	3600 MHz	2× 14,4 GB/s
DDR5-4000	PC5-32000	250 MHz	2000 MHz	4000 MHz	2× 16,0 GB/s
・・・
DDR5-8000	PC5-64000	500 MHz	4000 MHz	8000 MHz	2× 32,0 GB/s
DDR5-8400	PC5-67200	525 MHz	4200 MHz	8400 MHz	2× 33,6 GB/s

Es gibt wichtige Verbesserungen zwischen DDR4- und DDR5-RAM:

• 16-fach- und optional 32-fach-Prefetch, Aufteilung des Interfaces in zwei Kanäle (wie bei DDR4-LPDIMM und GDDR-6-RAM)
• umfangreiche Kalibrierungsmöglichkeiten aller Signalleitungen
• DFE (Decision Feedback Equalization), womit sich stark verzerrte Signale wiederherstellen lassen
• On-Die-ECC, jeder RAM hat im Inneren 6,25 % zusätzliche RAM-Zellen, um Fehler auch bei Nicht-ECC-RAM zu erkennen und zu korrigieren. Dieser Test kann periodisch und unabhängig von der CPU ausgeführt werden.
• Kombinationen von DRAM-, Flash- und anderen persistenten Speichern (NVDIMM-N/F/P)

„Post-DDR5“-SDRAM

Die Entwicklung befand sich zu Jahresbeginn 2019 noch ganz am Anfang. Es wurde eine längere Entwicklungszeit von 5 bis 6 Jahren mit der Möglichkeit neuer Konzepte angestrebt. Neben Beibehaltung der Grundprinzipien der Architektur von aktuellem DDR-RAM steht eine Annäherung von RAM-Schnittstelle und PCI-Express-Schnittstelle zur Diskussion. Letzteres würde in die Richtung gehen, dass sämtliche Kommunikation einer CPU über PCI-Express geht (Peripherie, Massenspeicher, CPU-zu-CPU-Kommunikation, flüchtiger Speicher). Weitere diskutierte Richtungen sind Integration des Arbeitsspeichers ähnlich HBM in den CPUs sowie ein Verschmelzen von flüchtigen und persistentem Speichern (wie bei DDR5 NVDIMM-P).

(DDR6-SDRAM)

Wann DDR6?

Samsung arbeitet gemeinsam mit anderen JEDEC-Mitgliedern aus Kreisen der DRAM- und SoC-Hersteller an der Fertigstellung des DDR6-Standards, die nach derzeitiger Planung im Jahr 2024 erwartet wird.

Standard	Maximale Datenrate
	JEDEC-Module	Overclocking-Module
DDR4	bis 3.200 MT/s	bis 5.600 MT/s
DDR5	bis 6.400 MT/s	bis 8.400 MT/s
DDR6	bis 12.800 MT/s	bis 17.000 MT/s
kursiv = noch inoffiziell

Wie schnell ist DDR6?

Mit DDR6 geht die Verdoppelung weiter und für DDR6 sind entsprechend bis zu 12.800 MT/s geplant, bei DDR6+ sollen es 17.000 MT/s sein.

Für DDR6 wird die Anzahl der Sub-Kanäle von zwei auf vier erweitert. Dies ist wie bei DDR5 die wichtigste Maßnahme um die Latenzen zu verringern und den Durchsatz zu erhöhen. Auch die Anzahl der Banks wird von 32 auf 64 verdoppelt. 12.800 MT/s sind für DDR6 bereits geplant.20.11.2021

Berechnung Speichertransferrate

Um den theoretisch maximal möglichen Speicherdurchsatz pro Channel bzw. bei DDR4 pro Modul zu berechnen, wird folgende Formel verwendet:

Speichertransferrate(in MByte/s)  =  Takt der internen Logik(in MHz)  ×  Prefetching-Faktor  ×  Busbreite(in Byte)

Rechnungen für reale Beispiele

RAM-Typ	Form	Rechnung	Übertragungsrate	Spannung	Bemerkungen
FPM-RAM	SIMM	066 MHz ×  ¼ × 4 Byte	00,067 GByte/s bei 7-3-3-3-Burst		Vorgänger des asynchronen EDO-RAMs
EDO-RAM		066 MHz ×  ⅓ × 4 Byte	00,089 GByte/s bei 6-2-2-2-Burst		Vorgänger des synchronen SDR-RAMs
SDR-66	DIMM	066 MHz × 01 × 8 Byte	00,533 GByte/s	2.5V	erster synchroner dRAM, Übertragung auf nur einer Flanke
DDR-400		200 MHz × 02 × 8 Byte	03,2 GByte/s	2.5V
DDR2-5330		133 MHz × 04 × 8 Byte	04,2 GByte/s	ab 1.8V
DDR2-800		200 MHz × 04 × 8 Byte	06,4 GByte/s
DDR2-1066		266 MHz × 04 × 8 Byte	8,5 GByte/s	bis 2.0V
DDR3-1600		200 MHz × 08 × 8 Byte	12,8 GByte/s	ab 1.5V
DDR3-2666		333 MHz × 08 × 8 Byte	21,3 GByte/s	bis 1.65V
DDR3L-1600		200 MHz × 08 × 8 Byte	12,8 GByte/s	L = 1.35V	DDR3L hat eine geringere Spannung von 1.35V
DDR3L-1866		233 MHz × 08 × 8 Byte	14,9 GByte/s
DDR4-2133		266 MHz × 08 × 8 Byte	17,0 GByte/s	ab 1.2V
DDR4-2400		300 MHz × 08 × 8 Byte	19,2 GByte/s
DDR4-2933		366 MHz x 8 x 8 Byte	23,4 GByte/s	1,35V
DDR4-3200		400 MHz × 08 × 8 Byte	25,6 GByte/s
DDR4-5333		666,6 MHz × 8 ×8 Byte	42,6 GByte/s	bis 1.6V
DDR5-4800		300 MHz × 16 × 8 Byte	38,4 GByte/s	ab 1.1V
DDR5-5600		350 MHz × 16 × 8 Byte	44,8 GByte/s	1.25V
DDR5-6600		412,5 MHz × 16 × 8 Byte	52,8 GByte/s	bis 1.4V (bis 2022)
DDR5-8000		500 MHz × 16 × 8 Byte	64,0 GByte/s

DDR-SDRAM überträgt Daten immer bei steigender und fallender Taktflanke, bei DDR2, DDR3 und DDR4 wird der externe Takt gegenüber dem Takt der Speicherchips noch um den Faktor zwei bzw. vier gesteigert, da aus mehreren Speicherstellen nacheinander ausgelesen wird. Bei Verwendung von mehrkanaligen Speichersubsystems kann die kumulative Datenrate wie auch die maximal bestückbare Menge an Speicher vervielfacht werden. Latenzzeiten erhöhen sich durch längere interne Pfade etwas.

Anhand dieser Berechnung lässt sich grob abschätzen, wie gut das RAM und das übrige System zusammenpassen. Der Speicher muss schnell genug sein, um die Zugriffe aller Busmaster einschließlich CPU, Festplattencontrollern und Grafikkarten verarbeiten zu können.

Single-sided/double-sided

Es wird zwischen Single-sided und double-sided-Bausteinen unterschieden. In der single-sided-Variante liegen alle Module auf einer Seite, bei double-sided sind sie auf beide Seiten verteilt. Ein weit verbreiteter Mythos ist, dass die Bauform einen Einfluss auf die Leistung hat. Das stimmt aber nicht, da nicht der physische Aufbau, sondern die logische Organisation einen Einfluss hat (genauer gesagt der sog. rank). Jedoch haben double-sided-Module meist doppelt so viele ranks wie vergleichbare single-sided-Module, was aber nicht der Fall sein muss.

Latenzzeiten unterschiedlicher Speichergenerationen

Speichertyp	Timingwerte	CL (ns)	tRCD (ns)	tRP (ns)	tRAS (ns)
SDR-133	CL3-3-3-6	22,5	22,5	22,5	45,0
DDR-266	CL2.5-3-3-6	18,7	22,5	22,5	45,0
DDR-333	CL2.5-3-3-7	15,02	18,02	18,02	42,04
DDR-400	CL2.5-2-2-5	10,0	10,0	10,0	25,00
DDR-400	CL3-3-2-8	15,0	15,0	15,0	40,0
DDR-400	CL3-4-4-8	15,0	20,0	20,0	40,0
DDR2-666	CL4-4-4-12	12,0	12,0	12,0	36,0
DDR2-666	CL5-5-5-15	15,0	15,0	15,0	45,0
DDR2-800	CL4-4-4-15	10,0	10,0	10,0	37,5
DDR2-800	CL5-5-5-12	12,5	12,5	12,5	30,0
DDR2-800	CL5-5-5-15	12,5	12,5	12,5	37,5
DDR2-800	CL5-5-5-18	12,5	12,5	12,5	45,0
DDR2-800	CL6-6-6-18	15,0	15,0	15,0	45,0
DDR2-1066	CL4-4-4-12	07,5	07,5	07,5	22.5
DDR2-1066	CL5-5-5-15	09,4	09,4	09,4	28.1
DDR2-1066	CL6-7-7-20	11,26	13,13	13,13	37,52
DDR2-1066	CL7-7-7-21	13,1	13,1	13,1	39,4
DDR3-1333	CL7-7-7-21	10,5	10,5	10,5	31,5
DDR3-1333	CL9-9-9-24	13,5	13,5	13,5	36,0
DDR3-1600	CL6-8-6-24	07,5	10,0	07,5	30,0
DDR3-1600	CL10-10-10-?	12,5	12,5	12,5	?
DDR3-1600	CL11-11-11-28	13,8	13,8	13,8	35,0
DDR3-1866	CL7-7-7-18	07,5	07,5	07,5	19,3
DDR3-1866	CL9-10-9-28	09,6	10,7	09,6	30,0
DDR3-1866	CL10-11-10-30	10,72	11,79	10,72	32,15
DDR3-2133	CL9-11-9-28	08,4	10,3	08,4	26,3
DDR3-2133	CL10-12-12-31	09,38	11,25	11,25	29,07
DDR3-2400	CL11-13-13-31	09,17	10,83	10,83	25,83
DDR3-2666	CL11-14-15-?	08,25	10,50	11,25	?
DDR3-2933	CL12-14-14-35	08,2	09,5	09,5	23,9
DDR4-2133	CL10-12-12-28	09,4	11,3	11,3	26,3
DDR4-2400	CL11-13-13-31	09,2	10,8	10,8	25,8
DDR4-2933	CL16-18-18-36	10,9	12,3	12,3	24,5
DDR4-3000	CL16-18-18-38	10,67	12,00	12,00	25,33
DDR4-3200	CL16-20-20-38	10,00	12,50	12,50	23,75
DDR4-3200	CL16-20-20-40	10,00	12,50	12,50	25,00
DDR4-3200	CL18-22-22-42	11,25	13,75	13,75	26,25
DDR4-3600	CL18-22-22-38	10,00	12,22	12,22	21,11
DDR4-3600	CL18-22-22-42	10,00	12,22	12,22	23,33
DDR4-4000	CL18-22-22-42	09,00	11,0	11,0	21,00
DDR4-4000	CL19-23-23-42	09,50	11,50	11,50	21,00
DDR4-4000	CL19-23-23-45	09,5	11,5	11,5	22,5
DDR4-4133	CL19-21-21-41	09,19	10,16	10,16	19,84
DDR4-4400	CL19-25-25-45	08,64	11,36	11,36	20,45
DDR4-4600	CL19-26-26-45	09,26	11,30	11,30	19,57
DDR4-4600	CL19-26-26-45	09,26	11,30	11,30	19,57
DDR4-4800	CL20-30-30-50	08,33	12,50	12,50	20,83
DDR4-5000	CL19-28-28-?	07,60	11,02	11,20	?
DDR4-5066	CL20-30-30-50	07,90	11,84	11,84	19,74
DDR4-5333	CL22-32-32-52	08,25	12,00	12,00	19,50
DDR5-4000	CL30-30-30-64	15,0	15,0	15,0	32,0
DDR5-4800	CL40-40-40-77	16,67	16,67	16,67	32,08
DDR5-5200	CL28-34-34-83	10,77	13,08	13,08	31,92
DDR5-5200	CL36-36-36-68	13,85	13,85	13,85	26,15
DDR5-5200	CL38-38-38-76	14,62	14,62	14,62	29,23
DDR5-5200	CL40-40-40-77	15,38	15,38	15,38	29,62
DDR5-5600	CL36-36-36-76	12,86	12,86	12,86	27,14
DDR5-5600	CL40-40-40-76	14,29	14,29	14,29	27,50
DDR5-6000	CL36-36-36-76	12,00	12,00	12,00	25,33
DDR5-6200	CL36-39-39-76	11,61	12,58	12,58	24,52
DDR5-6400	CL32-39-39-?	10,00	12,19	12,19	?
DDR5-6400	CL40-40-40-84	12,50	12,50	12,50	26,25
DDR5-6600	CL34-40-40-105	10,30	12,12	12,12	31,82
DDR5-8000	CL50-50-50-100	12,5	12,5	12,5	25,0

Latenzzeiten im Vergleich

Die Leistung von Speichermodulen misst sich vor allem in der „absoluten Latenz“. Die absolute Latenz ergibt sich aus den Faktoren (effektiver) Takt und Timing.

Beispiele

Da der Speicherbus in allen drei folgenden Fällen mit jeweils exakt 200 MHz arbeitet, jedoch die Timings auf den effektiven Takt (400 MHz, 800 MHz und 1600 MHz) bezogen sind, bleiben die Latenzzeiten (im Bereich einiger Nanosekunden) identisch, obwohl sich die Timings unterscheiden. Die theoretische Datenrate verdoppelt sich jeweils aufgrund der Tatsache, dass der I/O-Bus mit 200, 400 bzw. 800 MHz arbeitet:

Berechnung

Die Latenz lässt sich – wie aus den eben genannten Beispielen ersichtlich – wie folgt berechnen:

${\text{Zugriffszeit}}\geqslant {\frac {t_{CL}+t_{RCD}}{\text{Taktfrequenz}}}={\frac {2\cdot (t_{CL}+t_{RCD})}{\text{effektive Taktfrequenz}}}$

Die gesamte Zugriffszeit ist mindestens $t_{RCD}+t_{CL}$ geteilt durch den Takt. Die effektive Taktfrequenz ist doppelt so hoch wie die eigentliche Taktfrequenz, da zweimal je Takt ausgelesen wird (daher der Name DDR =

Double Data Rate

).

Abweichungen von der Spezifikation

Die meisten Speicherhersteller bieten RAM an, der die offiziellen Spezifikationen der JEDEC nicht oder nicht in allen Betriebsmodi einhält. Das sind eingespeicherte Profile der verschiedenen Parameter, darunter Taktrate, Timings und Betriebsspannung. Deren Gesamtheit wird u. a. als Timings Table bezeichnet, etwa von der verbreiteten Freeware CPU-Z. Vor allem betrifft es den höchsten Modus als besonders schnell konzipierter Riegel, d. h. solcher mit höheren Taktraten und/oder besseren Timings. Diese Produkte werden oft als „OC-RAM“ (Speichermodule für Übertakter) bezeichnet. Während z. B. DDR3-1600 CL9-9-9 einer offiziellen Spezifikation unterliegt, handelt es sich bei DDR3-1600 CL8-8-8 sowie DDR4-3466 CL16-18-16 nicht um JEDEC-Standards. Auch für künftige Arbeitsspeichertypen ist zu erwarten, dass infolge der stetigen Verbesserung der Fertigungsverfahren immer schnellere Speichermodule angeboten werden. Diese werden jedoch zumindest anfangs außerhalb der offiziellen Spezifikation arbeiten. Die JEDEC könnte diese Speichermodule in die offizielle Spezifikation aufnehmen, allerdings geschieht das oft erst Jahre nach der ersten Verfügbarkeit. Auf Anhieb arbeiten solche Module nur dann zufriedenstellend, wenn ihre Parameter korrekt abgelegt sind (Profile) und diese vom System übernommen werden können. Wenn dem nicht so ist, werden sie standardkonform oder vom Mainboard justiert betrieben. Ist beides ebenfalls nicht möglich, verweigert das System den Betrieb.

Siehe auch

• Dual Channel
• Triple Channel
• Quad-Channel

Literatur

• Christof Windeck: Merkzellen. c’t 6/2006 S. 278ff; Riegel-Reigen c’t 7/2006 S. 238ff; High-Speed versus Standard. c’t 8/2006 S. 210ff – Artikelserie über Aufbau und Funktionsweise von DDR2-Speichermodulen

Weblinks

• JEDEC-Website – das Standardisierungsgremium für Speicherstandards