PC-Speichertechnologien im Überblick

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1 PC-Speichertechnologien im Überblick Student: Martin Stephan Matrikel-Nr.: Fach: LCT Labor-Computertechnik Studiengang: Technische Informatik Angewandte Informatik Semester: I7I 1

2 Inhaltsverzeichnis Seite: Inhaltsverzeichnis... 2 DRAM-Aufbau... 3 Timingwerte... 5 SDR-SDRAM...7 SDR-SDRAM...7 DDR-SDRAM... 9 RAMBUS DDR-II/DDR-III JEDEC Standards Offizielle Standards Inoffizielle Standards Marktanteile Leistungsvergleich Zusammenfassung Quellenangaben

3 DRAM-Aufbau Aktueller PC-Arbeitsspeicher besteht im Prinzip aus DRAM Speicherzellen, die je nach Art des Speichers (RDRAM, DDR-SDRAM, SDR-SDRAM) anders angebunden sind und angesprochen werden. DRAM bedeutet Dynamic Ramdom Access Memory und ist sehr einfach aufgebaut. Eine Speicherzelle besteht lediglich aus einem Kondensator und einem Transistor. Der Kondensator speichert Information, benötigt aber einen periodischen Refresh, um die Informationen zu behalten. Die Speicherzellenauswahl erfolgt über Zeilen und Spalten (siehe Bild 1), was einen einfachen Zugriff auf beliebige Speicherstelle ermöglicht. Bild 1) 1 Bit Speicherzelle (WL: Speicherzeile, BL: Speicherspalte) Die Speicherzellen sind in einer Speichermatrix (Bild 2) angeordnet. Die Adressübergabe erfolgt in zwei Teilen, dem RAS (Row Address Strobe), das ist die Zeilenauswahl über den Zeilendekoder, und dem CAS (Column Address Strobe), der Spaltenauswahl über den Spaltendekoder. Bild 2) zeigt Speichermatrix mit Zeilen- und Spaltendekoder, sowie DRAM-Steuerung und Datenleitung (DQ), Bildquelle: techchannel (Link im Anhang) 3

4 In einem Speicherchip können sich mehrere Speicherfelder befinden. In dem unten abgebildeten befinden sind insgesamt 8 Felder mit je einer 2MBit Speichermatrix, es handelt sich daher um einen 2M x 8 Speicherchip. Die Matrix besteht aus 512 Spalten und 4096 Zeile, was insgesamt x 1Bit Speicherzellen ergibt. Bild 3) 8 Speicherfelder (Speichermatrix), Bildquelle: techchannel (Link im Anhang) 4

5 Timingwerte Bei Qualitätsspeicher werden die Timingwerte meistens aufgedruckt. Die Bedeutung der Timingwerte wird anhand des unten abgebildeten 256MB PC133 Infineon SDR-SDRAM-Modul erläutert. Die Angabe der Timings befindet sich auf der rechten Seite des Aufklebers (siehe Bild 4). Es handelt sich um ein PC Modul. Bild 4) Herstellerbeschriftung auf einem PC133 SDR-SDRAM Modul Bedeutung PC133: Gibt die maximale Taktfrequenz an, mit der das Modul betrieben werden kann. SDR-SDRAM: PC66 (66MHz), PC100 (100MHz) und PC133 (133MHz), sowie die nicht offiziellen PC143 (143MHz), PC150 (150MHz) und PC166 (166MHz). DDR-SDRAM: PC1600 (100MHz), PC2100 (133MHz), PC2700 (166MHz) und PC3200 (200MHz). Bedeutung 333: Die 333 stehen für das CAS, RAS to CAS und RAS. Dabei handelt es sich um Warte-Zyklen, die bestimmten, nach wie vielen Takten Daten übernommen werden können. Bei einem mit 100MHz getakteten Speichermodule, wo 1 Takt genau 10n sec. lang ist, würde ein CAS Wert von 3 in absoluter Zeit 30n sec. betragen. CAS Latency: Column Address Strobe Zeigt dem DRAM die Gültigkeit einer anliegenden Spaltenadresse an RAS-to-CAS Zeit zwischen Wechsel von RAS nach CAS RAS Precharge Time: Row Address Strobe Zeigt dem DRAM die Gültigkeit einer anliegenden Zeilenadresse an Je kleiner die Werte, umso schneller arbeitet ein Modul. Für die drei Parameter CAS, RAS to CAS und RAS sind Timings von 2 oder 3 Zyklen möglich. Das aktuell schnellste bei SDR-SDRAM ist das Timing. Möglich ist aus das CAS, RAS to CAS und RAS unterschiedliche Timingwerte haben, wie z.b. eine CAS Latency von 2 und RAS to CAS und RAS Latency von 3. Bei DDR-SDRAM gibt es, neben den CAS Latency von 2 und 3, noch 1.5 und 2.5. Das kommt daher, das bei DDR-SDRAM bei steigender- und fallender Taktflanke Daten übertragen werde und somit auch zweimal pro Takt ein Wechsel möglich ist. Als RAS to CAS- und RAS- Timing ist, neben 2 und 3, bei schnellen PC3200 ( DDR400 ) Modulen auch ein Wert von 4 Taktzyklen möglich. 5

6 Bedeutung 520: Die in den Timings angegebene 520 (PC ) stehen für: Ersters Zeichen: hier die 5, Angabe in Nanosekunden (ns). Dies ist die Zeit, die ein Baustein auf dem DIMM benötigt, um gültige Daten zu liefern. Weiterer möglicher Wert wäre 6, 7 und 8ns. Zweites Zeichen: hier die 2, gibt die Version des SPD-EEPROMs an. 2 steht dabei für Version 1.2, die wahlweise auch als 1.2 angegeben werden kann. Drittes Zeichen: hier die 0, ist ein reserviertes Zeichen, das immer 0 ist. Damit das Board, in dem der Riegel betrieben werden soll, erkennt, mit welchen Timings es den Speicherriegel ansprechen kann, werden die Timing Daten sowie weitere Herstellerdaten in einem EEPROM, dem SPD-EEPROM (Serial-Presence- Detect EEPROM), auf das Speichermodul gelötet. Bild 5) zeigt ein SPD-EEPROM auf einem Speichermodul Statt das auf Speicherriegeln immer die vollständige Angabe der Timings aufgedruckt ist, so findet sich in der Regel nur der Aufdruck der CAS Latency, als CL abgekürzt, an. Auf einem PC Modul findet sich dann oft nur der Aufdruck PC133 CL3 an. Möglich ist auch das sich hinter dem Aufdruck PC133 CL2 entweder ein PC Modul versteckt, oder aber ein langsameres PC Modul. Daher ist es anhand solch unvollständiger Angaben nicht ohne Einblick in das Datenblatt möglich, die tatsächlichen Timings zu erfahren. Um die Timingwerte zu prüfen biete die c t ein kleines Testprogramm, welches unter folgendem Link zu finden ist: 6

7 SDR-SDRAM Bei SDR-SDRAM handelt es sich um Takt-synchron arbeitenden DRAM Speicher, der pro Takt einmal Daten übertragen kann. SDR steht dabei für Single-Data-Rate. 1996/1997 kamen die ersten SDR-SDRAM Module mit PC66 Spezifikation auf den Markt. Zur damaligen Zeit wurde der Speicher auf besseren Boards mit Sockel7 (AMD K6, Pentium1) eingesetzt und löste die 72 poligen PS/2 EDO-RAM Module ab. Dank der gebotenen Leistung und des guten Preis-/Leistungsverhältnisses wurde der Speicher recht schnell vom Markt angenommen und blieb bis vor ca. 2 Jahren der Standard PC Arbeitsspeicher schlechthin. Spezifikationen von SDR-SDRAM: Single-Data-Rate - synchroner DRAM (kurz: SDRAM) Synchrone Signaleingabe und -ausgabe gesteuert durch Taktgeber Platine mit 168 Pins/Kontakten (SO-DIMM 144pin) 3.3V Betriebsspannung Offiziell bis zu 133Mhz (PC133) Inoffiziell PC150 und PC166 Desktop-Bereich max. 512MB pro Modul (Server ~1GB) Bezeichnung, Takt und Bandbreite von SDR-SDRAM: offizielle Bezeichnung effektiver Takt Bandbreite PC66 66 MHz 0.5GBs PC MHz 0.8GB/s PC MHz 1.06GB/s SO-DIMMs haben 24 Pins weniger als Standard SDR-SDRAM DIMMs, was daran liegt, dass es nicht, wie bei Standard SDR-SDRAM DIMMs, unbenutzte Pins ( NC = not connected), welche insgesamt 26 sind, gibt und im Gegenzug auf zwei Clock- Signale verzichtet wurde. Die Betriebsspannung (Vdimm) beträgt zwar 3.3V, wurde aber mit der Fertigung in kleineren Strukturen (von 0.25µm bis ~0.18µm) durch interne Spannungswandler auf ca. 2.5V, was der Default Spannung von DDR-SDRAM entspricht, gesenkt. Bild 6) original Infineon 256MB PC Speicher Nach den PC66 Modulen folgten ein bis zwei Jahre später PC100 Module, entsprechend rechtzeitig zur Einführung von 100MHz FSB Prozessoren aus dem Hause Intel (PII 350MHz) und AMD (K6-II 300MHz). 7

8 PC133 Speicher wurde kurz vor Einführung von Intel Pentium III Prozessoren mit 133MHz FSB (ab Pentium III 533MHz) vorgestellt. Schnellerer PC150 und PC166 Speicher konnte sich nicht durchsetzen, da die Prozessor-Hersteller keine entsprechenden CPUs auf den Markt brachten. Da es keine solchen CPUs gab, wurden auch keine entsprechende Chipsätze entwickelt. Trotzdem entwickelten einige Hersteller, wie z.b. MCI ( ), schnelle PC150 Module mit schnellen Timings, die auch in kritischen Zeitschriften, wie der c t, bei Tests sehr gut abschnitten und hoch gelobt wurden. Einig asiatische Hersteller entwickelten noch PC166 und sogar PC183 Module, die aber trotz Fertigung in hochwertiger BGA Form (BallGridArray*1), Anschlüsse liegen unter dem Speicherchip-Gehäuse) nicht überzeugen konnten. Das folgende Bild verdeutlicht den Unterschied zwischen SDR-SDRAM und DDR- SDRAM. Während bei SDR nur bei jeder steigender Taktflanke Daten übertragen werden, so erfolgt bei DDR-SDRAM die Datenübertragung bei steigender und fallender Flanke. Bild 7) Vergleich der Datenübertragung, Read und Write, von SDR und DDR, bei DDR-SDRAM wird noch ein weiteres DQS *2) Signal zur Synchronisation verwendet, Bildquelle: techchannel (Link im Anhang) *1) BGA = Ball Grid Array: Bei diesem Herstellungsformat werden die Speicherchip-Pins nicht, wie sonst üblich, seitlich aus dem Chip geführt, sondern befinden sich relativ dicht zusammen unterhalb des Chips in Form kleiner Kugeln. Dieser Herstellungsprozess in Verbindung mit kleinerem Fertigungsprozess ermöglicht höhere Taktraten. *2) DQS : zusätzliches bidirektionales Strobe Signale DQS, das zur Synchronisation des Datentransfers bei DDR-SDRAM benötigt wird. 8

9 DDR-SDRAM DDR-SDRAM wird als die nächste Speichergeneration bezeichnet. Der große Vorteil von DDR-SDRAM besteht darin, dass es sich dabei nicht um eine völlige Neuentwicklung, wie z.b. RAMBUS, handelt, sondern eine Weiterentwicklung von SDR-SDRAM. Die Fertigung ist nicht viel aufwendiger als bei SDR-SDRAM, Mainboards und entsprechende Controller müssen nicht komplett neue entwickelt werden und das Platinenlayout ist nicht so kritisch (Hochfrequenz Problem), wie bei RAMBUS. Daher zeichnet sich mit DDR-SDRAM ein würdiger Nachfolger von SDR- DRAM ab, was sowohl die reine Leistung als auch das Preis-/Leistungsverhältnis betrifft. Die Abkürzung DDR-SDRAM bedeutet Double-Data-Rate -SDRAM. Bekannt wurde dieser Speicher ca bei der Verwendung auf neuen Grafikkarten, mit Nvidias Geforce-Chip in der DDR -Version (GeForce1 DDR). Bei DDR-SDRAM werden Daten auf der ansteigenden und der abfallenden Flanke eines Taktzyklus übertragen, wodurch sich die maximale Datenrate des Speichers verdoppelt. Daher wird bei DDR-SDRAM statt des tatsächlichen Taktes häufig der doppelte Takt angegeben, z.b. statt 133MHz wird vom 266MHz gesprochen. Verständlich, da vor allem Laien es nicht zumutbar wäre, sich erst groß mit der Materie auseinander zu setzen, um trotz gleichem Takts die Vorteile gegenüber SDR-SDRAM zu erkennen. Spezifikationen von DDR-SDRAM: Double-Data-Rate - synchroner DRAM Synchrone Signaleingabe und -ausgabe gesteuert durch Taktgeber Datenübertragung bei steigender und fallender Taktflanke DIMM-Modul mit 184 Pins/Kontakten (SO-DIMM 200pin) 2.5V Betriebsspannung Offiziell bis zu 200Mhz (DDR400 / PC3200), inoffiziell schon PC3500 Speicher Desktop-Bereich max. 512MB pro Modul (Server bis 4GB) Einsatzgebiet: PC-Arbeitsspeicher, Grafikspeicher, etc Bezeichnung, Takt und Bandbreite von DDR-SDRAM: offizielle Bezeichnung Name effektiver Takt Bandbreite PC1600 DDR MHz 1.6 GB/s PC2100 DDR MHz 2.1 GB/s PC2700 DDR Mhz 2.7 GB/s PC3200 DDR Mhz 3.2 GB/s PC3500 DDR MHz 3.5 GB/s SO-DIMMs haben 16 Pins mehr, was an den 20 Leitungen mehr, für Versorgungsspannung und Masse, liegt. Im Gegenzug wurde bei den SO-DIMMs auf 3 Leitungen für die seriel SPD EEPROM Programmierung und eine nicht verbundene Leitung verzichtet. Die Programmierung des SPD-EEPROMs erfolgt daher vor dem auflöten auf die Platine. 9

10 Durch neue Fertigungstechniken mit kleinerer Strukturbreite (~0.14µm), war es möglich die Spannung von 3.3V, wie die Standard V-Dimm bei SDR-SDRAM ist, auf 2.5V zu senken. Bei Vorstellung von DDR-SDRAM als PC-Arbeitsspeicher, Ende 2000, gab es lediglich PC1600 (100MHz, 200MHz DDR ) sowie PC2100 (133MHz, 266MHz DDR ). Die Bezeichnung PCxxxx ergibt sich aus der maximalen theoretischen Bandbreite der Module. Dem 133Mhz schnellen PC2100 Speicher ist es theoretisch möglich, bei 133MHz x 8 Byte x 2 (DDR) ganze 2.1 GB/s zu übertragen. Allerdings sind diese Werte in der Realität kaum erreichbar, da die max. Bandbreite noch von Faktoren wie z.b. Chipsatz, Timings und Zugriffsverfahren abhängt. Bild 8) 256MB PC2700 CL2.5 DDR-SDRAM Modul von TwinMOS Der erste DDR-SDRAM Speicher kam auf Platinen mit dem KT266 Chipsatz, aus dem Hause Via, zum Einsatz, entsprechende DDR-Boards mit Via Chipsatz für Intel Prozessoren (Sockel 370) folgten. Kleine Firmen wie Corsair und Crucial waren es, die immer nach kurzer Zeit schnelleren Speicher auf den Markt brachten, als es laut JEDEC Spezifikation gab. Durch neue Chipsätze, die den asynchronen Betrieb vom Speicher, der statt mit dem FSB-Takt (FrontSideBus) mit FSB + 33Mhz (PCI-Takt) lief, ermöglichten, und Firmen wie Samsung und Intel, etablierte sich, wenige Monate nach Einführung von PC2100 Speicher, ca. 1 Jahr nach Einführung von DDR-SDRAM der schnellere PC2700/DDR333 Speicher. Mit der Ankündigung seitens Intel, im Laufe des Jahres 2003 FSB 800MHz CPUs (QuadPumped) zu entwickeln, fiel der Widerstand gegen eine PC3200/DDR400 JEDEC Zertifizierung. Vielen Herstellern wäre es aber lieber gewesen, statt der Einführung von PC3200 die Entwicklung von DDR-II zu beschleunigen und früher als geplant fertig zu stellen, da derzeit die wenigsten Hersteller in der Lage sind, PC3200 Speicher mit sauberen Timings (nach JEDEC Spezifikation) herzustellen. 10

11 Das folgende Bild (Bild 9), wie es ebenso auf Seite 8, bei SDR-SDRAM, zu finden ist, soll noch mal den Unterschied zwischen SDR-SDRAM und DDR-SDRAM verdeutlichen. Während bei SDR nur bei jeder steigenden Taktflanke Daten übertragen werden, so sind es bei DDR-SDRAM bei steigender und fallender Flanke. Bild 9) Vergleich der Datenübertragung, Read und Write, von SDR und DDR, bei DDR-SDRAM wird noch ein weiteres DQS Signal zur Synchronisation verwendet, Bildquelle: techchannel (Link im Anhang) 11

12 RAMBUS DirectRambus DRAM, oft auch als RAMBUS bezeichnet, erblickte 1999 das Licht der PC-Arbeitsspeicher-Welt. Entwickelt wurde der Speicher von der Firma Rambus Inc. ( ) in Zusammenarbeit mit Intel. Der große Unterschied, zwischen SDRAM und RDRAM, besteht hauptsächlich in der Größe des Datenbusses und den Taktraten. Der Datenbus bei RDRAM ist 16 Bit breit, bei SDRAM jedoch 64 Bit. Um diesen Nachteil auszugleichen muss RDRAM mit einem deutlich höheren Takt betrieben werden. Spezifikationen von RDRAM: Rambus Dynamic Random Access Memory Double-Data-Rate, wie bei DDR-SDRAM 16 und 32 Bit Datenbus RIMM Modul mit 184 Pins (16 Bit) bzw. 232 Pins (32Bit) Pro Adress-, Steuer-, Takt- und Datenleitungen eine eigene Masseleitung Speicherarchitektur in Busform Besteht aus 3 Komponenten: Memory-Controller Speicherchips: jeder arbeitet mit voller Datenbreite von 16 Bit Channel 16 Bit Datenbus 8 Bit Adressbus max. 32 Speicherchips pro Channel adressierbar Aufwendiges Hochfrequenzdesign 2.5V Betriebsspannung Offiziell bis zu 533MHz (PC1066), inoffiziell auch 600MHz (PC1200) Einsatzgebiet: PC-Speicher, Grafikkarten, Spielekonsolen (N64, PS2) Auf Boards mit den Desktop Chipsatz i820 und dem Server Chipsatz i840 sollte dieser Speicher der Nachfolger von SDR-SDRAM werden, so die Vorstellungen seitens Intel. Gescheitert ist dies jedoch an den recht hohen Herstellungskosten, die durch große Chipflächen und das aufwendige Hochfrequenzlayout entstanden. Da sich die ca. 30% Mehrkosten, die dieser Speicher gegenüber SDR-SDRAM kostete, nicht wie erhofft innerhalb Monaten auf ca. 10% runterfahren ließ, blieb dieser Speicher teuer. Der recht teure Chipsatz und die demzufolge teuren Boards schreckten weitere Kunden vom Kauf eines solchen Systems ab. Vergleichstests von damals PC600 und PC800 mit schnellem PC133 SDR-SDRAM zeigten außerdem, dass der erhoffte Geschwindigkeitsvorteil mehr als gering war und die hohen Anschaffungskosten in keinster Weise rechtfertigten. Als weiteres Problem entpuppte sich der Desktop-Chipsatz i820, der trotz enger Vorgaben, bei der Herstellung des Speichers, Probleme bei Bestückung mit drei RIMMs verursachte. Intel war daher gezwungen Schadenersatz zu zahlen und die Spezifikationen nachträglich auf 2 RIMMs zu ändern. Aber auch so konnte sich der Speicher, als Standard PC-Arbeitsspeicher, nicht durchsetzen. Intel zog nach einiger Zeit mit einem Desktop Chipsatz, dem i815, nach, der wie Konkurrenzprodukte PC133 unterstützte. 12

13 Bei Einführung des P4 Prozessors stellte Intel den i850 Chipsatz vor, der trotz aller Kritik Rambus Speicher benötigte. Als günstigere Alternative wurde einige Zeit später der i845 Chipsatz vorgestellt, der ein SDR-SDRAM Speicherinterface besaß. Dabei zeigte sich jedoch, dass der P4 nur durch eine große Speicherbandbreite sein Potential entfalten konnte, was dazu führte, dass der im Vergleich zum i850 deutlich langsame i845 durch eine neue i845 Version mit DDR-SDRAM Interface (Jahr: 2001) ersetzt wurde. Der Geschwindigkeits-Unterschied zwischen dem i850 mit Rambus und den i845 mit DDR-SDRAM schrumpfe zwar, trotzdem zeigte sich hier deutlich, dass der P4 von der großen Bandbreite von bis zu 3.2GB/s, bei PC800 RDRAM, profitierte. Bei Einführung der P4 Northwood Prozessoren mit 533Mhz FSB QuadPumped wurde eine neue Version des i850 vorgestellt, der i850e, der eben solche CPUs und den dazu passenden PC1066 RDRAM unterstützt. Die Rambus-Lösung besteht im Prinzip aus drei Komponenten: dem Rambus- Controller, dem Rambus-Channel und dem Speicher. Dabei ist es möglich, dass ein System aus mehreren unabhängigen Channels besteht. Intels i840-chipsatz, für den Workstation- und Servereinsatz, kann zwei Rambus-Channels ansteuern, während der Mainstream-Chipsatz i820 nur einen Channel verwalten kann. Bild 10) die 3 Komponenten, Bildquelle: techchannel (Link im Anhang) Um sich als 16 Bit Lösung gegen den 64 Bit Speicherbus bei SDR- und DDR-SDRAM durchsetzen zu können wird jeder RDRAM IC mit dem vollen Takt des Channels angesprochen, welcher im Vergleich zu SDR/DDR-SDRAM deutlich höher sein muss. Der Geschwindigkeitsvorteil von RDRAM kann lediglich bei tiefem Pipelining genutzt werden. Dieses Pipelining erlaubt es im Dauerbetrieb die sehr hohen Transferraten effektiv zu nutzen. Somit ist eine überragende Auslastung von ~90-95% der Bandbreite möglich. 13

14 Die zwei folgenden Bilder (Bild 11 und 12) zeigen einmal die ältere 16 Bit Version von RDRAM und die neue 32 Bit Version. Die unterschiedlichen Versionen kann man leicht an den zwei Kerben bei der 16 Bit und an nur einer Kerbe bei der 32 Bit Version unterscheiden. Außerdem ist die Pin-Leiste der 32 Bit Version auch im mittleren Bereich voll bestückt, während bei der 16 Bit Version sich dort keine Pins befinden. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass nicht mehr wie früher zwei 16 Bit Riegel verbaut werden müssen, sondern nur noch ein 32 Bit Riegel, der im Prinzip aus zwei 16 Bit Riegeln aufgebaut ist. Einen Geschwindigkeitsvorteil, was diese Bezeichnung bei vielen vermuten lässt, gibt es leider nicht. Bild 11) 16 Bit RDRAM Riegel mit Heatspreader Bild 12) 32 Bit RDRAM Riegel mit Heatspreader Wie die Benchmarks zeigen, kann es der i850e Chipsatz in Verbindung mit PC1066 RDRAM problemlos mit dem aktuellen DDR-SDRAM Chipsatz von Intel, dem i845pe, aufnehmen, auch wenn dieser den Speicher mit PC2700/DDR333 betreibt. Die Zukunft dieses Speichers als PC-Arbeitsspeicher sieht aber düster aus, da Verträge, die Intel verpflichteten, Chipsätze mit RDRAM Support zu entwickelt und zu einem bestimmten %-Satz abzusetzen, ausgelaufen sind und Intel bisher nicht angedeutet hat, auch in Zukunft RDRAM kompatible Boards zu entwickeln. Auch schnellere Versionen von RDRAM werden sich wohl kaum gegen DDRII durchsetzen können. Eine Zukunft als schnellerer Speicher von Spielekonsolen, wie z.b. dem Nachfolger der PS2, wäre eher denkbar. Planungen, die in diese Richtung deuten, gibt es jedenfalls schon. 14

15 DDR-II/DDR-III Über den in DDR-II Standard, der bis ca zur Serienfertigung reifen soll, sind noch nicht sehr viele Details bekannt. Laut letzten Meldungen (Heise News, ) verzögert sich die Marktreife um ein weiteres Jahr, auf Ein Grund dafür ist, dass DDR400 nun doch ein JEDEC Standard wird, was einerseits die Lücke zu DDR-II verringert, andererseits aber dafür sorgt das die Entwicklung von DDR-II nicht schnell genug erfolgen kann. Grobe DDR-II Spezifikationen (Stand Mai 2002): Zitat Heise-News: Die DDR-II-Spezifikation der JEDEC ist noch nicht veröffentlicht. Einige Eckdaten sind dennoch bekannt: Die SDRAM-Chips laufen mit einer Versorgungsund Signalspannung von 1,8 Volt und erreichen 200 beziehungsweise 266 MHz Taktfrequenz. Wegen des DDR-Verfahrens erreicht die Datentransferrate eines 64 Bit breiten DIMMs mit 200-MHz-Chips maximal 3,2 GByte/s, bei 266 MHz sind es rund 4,3 GByte/s. Als Typenbezeichnung der Speicherchips dienen die Kürzel DDR-II 400 und DDR533, die daraus aufgebauten Module heißen PC3200 und PC4300. DDR-II-Chips versprechen durch verbesserte Adressierungsprozesse eine in der Praxis höhere nutzbare Datentransferrate. So beherrschen DDR-II-Chips das so genannte "Posted- CAS"-Verfahren und benötigen bei Schreibzugriffen eine um einen Takt kürzere CAS Latency als bei Lesezugriffen. Zur Optimierung der Signalqualität sind DDR-II-SDRAMs in der Lage, die Eingangssignale auf ihrem Die zu terminieren. Außerdem lässt sich die Impedanz der Treiberstufen anpassen. Seit Mai 2002 hat sich an den vermuteten Spezifikationen bis heute (Februar 2003) nichts geändert. Obwohl DDR-II noch nicht mal auf dem Markt ist, wird bereits am Nachfolger, dem DDR-III Standard geforscht. Bisher sind aber auch hier noch keine Spezifikationen bekannt. Die JEDEC nimmt derzeit jedoch Vorschläge der Hersteller an. DDR-III Spezifikationen (Stand: Juli 2002): Noch keine konkreten Spezifikationen JEDEC nimmt Vorschläge an Möglichst Gesamtlösung entwickeln und spezifizieren: Speicherchips, Module, Register und Puffer Seit Juli 2002 hat sich bis heute (Februar 2003) nichts geändert. 15

16 JEDEC Standards Offizielle Standards Die JEDEC ( ) ist für die Standardisierung von Speicher zuständig. Neben den offiziellen Standards gibt es noch inoffizielle Standards. Dabei handelt es sich in der Regel immer um Speicher, der entweder mit einem höheren Takt läuft (Stickwort: übertakten) oder mit schnelleren Timings betrieben wird. Hersteller haben die Möglichkeit, Vorschläge einzureichen, welche dann bei einem schlüssigen Konzept standardisiert werden. Lange Zeit wurde weder PC133 noch DDR400 als Standard verabschiedet, da dieser Speicher angeblich eine zu geringe Akzeptanz/Nachfrage auf dem Markt hat. Eventuell lag es auch daran, dass Intel nicht vor hatte, Chipsätze für solchen Speicher zu entwickeln. Erst mit dem i820 Flop wurde auch PC133 Unterstützung von Intel gewünscht und der Speicher entsprechend JEDEC spezifiziert. Bei DDR400/PC3200 sieht es nicht groß anders aus, erst mit der Ankündigung seitens Intel, im Laufe des Jahres 2003 P4 CPUs mit 800MHz FSB QuadPumped zu entwickeln, wurde dieser Speicher offiziell spezifiziert. Die folgende Tabelle zeigt eine Auflistung offizieller und einiger inoffizieller Standards. Bezeichnung Name effektive Taktrate Datenbus Bandbreite PC100 SDRAM 100 MHz 64 Bit 0.80 GB/s PC133 SDRAM 133 MHz 64 Bit 1.06 GB/s PC2100 DDR MHz (266) 64 Bit 2.10 GB/s PC2100 DDR266 Dual 133 MHz (266) 2 x 64 Bit 4.20 GB/s PC2700 DDR MHz (333) 64 Bit 2.70 GB/s PC2700 DDR333 Dual 166 MHz (333) 2 x 64 Bit 5.40 GB/s PC3200 DDR MHz (400) 64 Bit 3.20 GB/s PC3200 DDR400 Dual 200 MHz (400) 2 x 64 Bit 6.40 GB/s PC4200 DDR MHz (533) 64 Bit 4.20 GB/s PC4200 DDR533 Dual 266 MHz (533) 2 x 64 Bit 8.40 GB/s PC800 RDRAM Dual 400 MHz 2 x 16 Bit 3.20 GB/s PC1066 RDRAM Dual 533 MHz 2 x 16 Bit 4.20 GB/s PC1200 RDRAM Dual 600 MHz 2 x 16 Bit 4.80 GB/s PC800 RDRAM 400 MHz 32 Bit 3.20 GB/s PC1066 RDRAM 533 MHz 32 Bit 4.20 GB/s PC1200 RDRAM 600MHz 32 Bit 4.80 GB/s Dual DDR-SDRAM Speicherlösungen bietet der neue nforce2 Chipsatz (Hersteller nvidia, für AMD Athlon/Duron Prozessor) und der E7205 Chipsatz (Hersteller Intel, für PIV Prozessoren). RDRAM in der 16 Bit Version benötigt zwei Module, daher die Bezeichnung Dual. Bei der 32 Bit Version, die aus zwei 16 Bit Modulen aufgebaut ist, existiert kein Dual Betrieb. 16

17 Bei der Spezifizierung wird eine vollständige Gesamtlösung entwickelt und spezifiziert, die Speicherchips, Module, Register und Puffer beinhaltet. Das folgende Bild (identisch mit Bild 7 und 9) soll noch mal zeigen, dass bei standardisiertem Speicher die Timings der Parameter genau vorgeben sind. Das Bild zeigt einen Vergleich von SDRAM und DDR-SDRAM. Bild 13) Vergleich der Datenübertragung, Read und Write, von SDR und DDR, bei DDR- SDRAM wird noch ein weiteres DQS Signal zur Synchronisation verwendet, Bildquelle: techchannel (Link im Anhang) Inoffizielle Standards Zu den Anfangszeiten von DDR-SDRAM als PC-Arbeitsspeicher gab es PC2100 Speicher nur mit langsamen Speichertimings ( ). Firmen wie Crucial ( ), Corsair ( ) und Samsung ( ) boten jedoch schon damals PC2100 mit schnellen Timings an. Auch aktuell gibt es von solchen Firmen schon PC3500/DDR434 Speicher mit schnellen Timings zu kaufen. Obwohl es noch keinen entsprechenden Standard gibt, so entsprechen die Riegel schon den inoffizielle Standards, halten sich also an die Vorgaben von PC2100, PC700 und PC3200. Das dieser Speicher in der Regel hält, was die Herstellerspezifikationen versprechen, zeigen Test, die man im Internet auf Hardware-Seiten findet. Einige Links befinden sich im Anhang. Bild 14) HighEnd PC3200/DDR400 Speicher aus dem Hause Corsair 17

18 Marktanteile Die Übersicht zeigt eindrucksvoll wie schnelllebig die Computer-Branche ist. Hatte PC100 SDRAM im Jahr 1999 mit über 80% den deutlich größten Marktanteil, so wurde es in den darauffolgenden zwei Jahren durch PC133 und DDR-SDRAM fast völlig verdrängt. Bild 15) zeigt Marktanteile der verschiedenen Speichertechnologien, Bildquelle: techchannel (Link im Anhang) Rambus erfüllte die hoch gesteckten Ziele, Nachfolger von SDR-SDRAM zu werden, nicht und erreichte lediglich einen Marktanteil von ca. 12%. Wegen des immer schnellerem DDR-SDRAM Speichers ist es absehbar, dass der Absatz von RDRAM in den folgenden Jahren deutlich abnimmt. Der im Jahr 2000 auf den Markt gekommene PC133 SDR-SDRAM konnte Marktanteile von PC100 abknapsen. Das lag vor allem daran, dass Intel fast nur noch Prozessoren mit 133MHz FSB auf den Markt brachte, welche auch entsprechenden Arbeitsspeicher benötigten. DDR-SDRAM hat es innerhalb von nichteinmal zwei Jahren geschafft, SDR-SDRAM (PC100 und PC133) einen Marktanteil von 40% abzunehmen. In 2002 ist der Anteil auf schätzungsweise 60-70% gestiegen. Die folgende Zusammenfassung zeigt ungefähre Schätzungen: Aussicht 2002/2003: DDR-SDRAM setzt sich durch, Marktanteil 70-80% PC100 völlig vom Markt verdrängt PC133 sinkt auf ca. 15% Rambus sinkt auf ca. 5% 18

19 Leistungsvergleich Ein Leistungsvergleich der Speichertechnologien soll zeigen, welcher Speicher für welches Einsatzgebiet die bessere Wahl ist. Die folgenden Benchmarks zeigen einen Auszug aus einem Test bei Tomshardware. Link zum Test: WinAce Test: Es wird unter Windows XP eine 178MB große WAV-Datei komprimiert. Je schneller das geschieht umso besser. Bild 16) WAV komprimierung, Angabe in Sekunden, weniger ist besser, Bildquelle: Tomshardware, Link siehe Seite 19 Durch den anhaltenden Datenstrom ist es RDRAM möglich, sich von DDR-SDRAM Systemen abzusetzen. Das liegt daran, dass RDRAM bei einem Konstanten Datenstrom die maximale theoretische Bandbreite annähernd erreicht (siehe RDRAM Seite 12 und 13). Die Ergebnisse zeigen das beim einem abhaltenden Datenstrom ein RDRAM schneller ist. 19

20 MPEG 1 Layer III Konvertierung einer WAV Datei in das MPEG1 Layer 3 Format: Bild 17) WAV komprimierung, Angabe in Sekungen, weniger ist besser, Bildquelle: Tomshardware, Link siehe Seite 19 Hierbei kommt es weniger auf die Leistung des Speicher an, sondern eher auf die gebotene CPU Leistung. Da die aber in allen Fällen im Prinzip gleich ist, fällt der Unterschied nicht groß aus. Da der Unterschied zwischen DDR333 Speicher und PC1066 RDRAM bei allen Applikations- und Audio/Video-Benchmarks sehr gering ist, verzichte ich auf eine Auflistung weiterer Werte und verweise auf den oben angegebenen Link. 20

21 Da bei aktuellen Vergleichen kein alter SDR-SDRAM mehr mit getestet wird, füge ich noch einen Testbericht des ECS K7S5A Boards an. Das Board basiert auf dem SIS 735 Chipsatz und besitzt als eines der wenigen solchen SDR- als auch DDR- SDRAM Support. Der Link zum kompletten Testberich: Office Ziff Davis WinStone2001 Zitat: Der Winstone 2001 von Ziff Davis misst die Leistung eines Systems unter Standardanwendungen und simuliert somit einen durchschnittlichen Arbeitsplatzrechner. Der Business Winstone 2001 lässt verschiedene Arbeitsabläufe weniger anspruchsvoller Officeanwendungen durchlaufen. Zu den Programm zählen: Microsoft Access 2000, Excel 2000, FrontPage 2000, PowerPoint 2000, Word 2000, Project 98, Lotus Notes R5, Netscape Communicator V4.73 und WinZip V7.0. Der Content Creation Winstone 2001 misst anspruchsvollere Multimediaanwendungen, zu denen zählen u.a. Adobe Photoshop V5.5, Premiere V5.1 und Sound Forge V4.5. Alle Auswertungen liefen unter einer Auflösung von 1024x768 Pixel und einer Farbtiefe von 32bit mit augenfreundlichen 100Hz Bildwiederholfrequenz. Bild 18) Leisungmessung durch Test mit Standardanwendungen, mehr ist besser, Bei Office Anwendungen fällt der Unterschied relativ gering aus, der Unterschied zwischen DDR-SDRAM und SDR-SDRAM beträgt weniger als 2%. Das bedeutet, dass diese Standard Anwendungen nicht von einer großen Speicherbandbreite profitieren, sondern eher von der CPU und dem Chipsatz. 21

22 Mit ALU-Einheit (Arithmetical Logical Unit, oft auch Integer-Einheit genannt) bezeichnet man die ursprüngliche Recheneinheit von Prozessoren. In diesen werden vorzugsweise alle leichten mathematischen und alle logischen Aufgaben gelöst. Die FPU-Einheit (Floating Point Unit, oft auch Fließkomma-Einheit genannt) bezeichnet eine zusätzliche Einheit, welche ausschließlich schwere mathematische Aufgaben löst. Bei dem folgenden synthetischen Sandra Memory Benchmark werden die Zugriffe der Einheiten auf den Arbeitsspeicher gemessen. Bei dem synthetischn Benchmark Sandra 2001 beträgt der Unterschied zwischen 20% und 30%. Das bedeutet, dass bei speicherintensiven Anwendungen DDR-SDRAM einen deutlichen Vorteil hätte. Bild 19) synthetischer Speichebenchmark, mehr ist besser Bei dem synthetischn Benchmark Sandra 2001 beträgt der Unterschied zwischen 20% und 30%. Auch wenn es nur synthetische Benchmark ist, so zeigt das Ergenis, dass bei speicherintensiven Anwendungen DDR-SDRAM einen deutlichen Vorteil hat. 22

23 Zusammenfassung Es zeigt sich, dass die Industrie mit DDR-SDRAM auf das richtige Pferd gesetzt hat. Der Speicher ist schnell, günstig und wird vom Markt angenommen. RDRAM stellt derzeit nur noch eine Nischenlösung dar, für HighEnd & Profisysteme interessant, ansonsten aber eher bedeutungslos. Die schnellen DDR-SDRAM Systeme mit PC2700 Support haben auf PC1066 RDRAM aufgeschlossen, so dass der frühere Geschwindigkeitsvorteil von RDRAM nicht mehr existiert. Die Marktanteile zeigen eindrucksvoll, wie schnelllebig diese Branche ist. Die einzelnen Technologien waren 2-3 Jahre aktuell und wurden dann duch neuere ersetzt und verschwanden recht schnell vom Markt. So ist es PC100 ergangen und auch PC133 und so wird es in 2-3 Jahren auch DDR-SDRAM ergehen. Was bringt die Zukunt? Die DDR-II Entwicklung, als PC-Arbeitsspeicher, hat sich aufgrund von DDR400 verzögert. Das hat zur Folge, dass DDR-II nicht wie erhofft bereits Mitte 2003 die Marktreife erreicht, sondern frühestens 2004, wenn nicht sogar erst Bis dahin wird man auch in der Lage sein, ICs im 0.09µm Fertigungsprozess herzustellen, was derzeit noch nicht mögich ist. Zu DDR-III kann man eigentlich nichts sagen. Die Gerüchte, die man liest, können sich schneller ändern, als einem lieb ist. Wenn wir davon ausgehen, dass jede Speichertechnologie ca. 3-4 Jahre aktuell ist, können wir frühestens ab dem Jahr 2007 mit DDR-III rechnen. Empfehlung? Angesichts der Tatsache, dass gerade ein Dual Channel DDR Chipsatz von nvidia, der nforce2, für AMD Prozessoren und einer von Intel, der E7205 für den Pentium 4, rausgekommen sind, ist es fraglich, ob man sich wirklich HighEnd Speicher antun muss. Auch wenn gerade Boards mit dem E7205 ca. 50 teurer als Boards mit dem Vorgängerchipsatz i845pe sind, so kann man doch beim Kauf von Speicher Geld sparen, indem man statt zu einem großen (512MB) und teurem PC2700 oder PC3200 lieber zu zwei kleineren (2 x 256MB) und günstigen PC2100 Speicherriegeln greift. Die verfügbare maximale theoretische Speicherbandbreite ist mit 4.2 GB/s deutlich großer als die 2.7GB/s bzw. 3.2GB/s. 23

24 Quellenangaben Hier ein kleiner Auszug von Quellen: Jedec.org: Standardisierung von Speichertechnologien RAMBUS, SDRAM, DDR-SDRAM, Vergleiche, Aufbau und viele weitere Informationen: o Rambus in Detail: o Alles zu PC100/PC133 SDRAM o So funktioniert DRAM o DRAM Speichertypen im Detail Alle Speichermodule im Überblick: Speicher FAQ von heise.de 12 DDR333 Module im Test bei Hardwareluxx.de DDR400 Roundup bei Hardwarluxx.de RAMBUS: DDR-Speicherperformance: Rambus -Boards bei Tomshardware: DDR-SDRAM und SDR-SDRAM im Vergleich auf dem ECS K7S5A Board: Aktuelle Boards mit i845pe Chipsatz und DDR333 Support im Vergleich mit einem i850e und PC1066 Boardt: Alternativ: Suchmaschinen wie z.b.: 24