DDR2 - Die Grundlagen

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1 DDR2 - Die Grundlagen Alles wird schneller! Einleitung Auf den ersten Blick sieht ein DDR2-Modul aus wie ein seit eh und je bekannter Speicherriegel. Ein wenig über 13 cm lang und rund 3 cm hoch. Doch nicht nur intern hat sich viel getan. Den Anfang machen - auf den zweiten Blick - die unscheinbaren 240 Kontakte, die die neuen Riegel mit dem Mainboard verbinden. Damit ist der bisherige DDR-Sockel - rein von der mechanischen Seite gesehen - bereits für den neuen Standard gestorben. Hinzu kommt die deutlich geringe Spannung, die von Nöten ist, um die neuen DDR2-Module zum Laufen zu bringen. 1,8 Volt stehen hier nur noch auf dem Papier. Was es mit all diesen Details auf sich hat, warum DDR2 so spät gekommen ist, was hinter der so wichtigen Tätigkeit Validierung steckt und vieles weitere mehr wollen wir in diesen DDR2-Grundlagen klären. Der neue Standard Einen Standard, den der weltweite Markt akzeptiert, bekommt man nur mit der Zusammenarbeit der größten Firmen hin. In Punkto Arbeitsspeicher ist dies die JEDEC. Die JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) setzt sich derzeit aus etwas über 300 Firmen zusammen, die alle zur Chipsatz- und Speicher-Hersteller-Familie gehören. Dass diese Firmen sich nicht immer besonders grün waren und sind, zeigen eine Reihe an Beispielen aus der Vergangenheit. Lief bei der Präsentation von DDR333 noch alles in geregelten Bahnen, wurde es ab diesem Zeitpunkt doch deutlich schwieriger. Hatte man anfangs noch angenommen, dass nach DDR333 als offizieller Standard wohl gleich DDR2 kommen würde, wie es eine unserer Newsmeldungen vom März 2002 zum Thema hatte, ging das Ganze dann doch nicht so schnell von Statten, wie es sich einige Mitglieder der JEDEC erhofft hatte. Vorreiter war ein weiteres Mal Intel, wenn auch eher in negativer Hinsicht. Der Chipriese wehrte sich gegen die Einführung von DDR400-Speicher und wollte DDR2 schon viel früher auf den Markt bringen, was ein Blick auf die schon erwähnte Meldung zeigt, nach deren Wortlaut eine Markteinführung von DDR2 für Anfang 2003 vorgesehen war. Da die Speicherhersteller jedoch mit der Entwicklung auf dem Papier in der Praxis nicht Schritt halten konnten, das Ganze unter diesen Umständen exorbitant teuer geworden wäre und letztendlich - auch wenn es banal klingen mag - die Module nicht zwingend benötigt wurden, schlug man seitens Intel mit der Einführung von Canterwood und Springdale letztendlich doch noch einen anderen Weg ein. Man presste nun plötzlich mit aller Gewalt den DDR400-Standard durch, indem man anfing, Module von Herstellern, die Intels Auflagen erfüllten, zu validieren. Ende Februar 2003 war es dann endlich soweit und die ersten Module unter offiziellem JEDEC- DDR400-Standard schwemmten auf den Markt. Die Spezifikationen für DDR400 änderten sich gegenüber den Vorgängern doch recht eindeutig. Beispielsweise seien hier die leicht erhöhte

2 Spannung (2,5 V bei DDR333, 2,6 V bei DDR400) und die entschärften Timings genannt. Das Ende der ersten Generation von DDR-Speicher neigt sich nun jedoch wirklich und unwiderruflich dem Ende entgegen - und wieder ist Intel der Initiator. Zwar gibt es mittlerweile schon Arbeitsspeicher, der DDR600 bietet. Offizieller Standard wird alles über DDR400 dennoch nicht mehr werden. Die Spezifikationen für DDR2 gibt es hingegen schon eine ganze Weile, genauer gesagt seit dem 12. September Wir wollen auf der kommenden Seite einen genauen Blick darauf werfen. Technische Gegebenheiten In der Einleitung schon kurz angerissen und jetzt noch etwas ausführlicher: Rein von der Optik her erkennt ein Laie den Unterschied kaum, ob er ein DDR1- oder DDR2-Module vor sich liegen hat. Eine kleine Auffälligkeit ist mit Sicherheit die Anzahl der Kontakte bei DDR2 gegenüber 184 bei DDR-Modulen. Und es gibt auch DDR2-Module mit 200 (SO-DIMM), 214 (Micro- DIMM) und 244 (Mini Registered DIMM) Kontakten. Die Speicherchips, die bisher nur in Ausnahmefällen im FBGA-Chips (Fine-Pitch Ball Grid Array) gefertigt wurden (und nicht mehr auf das so genannte TSOP (Thin Small Outline Package) setzten), sind nun fest in den Spezifikationen von DDR2 verankert. Die Speicherchips sehen also von außen erheblich kleiner aus - nur WLSCP besitzt noch kleinere Ausmaße. Die Änderungen beim neuen Speicher stecken also im Inneren, im Detail. Um dieses ein wenig verständlich zu machen, müsssen wir allerdings ein wenig ausholen. Beim altbekannten SDR-SDRAM, das SDR steht für Single Data Rate, takten Chip-Kern (er nimmt rund 90% des Speicher-Chips ein), I/O-Buffer (ein im Speicher-Chip integrierten Zwischenspeicher, rund 10% Platzbedarf) und externer Speicherbus mit der gleichen Frequenz. Stellt man sich nun eine sinusförmige Schwingung vor, werden Datenpakete nur bei einer aufsteigenden Kurve übertragen. Zustande kommt somit eine Speicherbandbreite von etwas über 1 GB/s - PC133- SDRAM war geboren (1 Bit * 133 MHz * 64 Bit (Bandbreite) = 1064 MB/s). Die Neuvorstellung von DDR-Speicher änderte im Prinzip nur das Folgende: In der bekannten Sinusschwingung werden nun sowohl in der steigenden als auch in der fallenden Kurve Daten übertragen - sprich Double Data Rate. Bei gleichen Ausgangsbedingungen werden Pro Takt nun 2 statt bisher 1 Bit übertragen (2 Bit * 133 MHz * 64 Bit (Bandbreite) = 2128 MB/s). Damit stieg die effektive Datenfrequenz am Speicherbus von 133 auf 266 MHz und lieferte so eine ungefähre Bandbreite von 2,1 GB/s - PC2100 als Standard war geboren. Die nächste Evolutionsstufe kommt nun mit DDR2. Intern bleibt aber nach wie vor alles beim Alten: 133 MHz (und damit ein ganzes Stück hinter den Taktraten von DDR400 zurück). Beim DDR2- Speicher taktet der I/O-Buffer mit der zweifachen Frequenz des Chip-Kerns. Damit der Puffer- Speicher im Idealfall auch doppelt so viele Daten erhält, wird die Schnittstelle zwischen Chip-Kern und dem I/O-Buffer auf vier Leitungen, dem sogenannten Prefetch of 4, verbreitert. Beim DDR- Speicher war diese doppelt, beim SDRAM einfach angebunden. Danach folgt im Prinzip das gleiche Spiel wie beim DDR-Speicher: Weil der I/O-Buffer schon mit doppeltem Takt arbeitet und dieser durch Double Data Rate nochmals verdoppelt wird, bietet man letztendlich eine Bandbreite von rund 4,3 GB/s, was genau dem offiziellen Standard für die PC4300/DDR2-533-Module entspricht. Alles in Allem hat man nun eine vier Mal so hohe maximale Datenübertragungsrate wie ein damaliges SDR-SDRAM-Modul nach dem PC133-Standard, obwohl der Chip auch weiterhin mit 133 MHz läuft. Auf gut Deutsch und die Theorie ein wenig vereinfachend: Um die gleiche maximale Übertragunsrate wie bisheriger DDR-Arbeitsspeicher zu erreichen, kann DDR2 intern mit der halben Frequenz betrieben werden. Der Vorteil wird dann auch recht schnell offensichtlich. Wegen des geringeren Taktes wird das Modul intern nicht so stark belastet, wodurch die verbauten Chips mit nur noch 1,8 Volt auskommen, was natürlich eine deutlich geringere Wärmentwicklung zur Folge hat. Da man intern beim neuen DDR2-Speicher aber im Vergleich zu DDR-RAM doppelt so breit anbindet, bleibt die theoretische Maximalbandbreite gleich. Die Timings sind beim neuen Speicher im Vergleich zum bisherigen allerdings (noch) als deutlich schlechter anzusehen und fressen so,

3 durch den höheren Verschnitt bedingt, einen Teil des potentiellen Geschwindigkeitsgewinnes direkt wieder auf. Timings und Terminierung Denn neben der reinen Taktfrequenz des Speicher-Kerns ist die tatsächlich erreichte Bandbreite auch von der Latenzzeit abhängig. Die Latenz gibt dabei die Zahl der Takte an, die benötigt werden, um die Daten bereitzustellen. Da die Wahrscheinlichkeit, dass der I/O-Buffer von DDR2- Modulen bei Zugriffen immer über alle vier Pipelines versorgt wird, niedriger ist als bei DDR-RAM mit zwei Pipelines, sinkt die Effizienz von DDR2 etwas. Kombiniert mit den augenscheinlich relativ schlechten Timings, in Bezug auf auf aktuelle DDR400-Module, und die theoretisch gleiche Speicherbandbreite, werden DDR2-Speicherriegeln anfangs wohl um die 5-10 Prozent langsamer sein als ein vergleichbares Produkt auf Basis von DDR-SDRAM. Die Hersteller haben mittlerweile aber angefangen, neben Modulen mit Timings von auch Module mit anzubieten. Diese gibt es aber erst für DDR2-400, bei DDR2-533 sind solche Riegel noch Fehlanzeige. Ein Dokument von Micron gibt sehr gute Aufschlüsse über die Situation mit den Timings, würde in dieser ausladenden Form aber den Rahmen des Artikels sprengen. Soviel sei gesagt: Typische Latenzzeiten liegen zwischen 12 und 20 ns. Durch diese Gegebenheiten sind derzeit keine anderen Timings als 3, 4 oder 5 möglich (siehe Bild). Wer jetzt dennoch mehr Interesse an den Timings, Latenzzeiten und mehr bekommen hat, der sollte einmal bei Lost Circuits vorbeischauen. Dort hat Michael Schuette, Sr. Application Engineer bei OCZ, den wohl umfangreichsten, aber auch hochtechnischen Artikel zu diesem Thema verfasst. Eines bleibt auch durch den kleinen Abriß - was die Timings anbelangt - am Ende zu vermerken: Der vermeintliche Nachteil der hohen Latenzen und augenscheinlich schlechten Timings wird sich mit steigenden Frequenzen in Luft auflösen. Und genau dafür ist DDR2 entwickelt worden. Ein Wort noch zum neuen Feature der Bus-Terminierung. DDR2-Speicher verfolgt einen neuen Weg, um Interferenzen zu vermeiden, welche zwangsweise die Transferraten des Moduls senken. Auf einem DDR2-Chip sitzen die Widerstände für die Terminierung direkt auf dem Speichermodul, die sogenannte On-Die Termination. Der Speicher-Controller sendet nun ein Signal auf den Bus aus, das alle inaktiven DDR2-Chips dazu veranlasst, auf Terminierung umzuschalten. Somit befindet sich nur das aktive Signal auf der Datenleitung, Interferenzen sind so gut wie ausgeschlossen. Bisher, also bei DDR-Speicher, liegt am Ende des Busses auf dem Mainboard ein geerdeter Widerstand, der die Störsignale an den I/O-Schnittstellen des Speichers abfängt. Hierbei entstehen auf dem Speichermodul aber Interferenzen, da jedes Signal auf seinem Datenbus von benachbarten Komponenten reflektiert wird. Je mehr Speicher nun also installiert ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Reflexion. Die neue Variante sorgt also dafür, dass ein aktives Signal störungsfrei übertragen wird, was folgerichtig zu einer unkomplizierteren Entwicklung und Herstellung von DDR2-Modulen führt. Zusammengefasst noch einmal die wesentlichen Merkmale und Vorteile von DDR2 SDRAM: o Herstellungsprozeß in 100 bis 130 nm o FBGA-Chips (Fine-Pitch Ball Grid Array) o daraus folgt: rund 50% kleinere Chips (126 mm² zu bisher 261 mm²) o On Die Termination o Modulgrößen von 128 MB bis 4 GB o Vier Varianten: 200, 214, 240 und 244 Pins o Höhere Geschwindigkeiten ( MHz) o Höhere Bandbreite (sh. Tabelle=) o CAS Latency von 3, 4, 5 o geringe Spannung (1,8 Volt) o deutlich geringerer Leistungsbedarf (247 mw zu bisher 527 mw)

4 Chip- Klassifizierung Modul- Frontside Klassifizierung Bus DDR2-Varianten und Klassifizierung Speichergeschwindigkeit Bandbreite pro Modul Bandbreite Dual- Channel DDR2-400 PC MHz 400 MHz 3,2 GB/s 6,4 GB/s DDR2-533 PC MHz 533 MHz 4,3 GB/s 8,6 GB/s DDR2-667 PC MHz 667 MHz 5,3 GB/s 10,6 GB/s DDR2-800 PC MHz 800 MHz 6,4 GB/s 12,8 GB/s Die Hersteller Auf Intels Validierungsliste finden wir derzeit viele bekannte Namen. Speicherriesen wie Elpida und Micron stehen dort ganz oben, nachdem Intel mit dreistelligen Millionenbeträgen mehr oder weniger dafür gesorgt hatte, dass DDR2 endlich Fahrt aufnimmt. Aber auch andere Firmen sind mittlerweile dort vertreten. Ganz vorn dabei sind natürlich Samsung und Hynix, aber auch Infineon und Nanya haben Speicherchips nach DDR2-Standard im Programm, die auch schon Intels Test bestanden haben. Intels Validierung müssen nicht alle Hersteller durchlaufen (es wäre allerdings von Vorteil, wenn man das an dieser Stelle mal so ausdrücken darf). Die Validierung seitens Intel ist dabei der Zwischenschritt zwischen Prototypenstatus mit wenigen Mustern und der letztendlichen Serienfertigung. Intel nimmt dabei alle Module, sowohl für Notebooks, Server- Systeme als natürlich auch für Desktop-PCs, ab. Die Speicherriegel müssen dabei unterschiedliche Tests in Intels Laboren bestehen. Waren diese erfolgreich, landen die Hersteller zu guter Letzt auf der Liste der validierten und somit empfohlenen Speicherchips. Diese ist natürlich nur eine Empfehlung, schaden dürfte ein Eintrag dort aber sicherlich nicht. Intel und AMD Was machen die beiden Firmen, um die sich bei dieser Sache mit dem neuen Speicher letztendlich alles dreht. Klar ist, was Intel machen wird. Die derzeitigen FSB800-Prozessoren von Typ Northwood, Prescott und Extreme Edition werden mit Einführung des neuen Sockels LGA 775 und den neuen Chipsätzen Tumwater und Lindenhurst auf der Serverseite, Grantsdale und Alderwood bei den Desktop-PCs, DDR2 unterstützen. Deshalb waren sie auch einer der Vorreiter, die diesen neuen Standard durchgedrückt haben. Dementsprechend sehen auch Intels Zukunftspläne in Bezug auf DDR2 aus. Komplette Unterstützung auch in der nächsten Generation der Prozessoren, sowohl bei den Desktop-PCs als auch bei Servern und Workstations. Sollen diese ja auch auf einen FSB von 1066 MHz, später sogar auf 1200 MHz setzen, ist der neue Speicher mehr als gefragt. Genau für die Bandbreite, die dann möglich ist, eignet sich der neue Speicher besonders im Dual-Channel-Modus hervorragend. Aber was macht AMD? Unterstützen werden sie DDR2 auf jeden Fall, soviel steht fest. Die alles entscheidende Frage ist nur: Wann? AMD möchte die Unterstützung von DDR2 vor allem an der breiten Verfügbarkeit für den Endkunden, einem lohnenden Performancegewinn und dem wohl nicht zu unterschätzenden Preisfaktor für die kommenden DDR2-Module fest machen. Somit steht weiterhin die Spekulation im Raum, dass DDR2 erst Mitte 2005 von AMD unterstützt werden wird. Dies könnte mit der Präsentation der neuen Dual-Core-Prozessoren Mitte 2005 einhergehen, was das Gesamtpaket neuer Prozessoren inklusive gutem Speicher mehr als abrunden würde. Doch dies sind bisher reine Spekulationen. Ausblick und Fazit Was bleibt nun am Ende des ganzen theoretischen Batzens als Ergebnis übrig? Soviel steht fest: DDR2 ist die logische Weiterentwicklung vorhandener Technologien. DDR2 macht alle möglichen Neuerungen durch, um der Speicher der kommenden Jahre zu werden. Sieht es anfangs vielleicht noch nicht danach aus, wird DDR2 trotz all der kleinen Hindernisse den Durchbruch schaffen. Sicherlich dürfte das im Jahr 2004 nicht mehr der Fall sein, dies haben auch die Hersteller der neuen Module schon begriffen. Da DDR3, und damit sind wir noch einen Schritt weiter voraus, nicht vor 2007 erwartet wird, steht DDR2 jedoch in der Pflicht und wird sie erfüllen. Der Preis wird dabei Anfangs allerdings keine große Hilfe sein. Preise von derzeit rund 200 US-Dollar für ein 512 MB- Modul lassen die Kunde zurückschrecken, da andere Komponenten, die zu einem DDR2-System gehören, nicht gerade billiger ausfallen werden. Lassen wir unseren Blick nun noch einmal kurz in die Zukunft schweifen. FBDIMM und DDR3. Dies sind die Schlagworte der nächsten Jahre. Während DDR3 mit den Frequenzen von 800, 1066 und

5 1333 MHz ab dem Jahre 2007 das Zepter übernehmen soll, steht im Jahr 2005 erst einmal FBDIMM (Fully-Buffered DIMM) auf dem Papier. Auf der Suche nach immer höheren Datentransferraten, gerade im Bereich der Server, soll FBDIMM für neue Maßstäbe sorgen. FBDIMM sorgt mit einer neuen Bus-Technologie für einen optimierten Datentransfer. Ein FBDIMM-Memory-Controller kann so beispielsweise bis zu 196 GB Speicher verwalten, welcher dazu noch mit der vierfachen Geschwindigkeit gegenüber herkömmlichen DDR2 arbeitet. Doch dies ist nur ein Ausblick auf 2005 und darüber hinaus, denn zusammengefasst lässt sich sagen: Es dreht sich auch in Zukunft alles weiterhin um mehr Bandbreite.