Переходим с DDR4 на DDR5

29.03.2023 | Станции

За любым новым стандартом стоит многолетний труд. Объем работы над спецификацией памяти DDR5 легко оценить по иллюстрации из документа JEDEC – комитета по стандартизации полупроводниковой продукции:

Это упрощенная диаграмма. Она показывает возможные переходы из одного состояния в другое и команды для управления ими. Память DRAM имеет входы тактового генератора, сброса, выбора микросхемы, адреса и данных и т.д. Картинка приведена с целью отпугнуть от дальнейшего чтения.

DDR4 остановилась в своем развитии на 16-гигабитных чипах, что позволяло создавать модули 32ГБ UDIMM/SODIMM и 64ГБ RDIMM. DDR5 может использовать 64-гигабитные модули. Это позволит в будущем иметь планки до 2ТБ. «Бытовой» сектор, скорее всего сможет дорасти до 128ГБ на модуль. Но, поскольку сейчас в производстве используются 16 гигабитные чипы, 32ГБ на модуль - наш удел.

По сравнению с DDR4 банковские группы памяти DDR5 увеличились с 4 до 8, а общее количество банков увеличилось с 16 до 32. Количество банковских групп удвоено, что способствует увеличению объема передаваемых данных, тем самым оптимизируя общие временные параметры. Увеличение числа банков с 16 до 32 позволяет открывать больше страниц подряд. DDR5 также имеет функцию обновления одного банка (SBRF), позволяющую обновлять один банк на группу, а не все банки.

Спецификация определяет скорость передачи данных от DDR5-3200 до DDR5-6400. DDR4 в свое время начинала с минимальной границы 1600, производители DDR5 стартовали с отметки 4800.

Количество контактов на модуле осталось прежним, 288, но изменилась распиновка. Ключ на модуле сдвинут. Теперь, чтобы установить планку DDR5 в слот DDR4, надо иметь характер и сильные руки.

Память DDR5 разработана с новой канальной архитектурой, обеспечивающей два набора полностью независимых 32-битных подканалов (у DDR4 один 64-битный канал) . Режим двойной пропускной способности не только повышает общую производительность, но и эффективно сокращает время задержки доступа и повышает эффективность канала.

Серверная память DDR5 RDIMM имеет два 40-битных подканала, добавляя 8 бит к существующим 32 битам каждого канала для поддержки механизма обнаружения и коррекции ошибок ECC. Конструкция RCD (Registering Clock Driver) позволяет дополнительно снизить нагрузку на центральный процессор, усилить целостность сигнала и уменьшить помехи.

У DDR5 выше энергоэффективность. Рабочее напряжение снижено с 1,2В у DDR4 до 1,1В. Это штатные величины. Как мы помним, выйдя за пределы спецификации можно было достигнуть и DDR4-5000 при 1,6В. Скорее всего, DDR5-6800 мы получим при питании в 1,35В.

Радикальные изменения произошли в регулировании питания. Вместо традиционного метода управления через материнскую плату память DDR5 оснащена ИС управления питанием (PMIC), которая может более эффективно управлять нагрузкой на систему и повысить эффективность преобразования энергии. Это позволяет производителям памяти гибко реагировать на запросы клиентов включая в PMIC дополнительный функционал для повышения надежности, мониторинга температуры - улучшая огибающую мощности как в состоянии полной полосы пропускания, так и в состоянии пониженного энергопотребления.

С одной стороны, такое решение потенциально упрощает, следовательно, удешевляет материнские платы (не заметили), с другой стороны, усложняет и удорожает модули памяти (заметили). Теперь производители модулей не только в зависимости от производителей чипов памяти но и от какой-нибудь Integrated Device Technology, Inc выпускающей PMIC.

В настоящее время существует две спецификации PMIC. DDR5 UDIMM и SODIMM, которые используют 5 В PMIC; для серверных приложений серверная память DDR5 RDIMM использует 12 В PMIC.

Исследование всего парка серверов Facebook в течении 14 месяцев выявило, что большинство ошибок памяти связаны с контроллером памяти и каналом памяти. Вместе с тем исследование показало, что рост плотности чипов памяти, увеличение их количества на модуле и рост ширины шины вызывают рост количества ошибок от поколения к поколению памяти. Вопреки распространенному мнению, ошибки памяти не всегда являются единичными событиями и могут нанести удар по серверу (если не обработать их должным образом), создавая своего рода атаку на отказ в обслуживании.

On-die ECC (ODECC) - еще одна из важнейших особенностей спецификации DDR5. Эта технология призвана бороться с ростом количества ошибок связанных с увеличением плотности компоновки DDR5. К сожалению, защита ограничена массивами памяти внутри микросхем - как только данные выходят за пределы модуля DIMM, они становятся самостоятельными. Встроенный ECC не обеспечивает никакой защиты для данных в пути, поэтому встроенный ECC не является правильнойполной реализацией ECC.

Не стоит забывать, что встроенный ECC требует дополнительной емкости для хранения четности, что представляет собой еще одну причину роста стоимости DDR5 (в дополнение к PMIC). Встроенный ECC не заменит стандартный ECC, но оба варианта будут использоваться в серверной и корпоративной среде.
 

Кратко, о мотивах и основных вехах перехода на DDR5.

Многоядерность CPU
Чем больше у процессора ядер, тем меньше доступная пропускная способность памяти на ядро. Благодаря фундаментальным изменениям в архитектуре DRAM эффективная пропускная способность DDR5 в два с лишним раза больше, чем у DDR4 – что важно для многопоточной нагрузки с интенсивным использованием памяти

Питание и управление им

Стандартное рабочее напряжение для DDR5 составляет 1,1 В по сравнению с 1,2 В для DDR4. Даже без учета разгона DDR5 оставляет больший простор для управления эффективностью. Чип интегральной схемы управления питанием (PMIC) находится на самом модуле DDR5 DIMM. Для DDR4 он располагался на материнской плате.

Удвоение

Стандарт DDR5 предлагает удвоенное количество групп банков памяти, удвоенную длину пакета и два независимых 32-битных канала на модулях памяти без ECC. DDR4 имел один 64-битный канал.

On-die ECC

Встроенная в модули коррекция ошибок не заменяет, но дополняет стандартные проверки ECC – которые по-прежнему выполняет процессор при поддержке материнской платы. Плотность компоновки DDR5 потребовала расширения механизмов защиты данных в памяти.

 

Создатели контента, практики математического моделирования, инженеры, работающие с большими объемами данных, многозадачные пользователи — все извлекают пользу от процессоров с большим количеством ядер. DDR5 лучше подходит для многопоточности, чем DDR4. С ростом популярности и снижением цен на модули DDR5 остается все меньше причин воздерживаться от технологий последнего поколения.

В статье использованы материалы Apacer