Ddr4 ddr3 сравнение: DDR3 или DDR4: отличия, совместимость, в чем разница и что лучше для игр?
Содержание
Теоретические различия памяти стандартов DDR3 vs DDR4
18.06.2019
ОЗУ
технологии
память
Теоретические различия памяти DDR3 vs DDR4
Разработка стандарта DDR4 началась ассоциацией JEDEC взялась еще в 2005 году. В это время полным ходом продавались планки памяти DDR2, и только намечался серийный выпуск модулей DDR3. Ещё в то время инженеры понимали, что возможности стандартов будут ограничены, и будут ограничивать, либо и вовсе не соответствовать уровню остальных комплектующих ПК.
После выпуска платформы Socket LGA 1151 наконец-то получилось сравнить между собой стандарты памяти DDR3 и DDR4 в равных условиях. Для начала стоит более детально понять теоретические различия между типами модулей памяти.
Дело обстоит не только в разнице пропускной способности памяти, но также в таких важных характеристиках, как энергопотребление модулей и объем их памяти.
Увеличение пропускной способности
От работы модулей памяти напрямую зависит пропускная способность подсистемы памяти. В реальных условиях эксплуатации пользователь может и не ощутить большого прироста от установки более производительных комплектов, ведь не все приложения постоянно обмениваются большими объемами данных.
Но в то же время, если говорить о специализированных программах, например фото и видеоредакторы, системы проектирования или программы для создания 3D моделей и анимации, то результат от применения скоростных модулей уже будет намного существеннее. Также высокая пропускная способность подсистемы памяти важна при использовании встроенной графики. Ведь у iGPU нет доступа к быстрым чипам GDDR5, поэтому вся необходимая ему информация помещается в оперативную память ПК. Соответственно, в данном случае установка более производительных комплектов памяти напрямую будет влиять на количество FPS на экране.
Базовая частота работы DDR3 модулей находится в диапазоне от 1066 до 1866 Мгц. У актуальной на сегодня DDR4, минимальная частота стартует с отметки 2133 Мгц.
С точки зрения разгонного потенциала, DDR4 имеет явный перевес, на сегодня максимально достигнута частота в 5608 Мгц. Рекордной частотой для модулей DDR3 является частота в 4620 МГц, которая была достигнута лишь спустя 7 лет после появления на рынке стандарта DDR3.
Улучшенные показатели энергоэффективности.
Изменения затронули в том числе, и энергопотребления модулей DDR4, основным из которых является возможность работы на более низких напряжениях. Для работы модулей памяти с номинальной частотой в 2133 Мгц достаточно 1,2В, что на 20% меньше, чем у предшественника (1,5В). Правда со временем на рынок вышла более энергоэффективная память DDR3L и DDR3U с напряжением 1,35В и 1,25В.
Также в DDR4 памяти ввели модернизированный интерфейс ввода/вывода данных под название POD «Pseudo-Open Drain».
От используемого ранее SSTL (Series-Stub Terminated Logic) он отличается отсутствием утечки тока на уровне драйверов ячеек памяти.
Внедрение и использование всего комплекса энергоэффективных технологий должно привести к 30%-му выигрышу в энергопотреблении. С точки зрения настольного ПК это может казаться и несущественным показателем, но если речь дет о портативной электронике, (ноутбуки, ультрабуки), то 30% — вовсе не маленький показатель.
Модернизированная структура памяти
Память DDR3 в максимальной конфигурации содержит 8 банков памяти, тогда как в DDR4 доступно уже 16 банков. При этом длина строки в структуре чипа DDR3 составляет 2048 байт, а в DDR4 — 512 байт. В результате новый тип памяти позволяет быстрее переключаться между банками и открывать произвольные строки.
DDR4 микроархитектура использует 8-гигабитные чипы, модули стандарта DDR3, как правило создаются на основе микросхем с емкостью 4 Гбит. Из этого следует вывод, что при одинаковом количестве чипов, объем будет большим в два раза.
Минимальный объем планки памяти DDR4 равен 4 Гигабайтам, что касается максимального объема то он достигает 64 Гб для серверных модулей DDR4, а для десктопных систем наиболее популярные решения на рынке имеют размер 8-16 Гб.
Увеличение всех основных характеристик модулей памяти, не повлияли на размер планок памяти, они остались сопоставимы. DDR4 имеет размер 133,35 x 31,25 мм против 133,35 x 30,35 мм у DDR3 соответственно. Физически изменилось только расположение ключа и количество контактов (количество которых увеличилось с 240 до 288). Установить новые модули памяти в слот DDR3 не получится, как и наоборот, ввиду физических различий.
В новом стандарте предусмотрено использование более прогрессивной шины взаимосвязи с контроллером памяти. В стандарте DDR3 применяется интерфейс Multi-Drop Bus с двумя каналами. Когда задействованы сразу 4 слота, получается, что два модуля подключены к одному каналу. Это сказывается не самым лучшим образом на производительности подсистемы памяти.
Более прогрессивная схема использование реализована в стандарте DDR4, один модуль на один канал памяти. Название нового типа памяти — Point-to-Point Bus. Параллельный доступ к слотам однозначно лучше последовательного, поскольку в дальнейшем позволяет более эффективно наращивать скорость работы всей подсистемы памяти. Наиболее явно пользователи могут это ощутить, когда возрастут объемы передаваемой информации. По такой же схеме развивались видеопамять GDDR и интерфейс PCI Express. Только использование параллельного доступа позволило увеличить их производительность.
Но в то же время шина памяти используемая в DDR4, создает определенные ограничения на количество используемых модулей. В этом случае, двухканальный контроллер может обслуживать только два слота, а четырехканальных — четыре. Если использовать планки памяти увеличенного объема, это не является столь критично, но все же на первых порах может вызвать определенные неудобства.
Решается эта проблема довольно простым способом − путем установки специального коммутатора (Digital Switch) между контроллером и слотами памяти.
По принципу своего действия он напоминает коммутатор линий PCI Express. В результате пользователю, как и прежде, будет доступно 4 или 8 слотов (в зависимости от уровня платформы), при этом будут использоваться все преимущества шины Point-to-Point Bus.
Обнаружение и коррекция ошибок в памяти DDR4
Работа памяти на высокой скорости с большими стеками данных увеличивает возможность возникновения ошибок, поэтому инженеры при разработке стандарта DDR4 позаботились о том, чтобы механизм их обнаружения и предупреждения работал безотказно. В новых модулях использовались такие подходы как, поддержка функции коррекции промахов, связанных с контроллером четности команд и адресов, а также проверка контрольных сумм перед записью данных в память. На стороне же самого контроллера появилась возможность тестирования соединений без использования инициализирующих последовательностей.
Оперативная память и SSD во всем мире стремительно дорожают, и пока не планируют дешеветь
Техника
|
Поделиться
На мировом рынке оперативной памяти сформировалась тенденция к устойчивому росту цен на все распространенные форматы модулей.
Всего за месяц стоимость чипов DDR4 емкостью 4 Гбит подскочила почти на 7%, а устаревшие DDR2 1 Гбит – и вовсе более чем на 10%. SSD-накопители тоже не дешевеют – к концу II квартала 2021 г. накопители корпоративного класса станут дороже на 5%, а пользовательские SSD – на 8%.
Память снова в цене
Поставщики оперативной памяти резко повысили контрактные цены на модули оперативной памяти. Согласно отчету TrendForce, ситуация затронула как актуальный стандарт DDR4, так и устаревшие модули DDR3 и DDR2.
Основной причиной подорожания стал дефицит полупроводниковой продукции, с которой столкнулась не только компьютерная, но и автомобильная индустрия. Дополнительным фактором стал ежегодный рост мирового рынка DRAM, каждый год начинающийся в I квартале.
В первую очередь рост цен коснулся так называемых «нишевых» чипов памяти с очень узкой областью применения, а также модулей начального уровня, с минимальной по современным меркам емкостью.
Для примера, по итогам февраля 2021 г. модули DDR3 с емкостью 4 Гбит подорожали на 6,79%, если сравнивать с январем 2021 г.
Рост цен на чипы DRAM спровоцирует удорожание и самих планок оперативной памяти
Еще сильнее подорожали чипы DDR3 2 Гбит – их цены выросли на 8,93% всего за месяц. Меньше всего рост коснулся ряда модулей современного стандарта DDR4 – например, чипы с емкостью 8 Гбит, нередко использующиеся в планках оперативной памяти для компьютеров, ноутбуков и серверов, стали дороже на 4%. В то же время DDR4 4 Гбит теперь стоят почти на 6,6% дороже, чем месяцем ранее, но рекорд принадлежит DDR2 1 Гбит – почти 10,1% за месяц.
Переориентация на устаревшие стандарты
Тот факт, что модули памяти DDR3 дорожают активнее на фоне более актуальных DDR4, делает их более прибыльными для производителей, и те начали менять свои планы относительно постепенного сокращения объемов их производства. Одной из первых отреагировала американская Micron – она сперва начала сокращение производства DDR3 и планировала постепенно увеличивать его темп, но вместо этого в январе-феврале 2-2021 г.
начала снижать его.
10-процентное подорожание DRAM-чипов всего за месяц может быть лишь началом
Аналогичная ситуация сложилась и в корейской Samsung. Компания собиралась вывести часть производственных линий по выпуску старых типов DRAM-памяти и переоборудовать их под выпуск CMOS-сенсоров, но теперь эти планы перенесены на более поздний срок. Даже SK Hynix, еще один крупный производитель полупроводниковой продукции, отказался от затеи по сокращению выпуска DRAM на своем заводе М10.
В TredForce называют Samsung, Micron и SK Hynix основными игроками на рынке DRAM. Аналитики компании отмечают, что более мелкие производители берут с них пример: в частности, тайваньская Nanya, видя, что конкуренты зарабатывают на DDR3, частично свернула выпуск DDR4-чипов (техпроцессы 20 и 30 нм) и начала использовать высвободившиеся мощности для производства DDR3.
Аналогичную стратегию выбрала и тайваньская Powerchip Semiconductor Manufacturing Corp (PSMC), основное направление деятельности которой в последнее время – это печать логических микросхем.
Увидев в росте цен на DDR3 возможность заработать, ее руководство приняло решение о переоборудовании части производства под выпуск модулей этого стандарта.
Существует еще и компания Winbond, вместе с PSMC и Nanya расположенная в Тайване. Она специализируется, в основном, на выпуске флеш-памяти, но также является одним из основных поставщиков модулей DDR2 и DDR3 с минимальной емкостью – 1 и 2 Гбит. Это дает ей возможность завышать цены на свою продукцию, плюс сейчас она строит завод в городе Гаосюн (Тайвань), который будет отдан преимущественно под производство DRAM-памяти.
Прогнозы неоптимистичны
Аналитики TrendForce пока не уточняют, как долго может продлиться рост цен на оперативную память, и когда они вновь пойдут на спад. Вместо них это сделали эксперты DigiTimes – по их мнению, DRAM-память продолжит дорожать в течение всего 2021 г.
Новые правила аккредитации и получения налоговых льгот для ИТ-компаний: что важно знать
Поддержка ИТ-отрасли
Со специалистами DigiTimes согласен и финансовый директор Micron Дэвид Зинснер (David Zinsner).
Он тоже полагает, что сложившаяся на рынке памяти ситуация не располагает к снижению цен в обозримом будущем (до конца 2021 г.).
В DigiTimes также уверены, что рост цен может продолжиться и в 2022 г. Пока что предпосылок для его прекращения нет.
SSD не отстают
Твердотельные накопители дешеветь тоже не будут – наоборот, в ближайшем будущем их стоимость покажет значительный рост. По оценке TrendForce, удорожание SSD начнется в первом полугодии 2021 г., и значительная часть вины в этом, считают аналитики компании, будет лежать на США.
Покупать SSD стоит сейчас, чтобы потом не переплачивать на них
CNews писал, что в середине февраля 2021 г. из-за аномальных (по мнению американцев) погодных условий, в Техасе начались перебои с электричеством, и компанию Samsung вынудили остановить два своих завода по производству флеш-памяти. Изначально планировалось, что фабрики будут простаивать в период с 16 по 23 февраля 2021 г., однако вернуть их в строй Samsung удалось лишь 2 марта 2021 г.
, причем на полную мощность они выйдут лишь в конце марта 2021 г., и все это может привести к дефициту флеш-памяти на мировом рынке.
Как в VK создали корпоративный суперапп для 10 тысяч сотрудников
Цифровизация
По подсчетам аналитиков, К концу II квартала 2021 г. цены на SSD-накопители потребительского уровня могут подскочить на 3-8% в сравнении с ценами на них в I квартале 2021 г. Ситуация с корпоративными SSD немногим лучше – им предсказано максимум 5-процентное подорожание.
- Почём сегодня объектное хранилище на 2 000 Гб? Предложения десятков поставщиков ― на ИТ-маркетплейсе Market.CNews
Эльяс Касми
Оперативная память
DDR3 против DDR4: стоит ли обновляться?
Если вы искали новую систему, которую можно было бы купить или собрать самостоятельно, вы, должно быть, сталкивались с термином «ОЗУ DDR4».
Что касается рынка, DDR3 по-прежнему остается самой популярной оперативной памятью. Мы все используем оперативную память DDR3 уже почти десять лет, но на рынке начали появляться модули DDR4. С появлением новых устройств каждый день, действительно ли DDR4 стоит обновления, или это просто более дорогая новая технология с сопоставимой производительностью? Насколько DDR4 отличается от своего предшественника? Если вы задавались одними и теми же вопросами, не волнуйтесь, так как мы представляем вам наше подробное сравнение оперативной памяти DDR4 и DDR3 9.0003, и действительно ли новая технология лучше или нет.
DDR3 против DDR4: что изменилось?
Физические изменения
Чтобы перейти к новым технологиям, вероятно, первое, что изменилось – это дизайн. В ОЗУ DDR3 использовался 240-контактный корпус , который был изменен в ОЗУ DDR4. DDR4 перешел на 288-контактный корпус , что прямо говорит об очевидном приросте пропускной способности, о чем мы поговорим далее в статье.
Кроме того, поскольку модули имеют одинаковую длину, расстояние между контактами в оперативной памяти DDR4 было уменьшено до 0,85 мм по сравнению с 1,00 мм DDR3. Это также дополнительно уменьшает общий контакт на контакт.
Для размещения дополнительных контактов модули имеют приподнятую высоту 31,25 мм по сравнению с 30,35 мм у DDR3. Это сделано для облегчения процесса маршрутизации. Кроме того, печатная плата стала толще, как и , увеличив размеры с 1,0 мм на DDR3 до 1,2 мм, что открывает возможности для большего количества сигнальных слоев.
Рабочее напряжение
Энергопотребление — еще один аспект, который производители стараются свести к минимуму, и благодаря новой оперативной памяти DDR4 у них это получается очень хорошо. Оперативная память DDR4 работает при более низком напряжении 1,2 вольта по сравнению с 1,5 вольта DDR3. Хотя это не кажется большим, указанные цифры в конечном итоге позволяют сэкономить 1-2 Вт на модуль в каждой системе, что для полностью загруженного рабочего стола домашнего пользователя может приблизиться к 15 Вт в верхнем пределе экономии по сравнению с DDR3, но для фермы серверов с 1000 ЦП это означает экономию 15 кВт.
Кроме того, по мере увеличения времени автономной работы в ноутбуках и ультрабуках использование оперативной памяти DDR4 вместе с новейшими 14-нм процессорами позволяет увеличить время использования, не спеша к розетке.
| DRAM | Низкая Напряжение | Стандарт Напряжение | Производительность Напряжение |
| DDR3 | 1,35 В | 1,50 В | 1,65 В |
| DDR4 | 1,05 В | 1,20 В | 1,35 В |
Стабильность
В оперативной памяти DDR3 один источник напряжения применяется ко всему модулю. Это, в свою очередь, может вызвать значительное падение напряжения, влияющее на стабильность. Однако с DDR4 все изменилось. Новый дизайн, который был реализован в оперативной памяти DDR4, работает за счет повышения более низкого напряжения с помощью ИС опорного напряжения перед каждым чипом памяти.
Это делается для того, чтобы обеспечить подачу постоянного напряжения на каждый из них в отдельности, а не на весь модуль сразу. С помощью этого нового дизайна все перепады напряжения зависят только от микросхемы и могут быть скорректированы, что повысит стабильность работы модулей оперативной памяти DDR4.
Алгоритм обновления
Прежде чем обсуждать различия между алгоритмами обновления DDR3 и DDR4, давайте вкратце поговорим об оперативной памяти. Технически оперативная память бывает двух типов — статическая и динамическая. Динамическая оперативная память, как следует из названия, продолжает обновлять свое содержимое каждые несколько интервалов. Теперь, в зависимости от способа обновления, DRAM делится на несколько типов, наиболее известным из которых является SDRAM. Синхронная динамическая оперативная память (SDRAM ) намного быстрее, чем предыдущие традиционные формы RAM и DRAM. Это работает в синхронном режиме, синхронизируясь с шиной внутри ЦП.
Теперь, когда мы разобрались с этим, давайте обсудим различия между DDR3 и DDR4.
Как правило, устройства SDRAM, такие как RAM DDR3, используют автоматическое обновление (AR) и самообновление (SR) для обновления своего содержимого. Как правило, SR используется в режиме ожидания для экономии энергии, а AR используется, когда система занята. С другой стороны, DDR4 поддерживает автоматическое самообновление с низким энергопотреблением, выполняет стандартную функцию обновления содержимого памяти, но использует адаптивный алгоритм, основанный на температуре , чтобы избежать дрейфа сигнала.
В каждом модуле режимы обновления будут настраивать каждый массив независимо, поскольку контроллер должен поддерживать процедуру тонкой оптимизации. Это также делается для того, чтобы используемые части памяти совпадали друг с другом. Это служит как силой, так и страховкой стабильности на долгие годы.
Тактовая частота
Тактовая частота ОЗУ показывает, насколько быстро ОЗУ может читать или записывать данные. Одно из основных отличий оперативной памяти DDR3 от DDR4 заключается в их тактовой частоте. Несмотря на то, что для оперативной памяти DDR3 тактовая частота находится в диапазоне от 800 МГц до 2133 МГц , производители пошли дальше, чтобы убедиться, что самая низкая тактовая частота составляет 1333 МГц для DDR3. При этом максимальный предел остается только на частоте 2133 МГц. Оперативная память DDR4, с другой стороны, продолжает работу с того места, где остановилась DDR3, с минимальной тактовой частотой , установленной на уровне 2133 МГц, и без определенного максимального значения. Это увеличение тактовой частоты также приводит к общему увеличению их пропускной способности.
Чем выше значение, тем лучше
Задержка
Увеличенная тактовая частота и пропускная способность сопровождаются увеличением задержки . DDR3-2133 имеет задержку ~ 55 наносекунд. С другой стороны, DDR4-2133 имеет задержку около 63 наносекунд.
Чем меньше значение, тем лучше
При этом задержка не так уж высока, особенно если учитывать снижение задержки тактовой частотой и пропускной способностью.
Емкость памяти
Объем памяти также является еще одним аспектом, о котором следует помнить. В то время как для большинства повседневных задач достаточно 4 ГБ оперативной памяти, геймеры, как правило, выбирают 8 ГБ памяти. Кроме того, пользователи, заинтересованные в редактировании видео и аналогичной работе, как правило, выбирают еще больший объем памяти. Таким образом, ОЗУ DDR3 ограничено 8 ГБ для одного модуля , а максимальная емкость 16 ГБ доступна в модулях DIMM (двухрядных модулях памяти), которые используются в мейнфреймах и системах рабочих станций. С другой стороны, DDR4 не имеет максимальной емкости по сравнению с объемом памяти, что позволяет системе хранить в памяти большие объемы данных.
Тесты
Хотя тесты никогда не являются истинным свидетельством реальной производительности, они, как правило, дают некоторое представление об этом. Мы провели несколько тестов, чтобы сравнить оперативную память DDR3 и оперативную память DDR4 с использованием Handbrake, Adobe Premier и оценок PCMark.
Handbrake 0.10.2 High Profile Benchmark — чем меньше, тем лучше
Помимо тактовой частоты 2133 МГц, DDR4, по-видимому, стабильно быстрее по всем направлениям, хотя ее преимущество довольно рано ослабевает. Разница не ошеломляющая, но измеримая.
Adobe Premiere CC Encode Benchmark — чем меньше, тем лучше
Та же тенденция наблюдается с Adobe Premiere CC и Adobe Media Encoder, хотя и более выраженная. DDR4 действительно превосходит предшественницу , но разница не так уж велика.
PCMark 8 Adobe Suite — чем выше, тем лучше
Наконец, в пакете Adobe Suite для PCMark 8 DDR4 постоянно быстрее и продолжает постепенно увеличиваться с каждым уровнем скорости. Хотя разница между DDR3-2133 и DDR4-2133 очень мала, всего лишь одно повышение до следующей частоты для DDR4 меняет ситуацию.
Совместимость
Совместимость — важный фактор, который следует учитывать при покупке. Ни одна из ОЗУ не совместима с другими, и это также имело место с DDR3 и DDR4. Вы не можете установить оперативную память DDR4 на порт DDR3 или наоборот . К счастью, производители материнских плат обязательно указывают, какую оперативную память поддерживает их система, тем самым устраняя любую путаницу. Если говорить в общих чертах, то материнская плата, выпущенная в период с по 2007 и 2014 годы, скорее всего, будет поддерживать ОЗУ DDR3 , а модели, выпущенные после 2014 года , с большей вероятностью будут поддерживать модуль DDR4 .
Цены и наличие
Стандарт DDR3 существует уже почти десять лет, тогда как модули DDR4 существуют всего пару лет. DDR4 — это более новая и обновленная технология, поэтому очевидно, что это будет дороже по сравнению с модулями DDR3 . Например, вы можете получить комплект ADATA DDR3-2133 емкостью 8 ГБ всего за 59,29 долларов США, тогда как сравнительный комплект DDR4-2133 обойдется вам в 91,49 долларов США, то есть почти на 30 долларов США.
DDR3 против DDR4: кто победит?
Как упоминалось ранее, DDR4 берет верх с того места, где прежняя DDR3, улучшаясь почти во всех аспектах. Оперативная память DDR4 определенно зарекомендовала себя как достойный преемник. Хотя между ними не так уж много различий, когда обе работают на частоте 2133 МГц, более высокие тактовые частоты оперативной памяти DDR4 дают ей определенный импульс по сравнению с оперативной памятью предыдущего поколения. Более высокая необработанная мощность в сочетании с более низким энергопотреблением делают DDR4 явный победитель по сравнению с оперативной памятью DDR3.
СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: NVIDIA G-Sync и AMD FreeSync: лучшее решение с переменной частотой обновления?
Но нужно ли вам обновление?
Мы видели, что DDR4 действительно превосходит оперативную память DDR3 с точки зрения чисел, а также реальной производительности. При этом также примечательно, что разница между ними не так уж велика. Если у вас ограниченный бюджет, инвестиции в ОЗУ DDR3 с более мощным модулем памяти с более быстрым процессором и лучшим графическим процессором, скорее всего, приведут к повышению общей производительности. Или если у вас есть дополнительные деньги, чтобы потратить их на более дорогую оперативную память DDR4. Не может быть, чтобы это было неправильное решение, учитывая тот факт, что это действительно будущее. В любом случае, переход на DDR4 неизбежен, и рано или поздно вы это сделаете.
Ну, это то, что мы думаем, но мы хотели бы узнать, что вы думаете о DDR3 и DDR4? Итак, дайте нам знать в разделе комментариев ниже.
DDR3 против DDR4 — много памяти на очень высокой скорости | Блоги
Когда дело доходит до объема памяти и того, как она используется в современном дизайне и дизайне следующего поколения, как и в любом другом аспекте высокоскоростного проектирования, речь идет о доступе к большим объемам данных на очень высоких скоростях.
Эволюция памяти с удвоенной скоростью передачи данных (DDR) на протяжении многих лет была довольно динамичной. Оригинальная DDR была впервые представлена в 1998, за которой последовали DDR2 в 2003 г., DDR3 в 2007 г., DDR4 в 2014 г. и DDR5, предполагаемая дата появления которой где-то в этом году. Очевидно, что требуется больше памяти, но используемая память должна предоставлять данные быстрее. DDR4 предлагает значительные преимущества, но конструктивные особенности должны учитываться на уровне печатной платы, чтобы вся система работала правильно с первого раза и каждый раз. В этой статье будет представлено сравнение DDR3 и DDR4, проблемы, связанные с ними, различные стили и инструменты, используемые для проектирования памяти, примечания по применению и опыт, необходимый для обеспечения того, чтобы память работала так, как задумано.
Для этой статьи я обратился к Джону Засио, соавтору двух наших книг, Right the First Time, A Practice Handbook on High-Speed PCB and System Design , тома 1 и 2. У него более 50 многолетний опыт работы в области электротехники. Его опыт охватывает широкий спектр печатных плат (PCB), специализированных интегральных схем (ASIC), интегральных схем (IC), вентильных матриц, стандартных ячеек, высокоскоростных схем и тем проектирования подсистем питания. Джон работает техническим консультантом Speeding Edge, и мы всегда говорим, что он для разработки интегральных схем то же, что Ли Ричи, основатель и президент Speeding Edge, для проектирования плат. Вклад Джона в эту статью был неоценим и очень ценен.
Джон объясняет: «Покинув IBM в 1969 году, я перешел в компанию Mascor. Именно тогда появились динамические запоминающие устройства с произвольным доступом (DRAM). Я помню, как к нам подошел инженер по продажам Intel и рассказал нам об этом замечательном устройстве, которое у них было, и оно было намного лучше, чем основные воспоминания. В нем было 1000 бит. Я не помню, какова была скорость, но инженер по продажам сказал нам, что единственное, о чем мы должны беспокоиться с DRAM, это то, что мы должны говорить ей, что запоминать, иначе она забудет каждые четыре миллисекунды. Теперь это известно как Refresh. Вот что означает «динамический» в DRAM. Требуется немного заряда. Вы можете сосчитать электроны, помещенные в крошечный конденсатор, который через некоторое время разрядится. Таким образом, он должен вернуться и обновить себя. Он считывает небольшие сигналы, которые исчезают, а затем кладет их обратно».
Когда дело доходит до сравнения DDR3 и DDR4, в игру вступают несколько различных факторов. К ним относятся скорость передачи данных (скорость, с которой машина может считывать или записывать данные в ОЗУ), уровни напряжения (они ниже в DDR4), частота обновления памяти, время между передачей команды и ее выполнением, механизм обновления, объем памяти, стоимость, требуемый объем памяти, а также момент или время установки, когда вам нужно будет перейти с DDR3 на DDR4 (также известное как запланированное устаревание).
Маршрутизация и скорость DDR
Джон отмечает: «DDR4 в два раза быстрее, чем DDR3. С каждым новым поколением DDR скорость увеличивается в два раза».
DDR3 имеет скорость передачи данных от 800 МГц до 2133 МГц. Она не может подняться выше 2133 МГц. Из практических соображений скорость передачи данных для DDR3 варьируется от 1600 МГц до 1800 МГц. Скорость передачи данных для DDR4 увеличивается с 1600 МГц до 3200 МГц.
«Двойные запоминающие устройства имеют два класса контактов», — говорит Джон. «Есть адресные контакты (которые обычно называются адресным управлением), а иногда они представляют собой мультиплексы, такие как те, что используются в DDR. Вы вводите управляющее слово, и оно фиксируется в памяти для настройки регистров или какого-либо другого устройства, которое будет работать. Затем вы вводите адрес, и часы начинают тикать, пока данные передаются».
«В DDR адрес обычно исходит от контроллера, проходит через каждую микросхему памяти и затрагивает их все. Это приводит к множественным нагрузкам на каждый провод. Выводы данных идут напрямую от контроллера к каждой микросхеме памяти. Как правило, на выводах данных имеется один драйвер и одна нагрузка. Это гораздо более чистый путь. И, поскольку это более чистый путь, он работает в два раза быстрее. Существует передача данных по данным, когда часы повышаются, и передача данных по данным, когда часы падают. Это отличается от контактов управления адресом, где за такт передается только одна часть информации. Если у вас скорость передачи данных 3200 Мбит/с на верхнем уровне DDR4, вы имеете дело с тактовой частотой 1,6 ГГц».
Джон продолжает: «Хорошая новость заключается в том, что DDR4 в два раза быстрее, чем DDR3, но не очень хорошая новость заключается в том, что вы должны начать беспокоиться о соответствии длины и качества линии передачи. Это похоже на то, что нам приходилось делать с оптоволоконными соединениями 15-20 лет назад».
Рис. 1. При чтении модуля DDR3 накапливается перекос. Этот перекос между сигналами CLK и DQS в DDR3 компенсируется выравниванием записи.
Дополнительные элементы, которые вступают в игру, включают стекловолокно ламината, важнейшую компоновку печатной платы и индуктивность переходных отверстий. Джон говорит: «Все эти вопросы беспокоят плату из-за скорости DDR4. Те же самые вещи, которые применимы к Интернет-каналу со скоростью 3, 4 или 5 Гбит/с, теперь начинают применяться к этим сигналам данных. Вы больше не можете просто купить дешевый кусок ламината, собрать печатную плату и ожидать, что она будет работать».
В дополнение к вышесказанному уровни напряжения выше в DDR3 по сравнению с DDR4 (1,5 В против 1,2 В соответственно).
Джон объясняет: «Большая проблема, помимо изменения уровня напряжения, заключается в том, что в DDR3 есть двухтактный драйвер. Это означает, что терминатор на модуле памяти DIMM (двухрядный модуль памяти) или в другом месте, как правило, эквивалентен резистору 50 Ом на 0,75 В, что составляет половину напряжения источника питания. Водитель либо тянул его вверх, либо опускал».
Структура ввода-вывода DDR3 и DDR4
Операционные различия между DDR3 и DDR4 показаны на рисунке 2.
Рисунок 2. Буфер ввода-вывода DDR3 и DDR4
Джон утверждает: стороне рисунка 2 есть драйвер для DDR3, который является двухтактным. Верхний транзистор P-канала подтягивает этот провод к источнику питания 1,5 В. Внизу находится N-канальный транзистор, который тянет провод вниз к земле. На другом конце провода находятся два резистора внутри микросхемы памяти, которые являются терминаторами для этой линии. Обычно это два резистора по 100 Ом, что эквивалентно 50 Ом для половины этого напряжения.
Когда вы нажимаете на драйвер, ток проходит через верхний резистор через коаксиальный провод канала в землю. Для DDR3 общая величина тока от Vdd до GND одинакова для «1» или «0». Он просто меняет направление через провод. Вы должны иметь развязку на печатной плате, чтобы позаботиться о высокоскоростных изменениях пути, но низкая частота или постоянный ток постоянны и требуют очень небольшой развязки по низкой частоте».
«В отличие от DDR4, в правой части рисунка 2 транзистор P-канала используется только для выравнивания. По сути, это N-канальный драйвер, отключающий этот провод от 1,2 вольта. Терминатор заканчивается справа, и он идет на 1,2 вольта.
Важно то, что ток включен для нижнего уровня и выключен для верхнего уровня. Это означает, что у вас большие изменения тока Vdd и гораздо более сложная проблема развязки, чем для DDR3».
Джон продолжает: «Когда все провода одновременно переключаются с высокого уровня на низкий, может произойти очень большое изменение тока источника питания и гораздо большее рассеивание мощности, когда все провода остаются на низком уровне. Одной из интересных функций, помогающих модулировать это в DDR4, является сигнал DBI (инверсия шины данных). Это означает, что что-то на контроллере смотрит на количество нулей и единиц в каждом байте исходящей информации. Обычно 1 соответствует высокому уровню, а 0 — низкому. Если нулей больше, чем единиц, он просто инвертирует слово данных и отправляет сигнал «это инвертировано». Это означает, что у вас никогда не будет опущено более половины проводов, что снижает пиковую нагрузку. Кроме того, это также снижает мощность переходного процесса в два раза. Но это логическая функция, а не функция платы».
С точки зрения характеристик платы, поскольку скорости выше, меньше возможностей для настройки. Например, если вы работаете со скоростью 3,2 Гбит/с, это соответствует 312 пс. Джон отмечает: «312 пс — это период. Кроме того, у вас должен быть какой-то допуск на джиттер, на настройку и удержание приемников и на помехи сигнала в проводах. Это означает, что линии должны быть очень плотно настроены. В результате вы, вероятно, не можете позволить себе иметь больше нескольких, может быть, до пяти процентов от этих 312 пс, выделенных для изменения длины строки. Для DDR4 рекомендуется, чтобы линии были точно настроены на диапазон 5 пс».
Даже при использовании DDR3 различия в линиях внутри корпуса IC намного больше. Джон заявляет: «Когда вы проектируете пути, вы должны обратиться к производителю микросхемы, чтобы узнать длину каждой линии внутри корпуса ИС, а также диэлектрическую проницаемость и скорость этих линий. Затем нужно вычесть окончательное число из варианта, который есть на доске».
Даже с учетом предыдущих проблем, в DDR4 есть ряд функций, которых нет в DDR3. Некоторые из этих функций очень удобны для тех разработчиков продуктов, которые проектируют высокоскоростные продукты, такие как серверы и маршрутизаторы. «Одна из полезных функций DDR4 — это функции тестирования, — продолжает Джон. «Я привык иметь дело с процессорами с большим количеством модулей DIMM. Недавно у меня была конструкция с четырьмя модулями памяти DIMM и четырьмя контроллерами, что эквивалентно сотням проводов, выходящих из действительно большого BGA. Не существует теста JTAG, который проверяет каждый провод, чтобы убедиться, что он припаян правильно. Итак, мы сделали небольшие тестовые платы, которые вставили в разъем DIMM. Мы поместили часть информации, например адресный провод, на эту плату перемычек, поместили ее на провод данных и вернули обратно. Когда мы покачивали провод адреса, мы ожидали, что провод данных будет двигаться. Эта операция была похожа на JTAG. Это была утомительная и трудоемкая работа, но это стоило того, чтобы найти какие-либо соединения холодной пайки или прерывистые соединения, прежде чем мы соберем всю систему, а затем возникнет проблема. В DDR4 такая функциональность встроена непосредственно в чип».
«Кроме того, есть тестовый режим, который говорит: «Я настроен на тестовый режим, и я вообще не собираюсь беспокоиться о скорости». Я за смесь DC 1 и 0 на адресных линиях». Существует шаблон, который вы размещаете на адресных линиях, и он выходит на этих битах данных на очень низких скоростях. Это делает тестирование действительно хорошим».
Изготовление модулей DDR
В памяти большого объема имеются избыточные строки и столбцы для учета любых производственных дефектов. По сути, одно пятнышко грязи может стереть транзистор и привести к тому, что ряд перестанет работать. Раньше на поверхности каждой микросхемы памяти были маленькие предохранители. Часть производственного тестирования заключается в проверке каждой строки, каждого столбца и каждого расположения битов и использовании предохранителей для определения того, какие столбцы и строки являются хорошими, а какие можно игнорировать.
Джон объясняет: «Теперь, с современными микросхемами памяти, покупателю доступны по крайней мере один или два ряда, так что это можно сделать с помощью электричества в полевых условиях, поскольку биты со временем изнашиваются. Вместо того, чтобы выбрасывать память и звонить в сервисный центр, вы можете в электронном виде сказать: «У меня есть этот плохой ряд на этом чипе, поэтому я его заменю». быть очень подавляющим. У вас есть пластины диаметром 13 дюймов, и на каждой пластине выполняется полное 100% сканирование. Они находят дефекты на каждом слое маскировки, а маскирующих слоев 40. Это представляет огромные объемы данных. Все это собирается с помощью лазерных сканеров и возвращается по оптоволоконному кабелю на серверы».
Существуют различия между памятью DDR3 и DDR4, а также различия в стилях, используемых при разработке микросхем памяти.
Джон Засио, консультант по технологиям Speeding Edge и эксперт по проектированию компонентов, объясняет: «Есть люди, которые проектируют с использованием модулей DIMM, и есть люди, которые проектируют с точки зрения «давайте поместим чип на печатную плату рядом с контроллер.» Но, когда вы помещаете чип на печатную плату, у вас могут быть некоторые неприятные проблемы. Микросхемы памяти имеют контакты, расположенные довольно близко друг к другу. На большой серверной плате у вас может быть печатная плата толщиной 1/10 дюйма, состоящая из 20 слоев. В такой конфигурации очень сложно поставить микросхемы памяти на плату и настроить линию. Мои клиенты, которые имеют дело с большими объемами памяти в действительно высокоскоростных сетевых продуктах, используют модули памяти DIMM. Они даже не пытаются ставить фишки на доску. Вы можете поместить чипы на плату, если вы собираетесь делать крошечный контроллер или если вы делаете конечный продукт, такой как сотовый телефон, где очень тонкая плата, изготовленная методом наплавки вместо просверленных отверстий».
Существует два типа модулей DIMM. Один стиль буферизуется. Это называется зарегистрированным. Другой стиль небуферизован. Небуферизованный означает, что провода ADD/CTR, выходящие из контроллера, входят в модуль DIMM, а затем последовательно идут по всей длине модуля DIMM и касаются каждого чипа модуля DIMM, чтобы получить адрес и управление этими чипами. Поскольку на линиях так много микросхем, проблема целостности сигнала становится очень серьезной. Изменяются импедансы линий, как и производственные допуски, поэтому необходимо выполнить много моделирования, чтобы убедиться, что продукт будет работать на скорости.
Рисунок 3: Топология маршрутизации DDR3 для зарегистрированных и небуферизованных модулей DIMM
Джон отмечает: «Если вы используете буферизованный DIMM, то адрес и управление поступают на DIMM, и есть одна нагрузка, как и на выводах данных. Одна нагрузка приходится на драйвер, а другая на модуль DIMM. В результате линия получается очень чистой. Таким образом, шансы получить правильную память на порядок выше, если вы используете зарегистрированный модуль DIMM, а не небуферизованный. Есть еще один вариант: 64-битные или 72-битные модули DIMM. 72 бита называются коррекцией ошибок и контролем (ECC). Если у вас есть эти дополнительные биты, в них достаточно информации, чтобы контроллер мог обнаружить возвращение плохого бита. Если вы что-то читаете и один бит неверен, контроллер может определить, какой бит неверен, и исправить его, перевернув его. Это очень важно для DRAM из-за однобитовых ошибок, вызванных космическими частицами или альфа-частицами, пришедшими с «небес», которые могут пройти через 40 футов свинца. Когда это проходит через чип памяти, он стирает бит памяти. Это гарантированно периодически происходит на больших серверах. Если у вас есть дополнительные биты, вы можете легко исправить проблему».
«Стоимость этих дополнительных битов ECC является номинальной по сравнению с процессором, который зависает и не работает должным образом, — продолжает он, — с зарегистрированным модулем DIMM конструкция платы становится намного проще, поскольку у вас есть один драйвер и одиночная нагрузка. Вам не нужно беспокоиться обо всех производственных допусках, поскольку провода проходят через модуль DIMM. Все это стоит пару долларов за модуль DIMM. Но если вы имеете дело с большой машиной, которая стоит 100 000 или 1 000 000 долларов, дополнительный доллар не имеет большого значения, чтобы убедиться, что ваш дизайн будет работать правильно с первого раза и все время. Без регистров вы имеете дело с производственными допусками длины проводов в памяти DIMM и вариациями конденсаторов на каждом из чипов, и вы можете не соблюдать все крайние случаи, и у вас могут периодически возникать некоторые ошибки. Вот почему я рекомендую всем своим клиентам использовать зарегистрированные модули DIMM».
Замечания по применению, инструменты и опыт проектирования
Как мы отмечали в нескольких разделах нашей книги, полагаться на заметки по применению от производителя микросхем часто не самый лучший путь. Джон объясняет: «Пару лет назад у меня был клиент, который использовал FPGA и RLDRAM со скоростью 2,4 Гбит/с. Импеданс адресных/управляющих линий, указанный в примечаниях по применению, был неправильным, но поставщик микросхемы не мог гарантировать, что деталь будет работать, если заказчик не использовал импедансы, работа которых была доказана на тестовой плате.
В итоге мы смоделировали деталь и ее работу с помощью инструмента от HyperLynx, чтобы определить, будет ли деталь работать с низким импедансом линии передачи поставщика. У заказчика не было инженерного опыта и знаний, чтобы подвергать сомнению примечания по применению, поэтому они построили плату для них, но это определенно был не лучший способ ее изготовления. Проблема заключается в том, что сами производители микросхем не всегда понимают интерфейсы памяти, требования к линиям передачи, необходимость установки нескольких микросхем подряд и изменения импеданса», — добавляет Джон. «Поэтому, если они не понимают этих факторов, вполне вероятно, что их примечания к применению будут ошибочными».
Как узнать, когда переходить к следующей итерации продукта?
По мере увеличения скорости сетевых процессоров возникает соответствующая потребность в более быстрой памяти. Но, как цитирует Джон, «процессору на сервере требуется определенное количество наносекунд, чтобы сказать «мне нужна информация» из памяти, а затем перейти к кэш-памяти, которая обычно представляет собой блок на кристалле. памяти недавно использованной информации. Если информации там нет, инструкция состоит в том, чтобы «выйти в основную память» и найти ее. Все это требует времени, чтобы выйти по проводам в DRAM, а затем получить информацию обратно в микросхему контроллера».
«Интересно, что фактическое количество наносекунд для доступа к памяти существенно не увеличилось за последние десять лет. Что произошло, так это то, что тактовая частота изменилась. Объем данных, которые вы можете получить после того, как инициируете этот запрос, удваивается каждые несколько лет. Во-вторых, полупроводниковые транзисторы стали меньше, так что в микросхему памяти можно поместить больше памяти. Как показано в таблице 1, объем памяти значительно увеличился. Мы собираемся до 16 Гб на чип памяти. У нас в два раза больше фактических данных по каждому чипу для каждого поколения с удвоенной скоростью. Это важно для тех, кто проектирует сетевые процессоры, маршрутизаторы или серверы. Им нужно идти в ногу с современными технологиями, что означает более быстрые процессоры и более быструю память».
Таблица 1. Увеличение объема памяти (Источник: Micron Technology)
Что касается наборов инструментов, симуляторы могут помочь в проектировании памяти, но они сложны и требуют высокого уровня инженерных знаний для их использования. Джон объясняет: «Существуют симуляторы, которые могут помочь в процессе проектирования, но очень, очень сложно ввести в программы всю необходимую информацию. Это как иметь очень сложные электронные таблицы, в которых можно выполнять вычисления и давать ответ, но ответ хорош ровно настолько, насколько хороши числа, которые вы помещаете в электронную таблицу. У вас должна быть очень хорошая модель линии передачи, эффектов переплетения стекла и шлейфов переходных отверстий, контактов на корпусе и длин дорожек внутри корпуса от микросхемы контроллера до платы. Эти инструменты могут быть очень хорошими, но настройка моделей может быть очень утомительной. Для этого типа дизайнерских усилий требуется человек, который имеет большой опыт работы с экстремальными деталями. Это не навык, который вы приобретаете за одну ночь».
Резюме
Хорошая новость заключается в том, что есть продукты, которые работают на очень высоких скоростях и имеют много быстрой памяти. Основываясь на развитии технологий, емкость памяти будет только увеличиваться.
