Prihaja DDR4!
Sorazmerno velik in kar se da hiter pomnilnik računalnika imamo za nekaj samoumevnega. Prihodnje leto lahko pričakujemo prve osnovne plošče s pomnilniškimi moduli DDR4. Katere prednosti prinaša novi standard? Bodo novi pomnilniki še večji in hitrejši? Kje so meje tehnologije?
Strokovnjaki pričakujejo, da naj bi leta 2013 pomnilniki po standardu DDR4 dosegli 5 % delež prodaje, velikoserijsko proizvodnjo pa naj bi začeli šele leta 2015, ko naj bi se delež DDR4 povečal na 50 %. Ocene temeljijo na trendu uvajanja pomnilnikov DDR3.
Vendar se zastavlja vprašanje, ali je DDR4 sploh potreben in ali ne gre le za poceni marketinški trik, ki bo sestavljavce in nadgrajevalce računalnikov prisilil k uporabi novih in dražjih pomnilnikov, ki pa ne bodo bistveno doprinesli k zmogljivosti računalnika.
Eden izmed prvih pomnilnikov s feritnimi jedri
Pomnilniški modul DRAM SIPP iz prvih računalnikov IBM AT
Statični ali dinamični?
Za delovni pomnilnik uporabljajo računalniki danes skoraj samo DRAM, katerega slabost je, da potrebuje cikle za osveževanje vsebine, med katerimi je nedostopen za branje ali pisanje podatkov. Nasprotno je statični RAM (SRAM) pojem hitrosti. Čeprav ima glede na število integriranih tranzistorjev pri enaki tehnologiji izdelave od 4- do 6-krat manjšo velikost od DRAM, ne potrebuje osveževanja. Omogoča deset in večkrat hitrejše delovanje. Njegova hitrost je pogojena tudi s številom tranzistorjev, oziroma njegovo zmogljivostjo, saj tranzistorji za hitre preklope porabijo veliko energije in se zato močno segrevajo. Snovalci računalnikov in mikroprocesorjev s SRAM zato gradijo sorazmerno majhne, a zelo hitre predpomnilnike.
V različnih formatih...
Izdelovalci pomnilnikov so začeli že v osemdesetih letih preteklega stoletja izdelovati pomnilniške module SIPP (angl. single in-line pin pakage), ki smo jih lahko uporabili v prvih PC ATjih. Krhke nožice, razporejene v vrsto, so se v praksi izkazale za zelo nepraktične. Zato so module SIPP kmalu nadomestili moduli SIMM (single in-line memory module), z robnimi konektorji na tiskanini (brez nožic).
Z velikostjo pomnilnikov in 64-bitnimi računalniki je nekajkrat naraslo tudi število kontaktov, ki so jih moduli potrebovali za priklop na naslovno in podatkovno vodilo. Moduli DIMM (angl. dual in-line memory module) imajo na vsaki strani tiskanine različne priključke, kar omogoča dvakrat več signalov. Notesi in tiskalniki, v zadnjem času pa tudi tablice in mini PCji, potrebujejo pomnilniške module manjše velikosti z manjšo porabo energije, SO-DIMM (angl. small outline DIMM). Slednji se od DIMM razlikujejo predvsem po manjši po fizični velikosti in nekoliko manjši zmogljivosti, so pa tudi cenejši.
... različne tehnologije.
Sinhroni pomnilniki, ki jih uporabljamo danes, za svoje delovanje potrebujejo urni signal, s katerim je usklajeno branje in pisanje podatkov. Signal je pravokotne oblike, pri čemer vrednost napetosti niha med 0 V (logična 0) in napajalno napetostjo pomnilniškega modula (logična 1). Sinhronizacijo lahko snovalci pomnilnikov izvedejo glede na logično stanje urnega signala (0 ali 1), ali pa na njegovo prvo (prehod iz logične 0 v 1) ali zadnjo fronto (prehod iz logične 1 v 0). Glede na to ločimo: SDR (enkratna hitrost prenosa podatkov, angl. single data rate), DDR (dvojna hitrost prenosa podatkov, angl. double data rate) in QDR (štirikratna hitrost prenosa podatkov, angl. quad data rate).
SDR je usklajen na logično stanje, prvo fronto ali zadnjo fronto, zato omogoča v enem ciklu pomnilniške ure branje ali zapis ene pomnilniške vrstice. DDR je usklajen na prvo in na zadnjo fronto signala hkrati. Na vsako od front prebere ali zapiše po eno podatkovno vrstico, torej 2 na vsak urni cikel. Od tod tudi izraz "double" (dvojni). QDR gre še korak naprej. Namesto enega uporablja dva urna signala, ki sta fazno zamaknjena (navadno za 90°), kar pomeni, da se prva fronta drugega začne, ko je prvi že v stanju logične 1. QDR je sinhroniziran na obe prvi in obe zadnji fronti signalov. Glede na frekvenco ure pomnilniškega vodila zato lahko prebere ali zapiše po štiri podatkovne vrstice v enem urnem ciklu.
Izbruhni način delovanja
Strokovni termin "naključni dostop" pri pomnilniku pomeni, da lahko do vsake pomnilniške celice dostopamo enako hitro, ne glede na izbrani pomnilniški naslov. Pri sodobnih modulih SDRAM to ne drži več, saj poteka hitro branje ali pisanje podatkov v t. i. izbruhih (angl. bursts). Izbruh pomeni branje ali pisanje v več zaporednih pomnilniških lokacij, pri čemer je dovolj, da podamo samo začetni naslov. Na ta način odpade potreba po prenosu in preračunu naslovnih signalov za dostop do naslednje pomnilne celice. Kljub temu je pri branju prve pomnilniške vrstice potreben znaten čas (več urnih ciklov) za določitev naslova prve pomnilniške vrstice, ki poteka v logiki pomnilniškega modula. Če bi naslove v pomnilniku izbirali povsem naključno, bi bil preračun vselej potreben. K sreči imajo sodobni računalniki oziroma glavni procesorji razmeroma velike predpomnilnike, ki so razdeljeni na bloke. Krmilnik predpomnilnika ob zgrešitvi najmanj uporabljan blok predpomnilnika zamenja z novim iz glavnega pomnilnika. Ker je blok sestavljen iz veliko zaporednih podatkovnih vrstic, pomeni izbruhni način nekajkratno pohitritev.
Asinhroni ali sinhroni?
Črka "S" pred nazivom vrste pomnilnika pomeni sinhrono delovanje (npr. SDRAM, SSRAM ...). Prvi pomnilniki (npr. DRAM, SRAM ...) so bili asinhroni. Pri njih je vsebina brane podatkovne vrstice na voljo na podatkovnem vodilu kratek čas za tem, ko so signali na naslovnem vodilu veljavni. Pri pisanju pa si pomnilnik zapomni podatkovno vrstico kratek čas za tem, ko so na naslovnem in podatkovnem vodilu veljavni signali. Veljavnost signalov pomnilniku sporoča krmilnik pomnilnika s posebnim signalom. Nasprotno je pri sinhronih pomnilnikih branje in pisanje podatkov usklajeno s taktom ure (ali takti ur) pomnilniškega vodila, kar omogoča hitrejši pretok podatkov med pomnilnikom in procesno enoto.
Grafične kartice so v prednosti!
Čeprav napačno zapisan ali prebran bit v glavnem pomnilniku računalnika pogosto povzroči izvajanje zaporedja napačnih strojnih ukazov in s tem sesutje operacijskega sistema, take napake v pomnilniku grafične kartice na zaslonu pogosto sploh ne opazimo. Zato so lahko izdelovalci teh pomnilnikov pri uvajanju novih tehnologij veliko bolj smeli in manj previdni.
Grafična pomnilnika GDDR4 in GDDR5 znata, recimo, samodejno prilagajati hitrost prenosa podatkov glede na zmogljivost druge strojne opreme. Pri tem porabljata poseben postopek "učenja", s katerim določita najvišjo uporabno hitrost prenosa na podatkovnem in naslovnem vodilu, začenši pri najnižji hitrosti. Oba standarda omogočata tudi predpomnjenje več zaporednih pomnilniških vrstic glede na trenutni naslov na naslovnem vodilu, kar omogoča hitrejši dostop do podatkov v izbruhnem načinu delovanja. Z inverzijo signalov na podatkovnem vodilu skušata GDDR4 in GDDR5 čim bolj zmanjšati število sprememb nivojev podatkovnih signalov, s tem pa omogočiti manjšo porabo energije in hitrejši prenos podatkov. Inverzijo izvajata na 32-bitnem vodilu nad vsako od štirih skupin osmih bitov posebej. Medtem ko GDDR4 uporabi inverzijo tako, da je sprememb vrednosti signalov pri prenosu naslednjega podatka čim manj, ima GDDR5 preprostejši algoritem. Inverzija se zgodi v primeru, ko bi bile sicer v skupini osmih podatkovnih bitov več kot 4 ničle. GDDR5 podpira tudi inverzijo signalov naslovnega vodila. Mimogrede, GDDR5 ima obvezno vnesen tudi ID izdelovalca čipov, kar bo omogočilo lažje odkrivanje morebitnih slabih serij čipov.
"Grafični" pomnilniki
Pomnilniki grafičnih kartic se po tehnologiji izdelave ne razlikujejo kaj dosti od glavnega pomnilnika računalnika, kljub temu pa imajo določene prilagoditve, ki lahko precej pohitrijo njihovo delovanje. Ena izmed njih je DPDRAM z dvojnimi pomnilniškimi vodili oziroma "vrati" (angl. dual ported DRAM, označen tudi s kratico DPRAM), ki omogočajo hkraten dostop procesorja grafične kartice in procesorja računalnika do pomnilnika grafične kartice, brez konfliktnih dostopov. Izdelovalci grafičnih kartic so ga raje označili s kratico VRAM (video DRAM). Kasneje so izdelali še WRAM (DRAM z bralno-pisalnim oknom, angl. window DRAM), ki je v osnovi prav tako DPDRAM, vendar naj bi bil zaradi dodatnih izboljšav za okoli 25 % hitrejši od VRAM.
S prihodom velikih in razmeroma poceni DDR SDRAMov so izdelovalci grafičnih kartic DPDRAM v glavnem opustili. Dobili smo novo marketinško "skovanko", GDDR SGRAM (grafični DDR sinhroni grafični RAM). Vendar je razlik pri GDDR v primerjavi s klasičnim DDR bistveno manj kot med DRAM in DPDRAM.
Je pa zato ameriška organizacija za standardizacijo elektronske opreme, JEDEC (www.jedec.org), izdala že veliko različnih standardov, od GDDR2 SGRAM do GDDR5 SGRAM. Izdelovalci namesto kratice SGRAM pogosto uporabljajo kar SDRAM. To tudi ne preseneča, saj GDDR2 SGRAM temelji na specifikaciji DDR2 SDRAM, GDDR4 in GDDR5 SGRAMa pa temeljita na specifikaciji DDR3 SDRAM.
Video RAM oz. VRAM, ki je imel dvoje vodil, ena za grafični procesor in druga za glavni procesor računalnika.
Primerjava modulov DDR, DDR2 in DDR3 v večji izvedbi za namizni računalnik (DIMM)
In, da, prihaja DDR4!
V primerjavi z DDR3, ki je danes običajen pomnilnik v osebnih računalnikih, bo DDR4 omogočal delovanje pri večjih izborih različnih delovnih frekvenc in hitrosti prenosov podatkov, od 2133 do 4266 MT/s (milijonov prenosov na sekundo, angl. million transfers per second). To je približno 2-10-krat hitreje od DDR2 (od 400 MT/s do 1066 MT/s) in do 5-krat hitreje od DDR3 (od 800 MT/s do 2133 MT/s).
Vendar je dejanska pohitritev odvisna tudi od tega, ali računalnik uporablja pomnilniško prepletanje, in od stopnje prepletanja. Na primer, pri dvakratnem prepletanju, oziroma branju iz dveh pomnilniških modulov DDR2 hkrati zlahka dosežemo enako ali višjo hitrost kot pri DDR3 brez prepletanja. Večja stopnja pomnilniškega prepletanja oziroma število pomnilniških kanalov lahko precej skrajša dostopni čas po pomnilnika. Pomnilniškega prepletanja pogosto ne omogočajo mini PCji, tablice in najcenejši notesniki, medtem ko omogočajo dražje osnovne plošče, predvsem tiste za več procesorjev, tudi do trikratno prepletanje.
Novost pri DDR4 je tudi omejitev na en modul na pomnilniški kanal, oziroma povezava točka-točka, ki bo omogočila hitrejši prenos podatkov. Danes ima večina osnovnih plošč po dva pomnilniška kanala, od katerih ima vsak lahko po dva modula. Kaj to pomeni v praksi? Cenejše osnovne plošče za DDR4 bodo verjetno podpirale največ 2 pomnilniška modula. To pomeni, da bomo pri nadgradnji morali zamenjati ves pomnilnik, razen če v začetku ne bomo uporabljali pomnilniškega prepletanja. Dražje osnovne plošče bodo verjetno omogočale tudi štirikratno ali večkratno prepletanje, odvisno od števila podnožij za pomnilniške module. Vendar bomo najvišjo stopnjo prepletanja in s tem najvišjo hitrost prenosa dosegli le, če bomo z moduli napolnili vsa podnožja. Možna je sicer sprememba zasnove čipovnega nabora, tako da bi vanj vgradili krmilnike pomnilnika, ki znajo preklapljati med kanali, vendar je ta, prej kot ne, rezervirana za strežnike.
DDR4 bo bolj varčen, saj bo deloval pri napajalnih napetostih med 1,05 V in 1,2 V, pri čemer bo jakost toka enaka kot pri DDR3. To pa pomeni nižjo izgubno moč in manjše segrevanje pri enaki frekvenci delovanja.
Moduli DDR4 za namizne računalnike bodo ohranili obliko DIMM, vendar bodo imeli 284 priključkov, 44 več kot moduli DDR3. Kljub temu ne bodo veliko večji od svojih predhodnikov. Višji bodo le za milimeter in za 0,2 milimetra debelejši. To bo omogočilo več plasti na tiskanini, obenem pa tudi več povezav. Novi bodo tudi moduli SO-DIMM, ki bodo imeli poslej 256 priključkov, kar je prav tako za 44 več. Širši bodo za milimeter, vendar pa bodo ohranili enako višino in debelino. Snovalci standarda DDR4 so predvideli tudi možnost uporabe t. i. trirazsežnih pomnilniških čipov z do 8 silicijevimi rezinami, naloženimi druga na drugo.
Moduli DDR4 bodo omogočali več pomnilniških bank in s tem tudi namestitev več pomnilniških čipov ter večje zmogljivosti. Nekoliko se bo spremenilo tudi delovanje podatkovnega in ukazno-naslovnega vodila, ki skupaj tvorita pomnilniško vodilo. Podatkovno vodilo bo, podobno kot pri GDDR4, uporabljalo inverzijo signalov. Mogoča bo celo nastavitev delovnih parametrov za vsak čip DRAM pomnilniškega modula posebej.
Primerjava modulov DDR, DDR2 in DDR3 v manjši izvedbi za prenosni računalnik (SO-DIMM)
Pomnilniški modul DDR4 SDRAM DIMM
Kako hitri so?
Za vpogled, koliko teorija vpliva na številke, ki jih lahko dejansko izmerimo, smo preizkusili štiri računalnike: dva namiznika, prenosnik in mini PC. Meritve hitrosti delovanja pomnilnika smo opravili s programom AIDA64, pri čemer so imeli vsi računalniki, razen mini PCja s 64-bitnim Windows Server 2008, 64-bitni operacijski sistem Windows 7. V vseh računalnikih smo imeli nameščene zadnje gonilnike.
Očitno je, da lahko z višjim taktom ure pomnilniškega vodila pohitrimo prenos podatkov, vendar pa moramo v zameno dopustiti nekoliko daljše zakasnilne čase, kar pomeni, da je pohitritev manjša od povečanja delovne frekvence ure pomnilniškega vodila. Po drugi strani se izkaže, da DDR3 ni vselej hitrejši od DDR2. Zanimiva je primerjava med novim mini PCjem z DDR3-800 in 8 let starim namiznikom z DDR2-533. Prvi ima samo en pomnilniški kanal in zato ne omogoča prepletanja, stari namiznik pa omogoča dvakratno pomnilniško prepletanje. Zanimivo je, da je glavni pomnilnik namiznik hitrejši od mini PCjevega celo pri nižjem taktu pomnilniškega vodila. Sklepamo, da je tako zaradi daljših zakasnilnih časov (6-6-6-15) in neuporabe pomnilniškega prepletanja.
Vendar pa je vpliv hitrosti delovanja glavnega pomnilnika na hitrost delovanja celotnega računalnika bistveno manjši, kot bi marsikdo pričakoval. Procesor Core 2 Quad Q6700 ima štiri jedra in 8 MB drugonivojskega predpomnilnika. Slednji ima glavno zaslugo za to, da se pri delovanju pisarniških programov počasnejši, a hitrejši glavni pomnilnik zelo malo pozna, manj kot 5 %. Prav tako velja glede pomnilniškega prepletanja. Hitrejši glavni pomnilnik pride v poštev le pri redkih igrah, ki obdelujejo tako velike količine podatkov, da je procesorski predpomnilnik premajhen.
Dejanska hitrost pomnilnika
Vsi današnji moduli DIMM so 64-bitni. To pomeni, da lahko vsak v enem ciklu prebere ali zapiše po 8 bajtov. Da dobimo hitrost prenosa podatkov med pomnilnikom in glavnim procesorjem v GB/s, moramo število prenosov na sekundo (MT/s) najprej pomnožiti z 8, nato moramo upoštevati še stopnjo pomnilniškega prepletanja. Vendar pri slednji ne moremo računati na teoretično najvišjo pohitritev, ki bi ustrezala stopnji prepletanja, oziroma številu pomnilniških kanalov. Meritve z orodji, kot je AIDA64, ki merijo hitrost pomnilnika v MB/s, pokažejo navadno 10 % do 50 % pohitritev, a le, če ne upoštevamo vpliva predpomnilnika. Slednji je pri večini programov odločilen. Zato ima pomnilniško prepletanje majhen vpliv na hitrost celotnega računalnika.
Bo razvoj obstal?
V prihodnosti bodo računalniki potrebovali predvsem pomnilnike, ki bodo kar največji. Višja hitrost delovanja bo šele na drugem mestu. Dostop do podatkov in pisanje podatkov na disk je namreč tudi do 1000-krat počasnejše od pisanja in branja podatkov iz pomnilnika. Z naraščanjem potreb programske bodo svojo uporabno vrednost ohranili le tisti PCji, ki bodo imeli dovolj glavnega pomnilnika, da ne bodo potrebovali pogostega začasnega shranjevanja podatkov na disku. Govor je torej o predpomnenju.
Čeprav se zdi, da pri pomnilniških modulih v zadnjem času ni bilo znatnega napredka, razen glede uporabe vse natančnejših tehnologij izdelave, ki dopuščajo višje delovne frekvence, in prvih večplastnih čipov z več silicijevimi rezinami, bi težko rekli, da bo razvoj zastal. Gotovo pa se bo upočasnil, pri čemer bodo skušali izdelovalci strojne opreme ustvariti vtis, kot da bomo z nakupom osnovne plošče z DDR4 namesto z DDR3 veliko pridobili. DDR4 SDRAM bo morda res hitrejši, vendar bo njegova prednost predvsem v večjih zmogljivostih pomnilniških modulov in boljši standardizaciji. Zato bodo verjetno nove pomnilnike prvi dobili veliki strežniki in najzmogljivejše delovne postaje. Upajmo le, da bo tokrat DDR3 ostal dlje časa v prodaji, kot je že skoraj "izumrli" DDR2, da bo današnje nove računalnike čez štiri ali pet let še mogoče cenovno ugodno nadgraditi.
Eno izmed programskih orodij, ki omogočajo merjenje zmogljivosti različnih vrst in tipov pomnilnikov v računalniku, AIDA64.
RAM ali BAM?
Izbruhni način lahko primerjamo z delovanjem klasičnega diskovnega pogona, pri katerem se mora bralno-pisalna glava premakniti na želeno sled, nato pa lahko prebere enega ali več sektorjev s podatki. Tudi pri SDRAM do vseh podatkov ne moremo dostopati enako hitro, temveč je hitrost dostopa odvisna od tega, kateri naslov je trenutno na naslovno-ukaznem vodilu. Je potem to še RAM (pomnilnik z naključnim dostopom)? Ni! Razen, če si izbruhni način predstavljamo le kot dodano vrednost. Strokovni termin "pomnilnik z naključnim dostopom" pri takem pomnilniku velja le za "polžji" način delovanja, ko izbruhnega načina ne uporabljamo. Kljub temu težko verjamemo, da bi v bližnji prihodnosti kratico RAM lahko nadomestila, na primer, kratica BAM (pomnilnik z izbruhnim dostopom, angl. burst access memory).