DDR5 is de volgende generatie werkgeheugen die ook naar de desktop komt. De vijfde generatie van double data rate synchronous dynamic random-access memory is een belangrijke stap vooruit op het gebied van werkgeheugen en brengt veel verbeteringen met zich mee, die voor verschillende toepassingen van toegevoegde waarde zijn. In dit artikel bespreken we in hoofdlijnen de veranderingen die DDR5 met zich meebrengt.
In het begin van 2021 kijken we nog steeds reikhalzend uit naar de nieuwe DDR-standaard, terwijl de specificatie volgens het oorspronkelijke schema van Jedec in 2018 voltooid had moeten zijn. Dat is uiteindelijk afgelopen zomer gebeurd, sindsdien hebben enkele geheugenfabrikanten al wat teasers over hun komende producten openbaar gemaakt. Overigens is de losstaande Lpddr5-standaard, ontworpen voor geheugen in smartphones en laptops, al in het begin van 2019 uitgebracht.
Hoewel DDR5 langer op zich heeft laten wachten, doet dat niets af aan de verbeteringen die de nieuwe generatie met zich meebrengt. De primaire focus ligt ook bij deze generatie op een hogere maximale geheugencapaciteit per module en hogere geheugensnelheden. Om dat te bereiken zijn echter meer optimalisaties en verbeteringen doorgevoerd dan enkel de verhoging van wat ruwe specificaties. Volgens de specificaties belooft DDR5 dan ook een grotere sprong voorwaarts te bieden ten opzichte van DDR4 dan die generatie ten opzichte van zijn voorganger deed.
Geheugensnelheid
Een van de meest in het oog springende verbeteringen bij DDR5 is de hogere effectieve geheugensnelheid. Met de afgelopen generaties DDR stapte de opvolgende iteratie doorgaans in waar de hoogste officiële snelheid van de voorgaande generatie eindigde. Bij DDR5 is dat anders. Waar DDR4 bij introductie op de consumentenmarkt nog begon met snelheden van 2133 megatransfers per seconde, en dit uiteindelijk is gegroeid tot 3200MT/s, zullen standaardsnelheden van DDR5 initieel al 4800MT/s bedragen. Later wordt de specificatie uitgebreid tot en met 6400MT/s. Ook hier geldt dat nog hogere snelheden mogelijk zijn, maar deze vallen, vooralsnog, buiten de officiële Jedec-specificatie. Enkele geheugenfabrikanten hebben al succesvolle tests gedraaid met DDR5-8400, wat dus op maar liefst 4200MHz draait.
Werkgeheugen: Megahertz versus megatransfers
In de volksmond wordt van een module werkgeheugen zoals DDR4-3200 vaak gezegd dat deze op 3200MHz werkt. Vanwege de werking van double data rate is de busklokfrequentie echter de helft van de geheugensnelheid, die we uitdrukken in megatransfers per second (MT/s).
Generatie | Busklokfrequentie (MHz) | Snelheid (MT/s) | Naamgeving / Module |
---|---|---|---|
DDR (1998) | 200MHz | 400MT/s | DDR-400 / PC-3200 |
DDR2 (2003) | 533MHz | 1066MT/s | DDR2-1066 / PC2-8500 |
DDR3 (2007) | 1066,5MHz | 2133MT/s | DDR3-2133 / PC3-17000 |
DDR4 (2014) | 1600MHz | 3200MT/s | DDR4-3200 / PC4-25600 |
DDR5 (2020) | 2400MHz | 4800MT/s | DDR5-4800 / PC5-38400 |
DDR5 (2020) | 3200MHz | 6400MT/s | DDR5-6400* / PC5-51200 |
Tabel met de hoogste Jedec-standaarden voor de verschillende generaties DDR. *nog niet officieel ondersteund door Jedec.
De hogere geheugensnelheden zijn hard nodig om het snel groeiende aantal processorcores voldoende geheugenbandbreedte te kunnen bieden. Sinds het begin van 2017 is het aantal cores in processors zowel op de mainstreamdesktopmarkt als op de high-end desktopmarkt flink toegenomen. Processorfabrikant AMD bracht toen met zijn Ryzen-cpu’s een groter aantal krachtige cores naar verschillende segmenten, waarop concurrent Intel stapsgewijs volgde. Op dat moment was DDR4 al het mainstreamwerkgeheugen en dat is het tot en met de dag van vandaag.
De officieel ondersteunde snelheden van DDR4 zijn door de sindsdien uitgekomen processorfamilies wel hoger dan enkele jaren geleden, maar onder de streep moesten de cpu-cores het met steeds minder bandbreedte doen. Het aantal cores en threads in een high-end consumentenprocessor telde begin 2017 nog respectievelijk 4 en 8 stuks; nog geen drie jaar later betrof dat al 16 cores en 32 threads. Tegenover die verviervoudiging van het aantal cores en threads stelt de meest optimistische vergelijking van DDR4-2133 naar 3200MT/s, een stijging van 50 procent, relatief gezien weinig voor.
Ook in het segment van high-end desktops en de servermarkt is het aantal cores met een groei van 28 naar 64 cores per socket in de afgelopen jaren veel sneller toegenomen dan de geheugenbandbreedte. Dankzij slim gebruik van eveneens flink toegenomen cachegroottes konden de cpu-cores van meer data worden voorzien, maar tegenwoordig is dat niet genoeg meer om het grote aantal processorkernen in alle scenario’s hun volle potentie te laten benutten.
Niet alleen processors met een groot aantal cpu-cores kunnen profijt hebben van meer geheugenbandbreedte. Ook geïntegreerde gpu's presteren doorgaans beter als er sneller geheugen gebruikt wordt. Voor processorfabrikanten wordt het bovendien pas zinnig om meer gpu-rekenkernen op processors te plaatsen als er meer bandbreedte beschikbaar is, dus met de komst van DDR5 mogen we ook snellere Ryzen-apu's verwachten.
Prefetchbuffer
Een van de belangrijkste verschillen bij DDR5 is de verdubbelde prefetchbuffer ten opzichte van DDR4. De prefetch betreft het aantal datawoorden dat per klokcyclus wordt verwerkt. Bij DDR4 én DDR3 bedragen deze 8bit, bij DDR5 is dat toegenomen tot 16bit. Een van de voordelen van de hogere prefetch is dat de interne kloksnelheid van het geheugen beperkt kan blijven, waardoor er geen hogere eisen aan de geheugenchips gesteld worden en het energiegebruik ook niet toeneemt. Zo werkt het geheugen efficiënter omdat er per kloktik meer geheugen kan worden uitgelezen of beschreven. Hierop aansluitend is de burst length ook verdubbeld, waarmee een groter deel van een rij en kolom in elke geheugencel per kloktik uitgelezen kan worden. Het resultaat van deze en andere verbeteringen is dat DDR5 bij een gelijke geheugensnelheid rond de 36 procent meer effectieve geheugenbandbreedte moet leveren dan DDR4.
Geheugencapaciteit: 128GB per dimm
Waar de maximale capaciteit van DDR4-modules als gevolg van de bovengrens van 16Gbit-chips op 32GB uitkomt, ligt dit volgens de specificatie van DDR5 vier keer zo hoog bij de nieuwe generatie. Met 64Gbit-chips kan er per dimm dus 128GB geplaatst worden, al zullen geheugenmodules met deze capaciteit niet in het begin van de levenscyclus van DDR5 verschijnen. Op termijn moet servergeheugen dankzij die-stacking zelfs op 2TB per module uitkomen; wanneer precies is ook nog onduidelijk.
Altijd dualchannel
Bij het werkgeheugen dat nu in je pc zit, zoals DDR4, is het gebruikelijk dat de processor elke dimm gebruikt als één 64bit-datakanaal, waardoor je met twee geheugenmodules in dualchannelopstelling effectief een 128bit-geheugenbus naar je cpu toe hebt. Op DDR5 wordt op elke dimm gebruikgemaakt van twee 32bit-datakanalen, die onafhankelijk van elkaar kunnen werken en dus effectief per dimm al als dualchannel functioneren. Ook hebben daarbij deze twee kanalen hun eigen error-correcting code, die elk op 8bit (7+1) uitkomen. Dat is een stuk minder dan de 24bit-bus die hiervoor op DDR4 wordt gebruikt, wat complexere DDR5-geheugencontrollers tot gevolg heeft.
Lagere spanning en powermanagement
Volgens de officiële specificaties werkt DDR5 met een i/o-spanning van 1,1 volt. Dat is iets lager dan de 1,2 volt die voor DDR4 gespecificeerd is, wat onder andere een lager energiegebruik bij DDR5 kan opleveren. In de praktijk zullen snellere DDR5-modules echter met hogere spanningen werken, net zoals hoger geklokt DDR4-geheugen doorgaans op 1,35 volt werkt.
Een ander en wellicht belangrijkere aanpassing ten opzichte van DDR4 is dat er op de nieuwe generatie gebruik wordt gemaakt van pmic’s, voluit power management integrated circuits. Op DDR5-geheugen zal de spanningsregulatie op de module zelf afgehandeld worden. Elke geheugenmodule ontvangt van het moederbord een spanning van 12 volt, wat door de pmic wordt omgezet in de juiste spanning voor de onderdelen op de geheugenmodule. Dat betekent dat moederborden met DDR5-geheugenslots iets eenvoudiger worden wat stroomvoorziening betreft. Er hoeft daar geen vrm meer geplaatst te worden die overgespecificeerd is op een maximumaantal modules op hoge spanning. DDR5 handelt dit met de pmic zelf per geheugenreepje af. Dat heeft wel als gevolg dat de complexiteit van ontwerp en fabricage toeneemt ten opzichte van eerdere generaties geheugen. Daardoor zal DDR5-geheugen duurder zijn om te produceren, maar daartegenover staat dat de bijbehorende moederborden op dit onderdeel van de stroomvoorziening juist eenvoudiger en goedkoper te fabriceren zijn.
Uiterlijk en lay-out
DDR5-geheugenmodules zullen net als DDR4 voorzien zijn van 288 contactpunten. Toch zijn de modules van deze twee generaties niet uitwisselbaar, niet alleen doordat deze contactpunten op de nieuwe generatie andere functies hebben, maar ook doordat de uitsparing aan de onderkant net op een andere plaats zit. Net als bij voorgaande generaties werkgeheugen wordt zo voorkomen dat gebruikers incompatibele hardware combineren.
Processors en moederborden met DDR5-support
Wat de ondersteuning voor DDR5 vanuit processors en moederborden betreft, moeten ook de eerste producten hiermee voor de consumentenmarkt nog verschijnen. AMD’s Ryzen 5000-serie op basis van de Zen3-architectuur gebruikt nog DDR4 en hetzelfde geldt voor Intels komende, elfde generatie Rocket Lake Core-processors op basis van Cypress Cove-cores.
Volgens geruchten zal AMD met een volgende generatie cpu’s op basis van de Zen 3+-architectuur voor het eerst DDR5 ondersteunen; vermoedelijk wordt tegelijkertijd socket AM5 geïntroduceerd. Overigens is een generatie processors met geheugencontrollers die zowel DDR4 als DDR5 ondersteunen, niet uitgesloten. In het verleden heeft AMD cpu's uitgebracht die zowel in socket AM2(+) als in AM3 gebruikt konden worden en zowel DDR2 als DDR3 ondersteunen. Naar verwachting zullen Ryzen-processors op de Zen4-architectuur enkel ondersteuning voor DDR5 hebben en dus DDR4 laten vallen.
Intels DDR5-debuut zal naar verwachting later in 2021 plaatsvinden met de Alder Lake-processors. Dat de nieuwe generatie werkgeheugen op de bijbehorende socket LGA1700-moederborden ondersteund zal worden, staat vrijwel vast. Of de cpu's ook nog overweg kunnen met DDR4, is onduidelijk.