DDR5 of toch nog DDR4? Twee generaties werkgeheugen getest

Wie een reepje DDR4 en een reepje DDR5 naast elkaar legt, zal met het blote oog amper verschil kunnen zien. De nieuwe generatie werkgeheugen bestaat uit modules met 288 contactpunten, precies evenveel als de voorgangers. Wie goed kijkt, ziet wel dat DDR5 de uitsparing halverwege deze rij contactpunten nét op een andere plek heeft dan DDR4. Zo wordt voorkomen dat DDR5 in een DDR4-slot wordt geplaatst en andersom.

Hogere snelheden

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.

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 mainstream- 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.

bandwidth_per_core

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 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 cachegrootten 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 en burst length

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 zowel DDR3 als DDR4 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 hoeft toe te nemen. 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 geheugencel per kloktik uitgelezen en verstuurd kan worden.

XMP 3.0

Samen met DDR5 introduceert Intel de derde generatie van zijn Extreme Memory Profile, XMP dus. Dit maakt eigenlijk geen deel uit van de DDR5-specificatie zelf. In de praktijk werd XMP echter vaker wel dan niet ondersteund, op processors van zowel Intel als AMD. Met deze techniek kunnen geheugenmodules met één druk op de knop worden overgeklokt door middel van de profielen die hierop zijn opgeslagen. Daarmee werken de modules buiten de officiële Jedec-specificaties, maar wel op de door de fabrikant gegarandeerde snelheid. Met XMP-profielen draaien geheugenmodules doorgaans op hogere kloksnelheden met lagere timings, waardoor de latency een stuk lager uitvalt dan wanneer de Jedec-specificaties worden gevolgd. Onder andere gamers hebben baat bij een lagere latency tussen de cpu en het geheugen, omdat spellen over het algemeen gevoelig zijn voor deze vertragingen.

Nieuw bij XMP 3.0 ten opzichte van zijn voorganger is dat er op ondersteunde DDR5-geheugenmodules gebruikgemaakt kan worden van vijf profielen, waarvan drie door de fabrikant vastgesteld zijn en twee door de gebruiker zijn in te vullen en aan te passen. Hierbij kunnen snelheden en timings zelf aangepast worden en kunnen de profielen van een zelfgekozen naam voorzien worden.

XMP 3.0

Minimaal dualchannel

Een DDR5-module maakt per definitie gebruik van twee kanalen, ongeacht of het om een single- of dualrankmodule gaat. Waar een DDR4-module standaard fungeert als een enkele 64bit-geheugenbus voor je processor, zijn dat bij DDR5 twee 32bit-subkanalen. Als je twee modules plaatst, zoals gebruikelijk in het tweede en vierde slot geteld vanaf de socket, maak je volgens veel software en benchmarks gebruik van quadchannelgeheugen. Toch heb je twee losse modules nodig voor de 'echte' dualchannel zoals vergelijkbaar is met de winst die DDR4 ziet in totale bandbreedte. Dat biedt meer mogelijkheden voor simultaan onafhankelijke lees- en schrijfoperaties, maar in de praktijk profiteert lang niet alle software hier evenveel van.

Eigen vrm

Een ander verschil met DDR4 is dat de spanningsregulatie is verhuisd van het moederbord naar de geheugenmodules zelf. De componenten die hiervoor verantwoordelijk zijn, doorgaans afkomstig van Renesas, worden aangeduid met de term pmic of power management integrated circuit. Die moeten ervoor zorgen dat de gespecificeerde 1,1 volt op de DDR5-module wordt geleverd, of 1,25 of 1,35 volt bij snellere geheugenkits. Je kunt de configuratie van het pmic bij DDR5 aanpassen via het bios van je moederbord. Sommige modules zijn voorzien van een op overklokkers gericht pmic, waarmee je de spanning praktisch onbeperkt kunt opvoeren en dat bovendien ook vanuit het OS kunt doen. Reguliere modules werken in een secure mode, waarin de maximaal instelbare spanning beperkt is tot 1,435V en je dat bovendien alleen via het bios kunt instellen.

Het voordeel van deze grote wijziging ten opzichte van DDR4 is dat ze geheugenfabrikanten in staat stelt met kleinere toleranties en foutmarges te werken. Voorheen moest rekening gehouden worden met uiteenlopende spanningsregulaties van allerlei moederborden en fabrikanten, terwijl nu het pmic en de geheugenchips nauwkeuriger op elkaar afgestemd kunnen worden omdat ze op hetzelfde pcb geplaatst worden. Deze verandering maakt het ontwerp van moederborden iets minder complex en in theorie dus goedkoper, doordat de vrm voor het werkgeheugen hier weggelaten kan worden. De productiekosten voor geheugenmodules stijgen hierdoor echter wel.

Gear mode: in de juiste versnelling

Net als bij de voorgaande generatie kan de geheugencontroller werken in verschillende 'gears'. Dat zijn ratio's ten opzichte van de geheugensnelheid in MHz. In gear 1 is die 1:1, in gear 2 1:2 en in gear 4 1:4. Een voorbeeld: de kloksnelheid van een DDR5-4800-kit is 2400MHz (double data rate). In gear 1 draaien zowel het geheugen als de controller op 2400MHz. In gear 2 draait het geheugen zelf nog altijd op 2400MHz, maar wordt de snelheid van de controller verlaagd naar 1200MHz. In gear 4 draait de controller zelfs maar op 600MHz.

In de praktijk lijkt gear 2 het uitgangspunt te worden voor DDR5-geheugen, waar gear 1 bij DDR4 nog gebruikelijk was. Gear 1 werkend krijgen is bijna onmogelijk, waarschijnlijk omdat de veel hogere kloksnelheden van DDR5 te veel vragen van de geheugencontroller. Gear 4 zou alleen nodig moeten zijn voor het bereiken van extreem hoge geheugenclocks en is voor regulier gebruik niet relevant.

Ecc niet standaard, alleen on-die

Bij de aankondiging van DDR5 werd gesproken over ecc als een van de specificaties, waarna bij veel mensen verwarring ontstond of deze foutcorrectie echt standaard aanwezig zou zijn op elke module. Volledige ecc blijft ook op DDR5 enkel voorbehouden aan de daarvoor speciaal ontwikkelde geheugenmodules, waarnaast ook moederbord en processor ondersteuning moeten bieden om deze keten compleet te maken en ecc daadwerkelijk te kunnen gebruiken.

Wat we wél terugvinden op elke DDR5-geheugenmodule, is de zogenaamde on-die-ecc. De module corrigeert voor eventuele fouten die op de module zelf ontstaan. Dit moet leiden tot betrouwbaarder werkgeheugen doordat invloeden van temperatuur en straling minder snel tot bitflips leiden. On-die-ecc stelt geheugenfabrikanten bovendien in staat om modules met een hogere dichtheid te produceren zonder de yields hierbij al te veel in gevaar te brengen. Dankzij on-die-ecc worden de eisen aan geheugenchips iets verlaagd, waardoor ook meer imperfecte exemplaren gebruikt kunnen worden zonder dat dit tot problemen leidt. Omdat de yields hierdoor hoger liggen, zal de overstap naar kleinere procesnodes hierdoor in de toekomst makkelijker kunnen dan anders het geval was geweest.