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Memoria SDRAM DDR4

La memoria de acceso aleatorio dinámico síncrono de doble velocidad de datos 4 ( DDR4 SDRAM ) es un tipo de memoria de acceso aleatorio dinámico síncrono con una interfaz de alto ancho de banda (" doble velocidad de datos ").

Lanzada al mercado en 2014, [2] [3] [4] es una variante de la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM), algunas de las cuales han estado en uso desde principios de la década de 1970, [5] y un sucesor de mayor velocidad de las tecnologías DDR2 y DDR3 .

DDR4 no es compatible con ningún tipo anterior de memoria de acceso aleatorio (RAM) debido a diferentes voltajes de señalización e interfaz física, además de otros factores.

La SDRAM DDR4 se lanzó al mercado público en el segundo trimestre de 2014, centrándose en la memoria ECC , [6] mientras que los módulos DDR4 no ECC estuvieron disponibles en el tercer trimestre de 2014, acompañando el lanzamiento de los procesadores Haswell-E que requieren memoria DDR4. [7]

Características

Las principales ventajas de la DDR4 sobre su predecesora, la DDR3, incluyen una mayor densidad de módulos y menores requisitos de voltaje, junto con velocidades de transferencia de datos más altas . El estándar DDR4 permite módulos DIMM de hasta 64  GB de capacidad, en comparación con el máximo de 16 GB por DIMM de la DDR3. [1] [8] [ verificación fallida ]

A diferencia de las generaciones anteriores de memoria DDR, la precarga no se ha incrementado por encima de los 8n utilizados en DDR3; [9] : 16  el tamaño de ráfaga básico es de ocho palabras de 64 bits, y se logran mayores anchos de banda enviando más comandos de lectura/escritura por segundo. Para permitir esto, el estándar divide los bancos de DRAM en dos o cuatro grupos de bancos seleccionables, [10] donde las transferencias a diferentes grupos de bancos se pueden realizar más rápidamente.

Debido a que el consumo de energía aumenta con la velocidad, el voltaje reducido permite un funcionamiento a mayor velocidad sin requisitos irrazonables de energía y refrigeración.

La memoria RAM DDR4 funciona a un voltaje de 1,2 V y admite frecuencias entre 800 y 1600 MHz (DDR4-1600 a DDR4-3200). En comparación con la DDR3, que funciona a 1,5 V con frecuencias de 400 a 1067 MHz (DDR3-800 a DDR3-2133), la DDR4 ofrece un mejor rendimiento y eficiencia energética . Las velocidades de la DDR4 se anuncian como el doble de la frecuencia de reloj base debido a su naturaleza de Doble Velocidad de Datos (DDR), con velocidades comunes que incluyen DDR4-2400 y DDR4-3200, y velocidades más altas como DDR4-4266 y DDR4-5000 disponibles a un precio superior. A diferencia de la DDR3, la DDR4 no tiene una variante de bajo voltaje; funciona constantemente a 1,2 V. Además, la DDR4 mejora a la DDR3 con una longitud de ráfaga más larga de 16 y admite capacidades de memoria más grandes, lo que mejora tanto el rendimiento como la flexibilidad del sistema. [11] [12]

Cronología

El primer prototipo de módulo de memoria DDR4 fue fabricado por Samsung y anunciado en enero de 2011. [a]
Comparación física de las memorias SDRAM DDR , DDR2 , DDR3 y DDR4
Parte frontal y posterior de módulos de memoria DDR4 de 8 GB [1]

Percepción y adopción del mercado

En abril de 2013, un redactor de noticias de International Data Group (IDG), una empresa estadounidense de investigación tecnológica que originalmente formaba parte de IDC  , realizó un análisis de sus percepciones relacionadas con la SDRAM DDR4. [41] Las conclusiones fueron que la creciente popularidad de la informática móvil y otros dispositivos que utilizan memoria más lenta pero de menor potencia, la desaceleración del crecimiento en el sector de la informática de escritorio tradicional y la consolidación del mercado de fabricación de memoria significaban que los márgenes de la RAM eran ajustados.

Como resultado, el precio premium deseado para la nueva tecnología era más difícil de lograr, y la capacidad se había desplazado a otros sectores. Los fabricantes de SDRAM y los creadores de chipsets estaban, hasta cierto punto, " entre la espada y la pared ", donde "nadie quiere pagar un precio superior por productos DDR4, y los fabricantes no quieren fabricar la memoria si no van a obtener un precio superior", según Mike Howard de iSuppli. [41] Un cambio en el sentimiento del consumidor hacia la informática de escritorio y el lanzamiento de procesadores con soporte DDR4 por parte de Intel y AMD podrían, por lo tanto, conducir potencialmente a un crecimiento "agresivo". [41]

La hoja de ruta Haswell 2014 de Intel reveló el primer uso de SDRAM DDR4 en procesadores Haswell-EP . [42]

Los procesadores Ryzen de AMD , presentados en 2016 y enviados en 2017, utilizan SDRAM DDR4. [43]

Operación

La memoria RAM DDR4 funciona con un voltaje de suministro primario de 1,2 V y un suministro auxiliar de 2,5 V para el refuerzo de línea de palabra (VPP). Esto contrasta con la DDR3 , que funciona a 1,5 V y tenía variantes de voltaje más bajo a 1,35 V introducidas en 2013. La DDR4 se introdujo con una tasa de transferencia mínima de 2133 MT/s , influenciada por el límite cercano de la DDR3 a velocidades similares, y se espera que alcance hasta 4266 MT/s . Las mejoras notables en la DDR4 incluyen mayores tasas de transferencia de datos y una eficiencia mejorada. Las primeras muestras de DDR4, como las de Samsung en enero de 2011, mostraron una latencia CAS de 13 ciclos de reloj , comparable a la transición de DDR2 a DDR3. Además, DDR4 presenta una longitud de ráfaga más larga de 16, mayor soporte de capacidad e integridad de señal mejorada con un espaciado de pines más ajustado (0,85 mm frente a 1,0 mm), una altura ligeramente mayor (31,25 mm frente a 30,35 mm) y un mayor grosor (1,2 mm frente a 1,0 mm) para un mejor enrutamiento y rendimiento de la señal.

Los bancos internos se incrementan a 16 (4 bits de selección de banco), con hasta 8 rangos por DIMM. [9] : 16 

Los cambios de protocolo incluyen: [9] : 20 

Se prevé una mayor densidad de memoria, posiblemente utilizando TSV (" through-silicon via ") u otros procesos de apilamiento 3D . [31] [37] [44] [45] La especificación DDR4 incluirá apilamiento 3D estandarizado "desde el principio" según JEDEC, [45] con provisión para hasta 8 matrices apiladas . [9] : 12  X-bit Labs predijo que "como resultado, los chips de memoria DDR4 con densidad muy alta se volverán relativamente económicos". [37]

Los bancos de memoria conmutados también son una opción prevista para los servidores. [31] [44]

En 2008, el libro Wafer Level 3-D ICs Process Technology destacó las preocupaciones sobre el creciente consumo de área de matriz debido a elementos analógicos sin escalamiento como bombas de carga , reguladores de voltaje y circuitos adicionales. Estos componentes, que incluyen detección de errores CRC, terminación en matriz , hardware de ráfagas, tuberías programables, baja impedancia y una mayor necesidad de amplificadores de detección (impulsados ​​por bits reducidos por línea de bits debido a un voltaje más bajo), han aumentado significativamente el ancho de banda, pero a costa de ocupar más área de matriz. En consecuencia, la proporción de matriz asignada a la matriz de memoria en sí ha disminuido con el tiempo: del 70-78% para SDRAM y DDR1 al 47% para DDR2, 38% para DDR3 y potencialmente menos del 30% para DDR4. [46]

La especificación definió estándares para dispositivos de memoria ×4, ×8 y ×16 con capacidades de 2, 4, 8 y 16 Gbit. [1] [47]

Además de las variantes de ancho de banda y capacidad, los módulos DDR4 pueden implementar opcionalmente:

Codificación de comandos

Aunque sigue funcionando básicamente de la misma manera, la DDR4 introduce un cambio importante en los formatos de comandos utilizados por las generaciones anteriores de SDRAM . Una nueva señal de comando, ACT , es baja para indicar el comando de activación (fila abierta).

El comando de activación requiere más bits de dirección que cualquier otro (18 bits de dirección de fila en una parte de 16 Gbit), por lo que las señales activas bajas estándar RAS , CAS y WE se comparten con bits de dirección de orden superior que no se utilizan cuando ACT es alto. La combinación de RAS = L y CAS = WE = H que codificaba anteriormente un comando de activación no se utiliza.

Al igual que en las codificaciones SDRAM anteriores, se utiliza A10 para seleccionar variantes de comandos: precarga automática en comandos de lectura y escritura, y un banco frente a todos los bancos para el comando de precarga. También selecciona dos variantes del comando de calibración ZQ.

Al igual que en DDR3, A12 se utiliza para solicitar el corte de ráfagas : el truncamiento de una ráfaga de 8 transferencias después de cuatro transferencias. Aunque el banco sigue ocupado y no está disponible para otros comandos hasta que transcurran ocho tiempos de transferencia, se puede acceder a un banco diferente.

Además, se ha aumentado considerablemente la cantidad de direcciones de banco. Hay cuatro bits de selección de banco para seleccionar hasta 16 bancos dentro de cada DRAM: dos bits de dirección de banco (BA0, BA1) y dos bits de grupo de banco (BG0, BG1). Hay restricciones de tiempo adicionales al acceder a los bancos dentro del mismo grupo de bancos; es más rápido acceder a un banco en un grupo de bancos diferente.

Además, hay tres señales de selección de chip (C0, C1, C2), lo que permite colocar hasta ocho chips apilados dentro de un único paquete de DRAM. Estos actúan efectivamente como tres bits de selección de banco más, lo que eleva el total a siete (128 bancos posibles).

Las velocidades de transferencia estándar son 1600, 1866, 2133, 2400, 2666, 2933 y 3200 MT/s [49] [50] ( frecuencias de reloj de 1215 , 1415 , 1615 , 1815 , 2015 , 2215 y 2415  GHz, doble velocidad de datos), con velocidades de hasta DDR4-4800 (reloj de 2400 MHz) disponibles comercialmente. [51]

Consideraciones de diseño

El equipo DDR4 de Micron Technology identificó algunos puntos clave para el diseño de circuitos integrados y PCB: [52]

Diseño de circuitos integrados: [52]

Diseño de placa de circuito: [52]

Las técnicas de mitigación de Rowhammer incluyen capacitores de almacenamiento más grandes, modificación de las líneas de dirección para usar la aleatorización del diseño del espacio de direcciones y líneas de E/S de voltaje dual que aíslan aún más las posibles condiciones límite que podrían generar inestabilidad a altas velocidades de escritura/lectura.

Módulos

Empaquetado de módulos

Un módulo SO-DIMM DDR4 de 16 GB [1] de Micron

La memoria DDR4 se suministra en módulos de memoria dual en línea (DIMM) de 288 pines , de tamaño similar a los DIMM DDR3 de 240 pines. Los módulos de RAM DDR4 tienen pines que están espaciados más cerca, a 0,85 mm en comparación con el espaciado de 1,0 mm en DDR3, lo que permite una mayor densidad de pines dentro de la misma longitud DIMM estándar de 133,35 mm (5¼ pulgadas). La altura de los módulos DDR4 se ha aumentado ligeramente de 30,35 mm (1,2 pulgadas) a 31,25 mm (1,23 pulgadas) para facilitar el enrutamiento de la señal. Además, el grosor de los módulos DDR4 se ha aumentado de 1,0 mm a 1,2 mm para admitir más capas de señal, lo que mejora el rendimiento y la confiabilidad generales. [53] Los módulos DIMM DDR4 tienen un conector de borde ligeramente curvado , por lo que no todos los pines se acoplan al mismo tiempo durante la inserción del módulo, lo que reduce la fuerza de inserción. [13]

Las SO-DIMM DDR4 tienen 260 pines en lugar de los 204 pines de las SO-DIMM DDR3, espaciadas a 0,5 en lugar de 0,6 mm, y son 2,0 mm más anchas (69,6 frente a 67,6 mm), pero mantienen la misma altura de 30 mm. [54]

Para su microarquitectura Skylake , Intel diseñó un paquete SO-DIMM llamado UniDIMM , que puede ser llenado con chips DDR3 o DDR4. Al mismo tiempo, se anunció que el controlador de memoria integrado (IMC) de las CPU Skylake es capaz de trabajar con ambos tipos de memoria. El propósito de los UniDIMM es ayudar en la transición del mercado de DDR3 a DDR4, donde el precio y la disponibilidad pueden hacer que no sea deseable cambiar el tipo de RAM. Los UniDIMM tienen las mismas dimensiones y número de pines que los SO-DIMM DDR4 normales, pero la muesca del conector de borde está ubicada de manera diferente para evitar el uso accidental en zócalos SO-DIMM DDR4 incompatibles. [55]

Módulo DDR4 estándar JEDEC

Latencia CAS (CL)
Ciclos de reloj entre el envío de una dirección de columna a la memoria y el comienzo de los datos en respuesta
tRCD
Ciclos de reloj entre la activación de fila y las lecturas/escrituras
tRP
Ciclos de reloj entre precarga de fila y activación

DDR4-xxxx indica la velocidad de transferencia de datos por bit y normalmente se utiliza para describir chips DDR. PC4-xxxxx indica la velocidad de transferencia general, en megabytes por segundo, y se aplica solo a módulos (DIMM ensamblados). Debido a que los módulos de memoria DDR4 transfieren datos en un bus de 8 bytes (64 bits de datos) de ancho, la velocidad de transferencia máxima del módulo se calcula tomando las transferencias por segundo y multiplicándolas por ocho. [56]

Sucesor

En el Intel Developer Forum de 2016 se debatió el futuro de la memoria SDRAM DDR5 . Las especificaciones se ultimaron a finales de 2016, pero no habrá módulos disponibles antes de 2020. [57] También se han propuesto otras tecnologías de memoria, concretamente HBM en sus versiones 3 y 4 [58]  , que pretenden sustituir a la DDR4.

En 2011, JEDEC introdujo el estándar Wide I/O 2 , que incluye chips de memoria apilados colocados directamente sobre la CPU dentro del mismo paquete. Esta configuración proporciona un mayor ancho de banda y una mejor eficiencia energética en comparación con la SDRAM DDR4, gracias a su amplia interfaz y a las cortas longitudes de señal. Wide I/O 2 tiene como objetivo reemplazar varios estándares de SDRAM DDRX móviles utilizados en dispositivos móviles e integrados de alto rendimiento, como los teléfonos inteligentes.

Paralelamente, Hynix desarrolló la memoria de alto ancho de banda (HBM) , estandarizada como JEDEC JESD235. Tanto Wide I/O 2 como HBM utilizan una interfaz de memoria paralela muy amplia (hasta 512 bits para Wide I/O 2 en comparación con los 64 bits de DDR4), aunque operan a frecuencias más bajas que DDR4. Wide I/O 2 está diseñada para dispositivos compactos de alto rendimiento, a menudo integrados en procesadores o paquetes de sistema en un chip (SoC). Por el contrario, HBM apunta a la memoria gráfica y la computación general, mientras que Hybrid Memory Cube (HMC) está dirigido a servidores de alta gama y aplicaciones empresariales. [59]

La memoria apilada Hybrid Memory Cube (HMC) de Micron Technology utiliza una interfaz serial. Muchos otros buses de computadora han migrado hacia la sustitución de buses paralelos por buses seriales, por ejemplo, mediante la evolución de Serial ATA en sustitución de Parallel ATA , PCI Express en sustitución de PCI y puertos seriales en sustitución de puertos paralelos. En general, los buses seriales son más fáciles de escalar y tienen menos cables/pistas, lo que hace que las placas de circuitos que los utilizan sean más fáciles de diseñar. [60] [61] [62]

A largo plazo, los expertos especulan que los tipos de RAM no volátiles como PCM ( memoria de cambio de fase ), RRAM ( memoria de acceso aleatorio resistiva ) o MRAM ( memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva ) podrían reemplazar a la SDRAM DDR4 y sus sucesoras. [63]

GDDR5 SGRAM es un tipo de RAM gráfica síncrona DDR3 , que se introdujo antes de DDR4 y no es un sucesor de DDR4.

Véase también

Notas

  1. ^ Como prototipo, este módulo de memoria DDR4 tiene un conector de borde plano en la parte inferior, mientras que los módulos DIMM DDR4 de producción tienen un conector de borde ligeramente curvado, por lo que no todos los pines están acoplados a la vez durante la inserción del módulo, lo que reduce la fuerza de inserción. [13]
  2. ^ 1 MT = un millón de transferencias
  3. ^ 1 GB = mil millones de bytes

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Enlaces externos