Обзор DDR5: все о стандарте

Введение

DDR5 — это стандарт оперативной памяти, который пришел на смену DDR4. Он предлагает вдвое большую пропускную способность, сниженное энергопотребление и встроенную коррекцию ошибок. Спецификация была опубликована JEDEC (Комитет стандартизации полупроводниковой продукции) в июле 2020 года, а уже в октябре SK hynix представила первые модули DDR5 DRAM.

Зачем нужен новый стандарт RAM

Разработка и выпуск DDR5 — важный этап в развитии технологий оперативной памяти. В ранних типах ОЗУ DDR и DDR2 фокус был на увеличении скорости и емкости. Однако DDR5 развивает направления, заложенные в DDR3 и DDR4: повышение производительности и энергоэффективности. 

Если сравнивать DDR5 с предшественником, новый стандарт удваивает пропускную способность и увеличивает емкость модулей, одновременно снижая энергопотребление. Сегодня это особенно важно в условиях роста объемов данных, которые обрабатывают приложения, а также требований к вычислительной мощности.

Характеристики и развитие спецификации

Некоторые производители оперативной памяти вовсе отмечают, что DDR5 — это больше, чем стандартная смена поколения. В спецификации JEDEC перечисляется множество характеристик — от таймингов до тактовой частоты DDR5. Рассмотрим основные и сравним их с DDR4.

Параметр	DDR4	DDR5
Тактовая частота	до 3.2 МГц	до 4.4 МГц
Пропускная способность	до 3 200 МТ/с	до 8 800 МТ/с
Тайминги (CAS Latency)	От 10-10-10 до 24-24-24	От 22-22-22 до 62-62-62
Энергопотребление	~1.2 В	~1.1 В
On-Die ECC	нет	есть
Совместимость	несовместима с DDR5	несовместима с DDR4

Первая версия спецификации DDR5, выпущенная в 2020 году, включала в себя описание модулей памяти вплоть до DDR5-6400. В 2023 году комитет JEDEC представил обновленную версию стандарта –- спецификацию JESD79-JC5, в которую включены характеристики модулей вплоть до DDR5-8800.

Тайминги для DDR5-8800 в спецификации установлены относительно высокие — 62-62-62. Это обусловлено текущим уровнем технологий, которые лежат в основе ячеек DRAM. Однако такие параметры позволяют увеличить пиковую пропускную способность памяти на 37,5% в системах, где допустимо более длительное ожидание результата с точки зрения циклов. 

Также следует учитывать, что тайминги, которые указаны в спецификации JEDEC, в первую очередь ориентированы на производителей серверных решений. В комплектах пользовательских инсталляций результаты могут отличаться, однако в ряде случаев энтузиастам-оверлокерам удавалось добиться пропускной способности свыше 11 000 МТ/с при экстремальном разгоне.

Обновленная спецификация вносит несколько изменений, предположительно направленных на противодействие эксплойтам типа RowHammer. Исследования показали, что такие атаки потенциально могут привести к компрометации RSA-ключей. Один из новых механизмов — PRAC (Per-Row Activation Counting, функция подсчета активаций по строкам). Он отслеживает частоту обращений к конкретным строкам памяти и при превышении заданного порога инициирует перезапись ячеек в соседних строках. Это снижает риск искажения битов в результате избыточных активаций.

Как и в предыдущих поколениях, модули памяти DDR5 физически несовместимы со слотами для DDR4. Это обусловлено отличиями в положении ключа выравнивания (alignment key) на плате и конструкцией контактной площадки — у DDR5 они сделаны с небольшим скосом.

Технология On-Die ECC

Одно из важнейших нововведений DDR5 — технология ODECC (On-Die ECC, On-Die Error-Correcting Code). Разберемся вкратце, что в ней примечательного. Полноценная коррекция ошибок ECC работает извне и требует отдельных чипов на модуле для их обнаружения и исправления. Однако On-Die ECC задействует другой подход: функциональность встроена непосредственно в кристалл памяти. Такая интеграция особенно актуальна при переходе на более тонкие техпроцессы производства DRAM, где возрастает риск одиночных битовых ошибок и снижается надежность хранения данных. 

На серверных платформах On-Die ECC может исправлять однобитовые ошибки уже на этапе чтения команд до передачи данных из памяти DDR5. Это помогает повысить надежность без дополнительных аппаратных затрат.

Рассмотрим ключевые преимущества On-Die ECC.

• Снижение задержек. Исправление ошибок выполняется непосредственно в кристалле памяти, без обращения к внешним чипам. Это сокращает время доступа к данным.
• Повышение целостности данных. On-Die ECC непрерывно отслеживает данные на наличие ошибок и автоматически исправляет их в рамках планки памяти, что повышает надежность работы модулей.
• Экономия места и энергии. ECC-функции находятся на том же кристалле, что и ячейки памяти. Это экономит физическое пространство и снижает энергопотребление. 
• Рост производительности. Сокращение задержек и повышение целостности данных обеспечивают прирост общей эффективности системы, особенно в задачах с интенсивной работой с памятью.

Наглядно сравним стандартный ECC и On-Die ECC:

Характеристика	Обычный ECC	On-Die ECC
Область действия	Все планки памяти	Одна планка памяти
Требует отдельные чипы	Да	Нет
Тип обнаруживаемых ошибок	Однобитовые, многобитовые	Однобитовые, многобитовые
Тип исправляемых ошибок	Однобитовые, многобитовые	Однобитовые
Используется в серверах	Да	Да (вместе с обычным ECC)

В чем преимущество DDR5 перед DDR4

Как мы упоминали ранее, в DDR5 были реализованы несколько важных изменений, которые дают улучшения в производительности, энергоэффективности и масштабируемости. Рассмотрим ключевые особенности нового стандарта оперативной памяти.

Новая архитектура системы управления питанием

Одно из значимых изменений — переход управления питанием с материнской платы на саму планку памяти с помощью PMIC (встроенной микросхемы управления питанием). Это позволяет более гранулярно регулировать питание отдельных компонентов модуля памяти. 

В серверных решениях DDR5 PMIC использует 12 В, а в пользовательских версиях — 5 В. Благодаря этому в системах разного класса достигается лучшее распределение питания, улучшается качество сигнала и снижается уровень шума по сравнению с предыдущими поколениями.

PMIC регулирует подачу питания на планку памяти, обеспечивая стабильное напряжение 1.1 В для работы всех ее компонентов. Это помогает поддерживать целостность сигнала и снижает уровень шума, улучшая стабильность работы и энергоэффективность памяти.

Быстрее шина, больше датчиков

Еще одна ключевая особенность DDR5 — шина связи между чипами — теперь это I3C, которая работает до 10 раз быстрее, чем I2C в DDR4. Использование I3C сокращает время инициализации и обеспечивает более высокую скорость опроса.

Кроме того, в DDR5 предусмотрен SPD Hub — специализированный чип, который хранит идентификаторы DIMM-модуля, данные о производителе, объеме и таймингах используемых чипов DRAM. В чип также встроен датчик температуры, который в совокупности с двумя другими позволяет собирать более точную телеметрию для управления охлаждением. Эти датчики обеспечивают три точки измерения температуры на каждой планке памяти, что позволяет более точно управлять тепловыми режимами.

Сниженное энергопотребление

DDR5 работает при рабочем напряжении 1,1 В, что снижает энергопотребление по сравнению с аналогичными модулями DDR4, которые требуют 1,2 В. На серверном оборудовании это снижение позволяет частично компенсировать рост потребляемой мощности, связанный с более высокими рабочими частотами. В результате DDR5 предоставляет более эффективное потребление энергии, что особенно важно для серверных решений. Для мобильных устройств, например, ноутбуков, это также увеличивает автономность работы, несмотря на рост производительности.

Увеличенная пропускная способность

Одно из главных преимущества DDR5 — высокая пропускная способность. В то время как модули памяти DDR4 достигают максимальной скорости 3,2 ГТ/с при тактовой частоте 1,6 ГГц, даже начальные варианты DDR5 обеспечивают увеличение пропускной способности до 4,8 ГТ/с. Достигать такие показатели помогают новых функции и технологии, среди которых Decision feedback equalization (DFE), способствующая улучшению качества сигнала.

Новая архитектура каналов

Модуль памяти DDR4 использует 72-битную шину, состоящую из 64 бит данных и 8 бит ECC. В DDR5 каждый модуль оснащен двумя каналами с шириной по 40 бит (32 бита данных и 8 бит ECC). Несмотря на то, что суммарная ширина шины данных остается прежней – 64 бита, разделение на два независимых канала повышает эффективность доступа к памяти.

Большая емкость на кристалл

С использованием чипов DDR5 удалось значительно увеличить плотность памяти на одном кристалле до 64 ГБ. Для сравнения, в DDR4 этот показатель составляет 16 ГБ. Большая емкость кристалла напрямую влияет на суммарный объем планки памяти, который в случае с DDR5 достигает 512 ГБ. Это открывает новые возможности для использования ОЗУ в больших вычислительных системах и серверных решениях.

Выход DDR5 и конкуренция с DDR4

Память DDR5 для пользовательских систем дебютировала вместе с процессорами Intel^® Core™ 12 поколения в 2021 году. На старте ее востребованность была ограничена, главным образом, высокой стоимостью и увеличенными задержками по сравнению с DDR4 при незначительном росте частоты и пропускной способности. 

В игровых тестах первые модули DDR5 демонстрировали лишь небольшие улучшения по сравнению с модулями DDR4, а увеличенные задержки оказывали негативный эффект на работу отдельных приложений. DDR4 оставалась более привлекательной благодаря хорошему соотношению цены и производительности, а также была достаточно эффективной в большинстве задач. 

Производители выпускали материнские платы для новых процессоров Intel в двух вариантах — с поддержкой DDR4 и DDR5. Дальнейшие развитие DDR5 позволило улучшить характеристики и снизить стоимость. Это сделало новый стандарт более конкурентоспособным и выгодным по сравнению с DDR4.

Если первые тесты и сравнения DDR4 с DDR5 не давали серьезных причин для обновления комплектующих, то современные бенчмарки памяти DDR5 показывают ощутимый прирост как в синтетических тестах, так и в реальных сценариях использования.

• DDR5 в современных играх обеспечивает лучшую производительность, в том числе по показателю минимальной частоты кадров. Благодаря этому кадры отрисовываются стабильно и быстро, что подтверждают бенчмарки.
• При архивировании файлов, пакетной обработке фотографий, рендеринге видео или компиляции кода преимущество в производительности начальных вариантов DDR5 может доходить до 10%.

На старте продаж разница в стоимости пары схожих комплектов памяти DDR4 и DDR5 могла достигать 50%. С течением времени разрыв сокращался, и уже в 2023 комплекты DDR5 стоили на 15-20% дороже аналогичных DDR4. Изменения стоимости связывают с расширением производства и ростом спроса на более быструю память.

Несмотря на улучшения в DDR5, DDR4 все еще остается актуальной благодаря сочетанию цены и качества. Производительности предыдущего стандарта достаточно для повседневных задач, цена доступнее, а модули DDR4 совместимы со многими системами и еще долгое время будут подходить под большинство запросов пользователей.

Когда нужно переходить на DDR5

Новые процессоры Intel и AMD не поддерживают DDR4, поэтому переход на новый стандарт практически неизбежен при сборке нового ПК. В дальнейшем это облегчит апгрейд и обеспечит поддержку актуальных технологий. 

Также важно обратить внимание на сбалансированность комплектующих: для раскрытия полного потенциала оперативной памяти нужен процессор соответствующего уровня, что применимо и к видеокарте. Разобраться в возможностях конкретного комплекта могут помочь обзоры и специалисты по сборке.

Если же у вас уже есть свежая сборка с DDR4, то переход на новый ПК с DDR5 можно отложить. При всех нововведениях и улучшениях, которые привносит новый стандарт, свежесобранный ПК еще несколько лет сможет показывать необходимую производительность.

Процессоры и материнские платы с поддержкой DDR5

Первыми процессорами для пользовательских ПК с поддержкой DDR5 стали чипы Intel 12 поколения Alder Lake, выпущенные в 2021 году. Эти CPU, наряду с последующими 13 и 14 поколениями (Raptor Lake 2022 и Raptor Lake Refresh 2023), поддерживают как DDR4, так и DDR5, что позволяет пользователю выбрать тип памяти в зависимости от бюджета и нужд системы. Процессоры Intel^® Core™ Ultra Series 1 (Meteor Lake 2023) и Core™ Ultra Series 2 (Arrow Lake 2024) поддерживают исключительно DDR5, что подчеркивает тренд на переход к более быстрой памяти.

С другой стороны, AMD также внедряет поддержку DDR5 с процессорами Ryzen 6000 (2022) на архитектуре Zen 3+, а затем с Ryzen 7000 (2022) и Ryzen 9000 (2024) на архитектуре Zen 4 и Zen 5, соответственно. Все эти чипы поддерживают только DDR5, что делает переход на новую память для пользователей AMD неизбежным.

Что касается материнских плат, существует множество моделей с поддержкой DDR5. Определить, поддерживает ли этот стандарт та или иная плата, можно по чипсету: у Intel это модели 600 и 700 серий, у AMD — 600 серия.

Серверные решения с DDR5 появились немногим позже:

• Intel: 4th Gen Xeon^® (2023) и 5th Gen Xeon (2023) Scalable Processor на базе архитектур Sapphire Rapids и Emerald Rapids, Xeon^® 6 (2024), основанные на Sierra Forest и Granite Rapids.
• AMD: линейки EPYC™ 9004 на архитектуре Zen 4 (2022) и EPYC™ 9005 на архитектуре Zen 5 (2024).

Серверные материнские платы с поддержкой DDR5 есть в продуктовых портфелях многих производителей — например, Dell, HP, Supermicro, Asus, Gigabyte, MSI и других.

Заключение

DDR5 представляет собой важный шаг вперед в развитии технологий оперативной памяти, предлагая улучшенную пропускную способность, сниженное энергопотребление и новые архитектурные решения. Хотя на старте DDR5 не предлагала существенных преимуществ, со временем технология значительно развилась. Снижение стоимости производства и увеличение производительности сделали DDR5 привлекательным выбором для многих пользователей.

В то же время, DDR4 остается актуальным решением для существующих систем, предоставляя достаточную производительность для большинства повседневных задач за более доступную цену.

При выборе между DDR4 и DDR5 стоит учитывать свои потребности и бюджет. В то время как DDR4 является отличным выбором для большинства пользователей, будущее однозначно за DDR5, которая продолжает развиваться, улучшаться и будет определять новые стандарты в производительности оперативной памяти.