[Jetzt mit Video] Vorschau auf DDR4-RAM: Unterschiede gegenüber DDR3 und Technik erklärt

Das JEDEC-Konsortium hat im September 2012 den DDR4-Standard verabschiedet. Seitdem existiert eine gesicherte Basis für die Entwicklung von DDR4-RAM, die bereits davor von einzelnen Herstellern vorangetrieben wurde. Gegenüber DDR3-RAM soll DDR4 eine höhere Geschwindigkeit und Kapazität bei reduzierter Leistungsaufnahme bieten. In die Spezifikation sind unter anderem einige Neuerungen von GDDR4/5-Grafikspeicher miteingeflossen, welche wiederum auf DDR3-RAM basieren. Wir erklären, was es mit DDR4-RAM auf sich hat.

DDR4-RAM: Äußerlichkeiten

Die Anzahl der Kontaktflächen erhöht sich ausgehend von DDR3-RAM von 240 auf 288. Da sich an der Länge von 133,35 Millimetern nichts ändert, schrumpft die Größe pro Kontaktfläche von 1 auf 0,85 Millimeter. Die Standardhöhe steigt minimal von 30,35 auf 31,25 Millimeter. Die Dicke erhöht sich von 1,0 auf 1,2 Millimeter. Eine leicht auf eine Seite versetzte Einkerbung soll im Zusammenspiel mit einem entsprechenden Gegenstück im Steckplatz ein falsches Einsetzen verhindern. Bei kompakten SO-DIMMs für Mobilgeräte steigt die Anzahl der Kontaktflächen von 204 auf 256. Trotz der um einen Millimeter gestiegenen Breite sinkt der Platz pro Kontaktfläche von 0,6 auf 0,5 Millimeter. Erstmals bei Crucial im Rahmen der CES 2014 gab es DDR4-Module mit seitlich verkürzten Kontaktstellen zu sehen (siehe Galerie), was den Einbau erleichtern soll.

In der Praxis werden die verkleinerten Kontaktflächen dafür sorgen, dass es noch wichtiger ist als bisher, sich vor dem Einsetzen zu versichern, dass der Steckplatz sowie die Kontakte frei von Verunreinigungen sind. Die um 0,9 Millimeter leicht gestiegene Höhe sollte in normalen PCs keine Probleme mit großen Prozessorkühlern machen, denn problematisch sind in erster Linie voluminöse RAM-Kühler, welche zum Teil mehrere Zentimeter über die Platine des Speicherriegels hinausragen. Für sehr beengte Mini-ITX-Systeme könnten Low-Profile-Module aber noch ein wenig interessanter werden. Durch die gestiegene Dicke haben die Hersteller die Möglichkeit, die Platine aus mehr Schichten aufzubauen, was der Signalqualität zugutekommen sollte. Die Kompatibilität mit bereits erhältlichen RAM-Kühlern könnte darunter aber leiden, was von der Bauweise abhängig ist.

DDR4-RAM: Innenleben

Um mehr Speicherkapazität auf einer gleichen Chipfläche unterzubringen, spielen neben Fortschritten bei der Verkleinerung der Strukturgröße Verfahren wie 3D-Stacking eine wichtige Rolle. Mittels Silizium-Durchkontaktierung ist es möglich, eine vertikale elektrische Verbindung zwischen mehreren Lagen eines Silizium-Substrats zu realisieren und damit mehrere übereinander geschichtete Dies anzusprechen. Wie Speicherhersteller bereits gezeigt haben, ist 3D-Stacking zwar technisch bereits mit DDR3-RAM möglich, bringt aber unter anderem neue Aktivierungsbefehle und anders belegte Chip-Unterseiten mit sich, die in der ursprünglichen DDR3-Spezifikation nicht vorgesehen waren. Mit DDR4-RAM schafft die JEDEC von Beginn an die Möglichkeit, auf 3D-Stacking zurückzugreifen und bis zu acht einzelne Dies übereinanderzustapeln. Langfristig gesehen dürfte diese Neuerung vor allem im professionellen Umfeld geringere Aufpreise für hochkapazitative RAM-Module bedeuten.

Mit DDR4 erhöht sich auch die Komplexität der internen Organistation weiter: Bis zu 8 Ranks und 16 interne Bänke - nicht mit Steckplätzen auf dem Mainboard zu verwechseln - sind nun erlaubt; bei DDR3-RAM lagen die Limits noch bei 4 Ranks und 8 internen Bänken. Die 16 Bänke eines Speicherchips werden mit DDR4 allerdings in Gruppen von 4 Bänken unterteilt. Jede Speicherzelle einer Bank ist unterteilt in Zeilen und Spalten. Die Speicherkapazität pro Zeile beträgt bei DDR3-RAM entweder 1 oder 2 KiByte, bei DDR4-RAM wurde die Untergrenze auf 512 Byte gesenkt. Je kürzer eine Zeile, desto schneller können unterschiedliche Zeilen aktiviert werden und desto weniger Energie wird pro Zeile benötigt.

DDR4-RAM: Detailverbesserungen

Je höher die Taktfrequenz und je niedriger die Spannung, desto schwieriger ist ein fehlerfreier Signalaustausch. Daher beinhaltet die DDR4-Spezifikation mehrere neue Maßnahmen, welche einen fehlerfreien Betrieb sicherstellen sollen. DDR4-RAM unterstützt beispielsweise zyklische Redundanzprüfung bei Schreibzugriffen sowie die Paritätsprüfung von Kommando- und Adressierungssignalen.

Neu ist auch die im Speichersegment bereits mit GDDR4 eingeführte Technik Data Bus Inversion (DBI). Dabei werden eingehende Signale elektrisch invertiert, also umgedreht, wenn sich damit ein niedrigerer Energiebedarf und weniger Ladungswechsel erzielen lassen. Eine 0 wird also zu einer 1, wenn bei einer eingegangenen Gruppe von Bits mindestens die Hälfte eine Ladungsänderung zur korrekten Verarbeitung erfordern würde. Die betroffene Folge von Bits wird allerdings mithilfe eines Flag-Bits gekennzeichnet, damit die Daten später korrekt ausgelesen, also erneut invertiert werden. Dieser Vorgang verbessert in der Praxis die Signalqualität und reduziert die Leistungsaufnahme.

Referenzspannungen stellen vereinfacht gesagt die Grenze zwischen den Spannungszuständen dar, die entweder als 0 oder als 1 interpretiert werden können. Bei DDR3 gibt es zwei verschiedene Eingang-Pins für den Daten-Bus sowie für Kommando- und Adressierungssignale. Bei Datenübertragungen entsteht allerdings Signalrauschen, das auch die Referenzspannungen beeinträchtigt. Daher sieht die JEDEC für DDR4-RAM vor, dass der Eingangs-Pin für die Referenzspannung der Datenleitung wegfällt und diese Referenzspannung stattdessen intern erzeugt wird. Bei der Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle der Datenleitung kommt zur Signalterminierung statt SSTL (Series-stub terminated logic) nun POD-Technik (Pseudo-open drain) zum Einsatz, die im Grafikbereich bereits seit GDDR3 üblich ist.

Quelle: PC Games Hardware DDR4 auf dem IDF 2013 6

DDR4-RAM: Leistung

Eine der wichtigsten Fragen zu DDR4-RAM können wir derzeit noch nicht seriös beantworten: Wie hoch fällt die Mehrleistung in Spielen und Anwendungen gegenüber DDR3-Speicher aus? Das liegt nicht nur daran, dass uns bisher DDR4-Testsysteme fehlen, sondern auch an einer weiteren Neuheit: Ähnlich wie bei der Ablösung von (P)ATA durch SATA erfolgt der Wechsel von einem Multidrop-Bus zu einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Dies bedeutet in der Praxis, dass es nicht mehr wie bisher Speicherkanäle geben wird, die mit einem oder zwei Riegeln bestückt werden können. Stattdessen wird jeder zusätzliche Speicherriegel die Speichertransferrate erhöhen.

Offen ist, auf welche Modulanzahl die CPU-Hersteller ihre RAM-Controller optimieren werden. Erst in der Praxis wird sich zeigen, ob das Hinzustecken von RAM-Modulen ab einer gewissen Modulanzahl die real zur Verfügung stehende Übertragungsrate nur noch in einem geringeren Maße erhöht. Unklar ist auch, über welche Eckdaten die ersten DDR4-Module verfügen werden. Gerüchten zufolge wollen einige RAM-Hersteller gleich mit Taktraten ab DDR4-2133 durchstarten und auch das Durchbrechen der aktuellen Spezifikationsgrenze von DDR4-3200 dürfte nicht lange auf sich warten lassen. Für Hochleistungsmodule, die außerhalb der Spezifikation liegen, wird derzeit die SPD-EEPROM-Erweiterung Intel XMP 2 entwickelt. Wie es um das AMD-Gegenstück AMP bestellt ist, wissen wir noch nicht - da AMD aber noch länger auf DDR3 setzen wird, besteht aber auch kein Grund zur Eile.

Positiv dürfte sich auf die Leistung auswirken, dass anders als bisher bei jeder Einführung eines neuen DDR-RAM-Standards nicht noch mehr Daten auf Verdacht in einen Puffer geladen werden (Prefetching) und der Eingabe-/Ausgabe-Puffer beschleunigt wird - dessen Takt gibt PC Games Hardware üblicherweise an -, sondern stattdessen die Taktfrequenz der Speicherchips selbst gesteigert wird. Beispiel: Während die Speicherchips eines DDR2-800-Riegels und eines DDR3-1600-Moduls jeweils mit 200 MHz laufen, beträgt der Chiptakt eines DDR4-3200-Sticks 400 MHz. Eine erneute Ausweitung des Prefetching hätte dazu geführt, dass sich die Effizienz von DDR-RAM weiter reduziert, denn schließlich werden nie alle auf Verdacht vorgeladenen Daten tatsächlich benötigt.

DDR4-RAM: Preis und Marktaussicht

Zu Beginn der DDR3-Ära wurden saftige Aufpreise gegenüber DDR2-RAM fällig, DDR4-RAM wird voraussichtlich aber nur einen geringen Aufpreis gegenüber DDR3-Speicher kosten. Einer Prognose von IHS Inc. zufolge wird der Aufpreis für ein nicht näher spezifiziertes Registermodul mit 8 GiByte anfangs rund 30 Prozent betragen, Anfang 2015 aber nur noch bei 10 Prozent liegen. Ab 2016 könnte DDR4-RAM sogar günstiger als DDR3-RAM sein. Dazu passt die Einschätzung von Crucial, dass DDR4-RAM 2016 den Marktanteil des direkten Vorgängers übertreffen wird.

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Mit Haswell Extreme wird voraussichtlich Ende 2014 der Wechsel auf DDR4-RAM stattfinden - spätestens zum Haswell-E-Release wird es den neuen Speicher natürlich auch zu kaufen geben. Wir analysieren, worin sich der neue Speicher-Standard von DDR3 unterscheidet und welche Vor- und Nachteile DDR4 bietet.

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