DDR4 geheugen en PCI-Express 3.0 uitgelicht

33 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. DDR3
  3. 3. DDR4
  4. 4. Tijdpad
  5. 5. PCI-Express 3.0
  6. 6. Wireless PCI-Express
  7. 7. Conclusie
  8. 8. Reacties

Inleiding

DDR4 geheugen moet over een paar jaar het op dit moment ingeburgerde DDR3 gaan opvolgen. Eerder nog moeten de PCI-Express 2.0 sloten op moederborden plaatsmaken voor versie 3.0. Een korte blik op twee toekomstige technologieën.

Een moederbord van 2010 lijkt in niets meer op een moederbord van een dikke tien jaar geleden. Serial ATA kwam in de plaats van Parallel ATA, PCI-Express in plaats van AGP en PCI, USB in plaats van de seriële en parallele poort, DDR-geheugen in plaats van SDRAM en zo kunnen we nog wel even door gaan. De nieuwe standaarden worden door hun ontwerpers ook steeds verbeterd en versneld. Na Serial ATA 150 kwam Serial ATA 300, na DDR kwam DDR2, na USB 1.1 kwam USB 2.0 en na PCI-Express 1.0 kwam PCI-Express 2.0, stuk voor stuk vernieuwingen met minimaal een verdubbeling van de snelheid.

Recentelijk hebben we opnieuw twee belangrijke vernieuwingen op het moederbord gezien. De nieuwe Serial ATA 600 interface versnelt de verbinding tussen chipset en harde schijf of SSD van 300 naar 600 MB/s. De nieuwe USB 3.0 standaard versnelt de communicatie met randapparatuur van 480 Mbit/s naar 4,8 Gbit/s. Hoewel er vast achter de schermen alweer wordt gewerkt aan Serial ATA 1200 en USB 4.0, zijn de komende jaren eerst enkele andere onderdelen van het moederbord aan de beurt. De nu ingeburgerde DDR3-geheugenmodules zullen ergens de komende paar jaar plaats maken voor DDR4 en de PCI-Express interface krijgt een upgrade naar versie 3.0.

MSI P67A-GD65

Binnen afzienbare tijd worden de DDR3 sloten vervangen door DDR4 en is er een nieuwe versie van PCI-Express op komst

DDR3

De huidige geheugenstandaard, DDR3, werd geïntroduceerd in 2007 en voor het eerst toegepast op de Intel P35 chipset. DDR3 was, hoe kan het ook anders, een doorontwikkeling van DDR2, wat op zijn beurt weer een doorontwikkeling van DDR-geheugen was. De afkorting staat voor Double Data Rate, wat betekent dat de geheugenchips per klokslag twee keer data kunnen versturen. Bij DDR3-1600 modules bedraagt de klokfrequentie officieel 800 MHz, maar omdat er dus iedere klokslag twee keer dataoverdracht plaatsvindt, worden de modules aangeduid als zijnde 1600 MHz.

Zowel de overstap van DDR naar DDR2 als die van DDR2 naar DDR3 was bedoeld om de klokfrequenties op te kunnen voeren. Lagere voltages voor de chips alsmede verbeterde communicatiealgoritmes zorgden er beide keren voor dat de snelheid aan het eind van de rit verdubbeld werd. Bij DDR was DDR400 de meest ingeburgerde variant, bij DDR2 werd dat DDR2-800 en bij DDR3 begint DDR3-1600 nu de de facto standaard te worden. Het laat zich dus raden wat de doelen voor DDR4 zijn…

Corsair XMS3 4GB DDR3-1600 CL7 kit 

Nu is het nog DDR3 wat de klok slaat, vanaf 2012 komt DDR4 in opkomst.

DDR4

Eerst en vooral: de specificatie voor DDR4 geheugenchips is nog niet af. Binnen de Jedec organisatie die de standaarden formuleert wordt door verschillende belanghebbenden – waaronder alle grote geheugen- en processorfabrikanten – nog over de nodige details gediscussieerd. DDR4-geheugenmodules en moederborden zullen zodoende naar verwachting pas in 2012 het levenslicht zien, over twee jaar dus. Verwar de standaard dan ook niet met de GDDR4- of GDDR5-geheugenchips zoals die alweer een tijdje op videokaarten aanwezig zijn. De standaarden voor systeem- en videokaartgeheugen lopen al lange tijd niet meer synchroon, omdat de eisen voor beide compleet anders zijn. Een belangrijk verschil is bijvoorbeeld dat normaal geheugen op losse modules geplaatst moet kunnen worden, terwijl videokaart geheugenchips per definitie op dezelfde kaart als de GPU zitten met slechts zeer korte datalijnen er tussen.

Net als bij de vorige transities zal DDR4 in eerste instantie worden geïntroduceerd op de hoogste officiële klokfrequentie van DDR3, 1600 MHz dus. Daarnaast zal naar verluidt ook DDR4-2133 direct als officiële standaard beschikbaar worden. Voor 2013 en verder staan DDR4-2400, DDR4-2667 en DDR4-3200 op de rol, om zo uiteindelijk weer een verdubbeling tot stand te brengen. Dergelijke snelheden zijn met de bestaande DDR3-technologie alleen mogelijk wanneer je zeer extreem gaat overklokken.

Eén euvel zal opnieuw plaatsvinden: net als bij de vorige transitie zullen de latencies, ofwel de wachttijden tussen het opvragen van data bij een geheugenchip en het daadwerkelijk beschikbaar zijn daarvan, relatief stijgen. Met DDR3 zijn we gewend aan CAS-latencies van 7, 8 of 9 kloktikken. Bij DDR2 waren juist CAS-latencies 4, 5 en 6 normaal. Let wel; de latencies zijn uitgedrukt in klokslagen, wat betekent dat CL4 op 800 MHz exact even lang duurt als CL8 op 1600 MHz. Per saldo worden de latencies bij een nieuwe geheugenstandaard in de regel dus wat korter.

Voltage

Belangrijk onderdeel van de nieuwe standaard is dat het voltage waarop het geheugen werkt verder wordt verlaagd. Voor DDR4 wordt een initieel voltage van 1,2 volt verwacht, waar bij DDR3 nu 1,5 volt standaard is. Bij de snellere DDR4-varianten vanaf 2013 zal er naar verluidt een voltage van 1,0 volt gebruikt worden. Vanuit productie oogpunt zijn de verschillende fabrikanten zich al op deze verandering aan het voorbereiden. Zo heeft Samsung sinds korte tijd een nieuwe lijn DDR3-chips geproduceerd met 30 nm transistors die hun werk kunnen doen op 1,35 volt. Samen met de aanpassingen van de architectuur bij DDR4 moet dit productieprocedé geschikt zijn voor de volgende generatie.

Samsung heeft nu al op 30nm geproduceerde DDR3 chips en is zo bijna klaar voor de overstap op DDR4.

Tijdpad

Wanneer DDR4 exact z’n intrede zal gaan doen, is nog moeilijk te voorspellen. De standaard moet immers voltooid zijn voordat processorfabrikanten Intel en AMD geschikte controllers voor toekomstige processors gaan ontwerpen. Intels net geintroduceerde generatie processors, Sandy Bridge, is nog steeds gebaseerd op DDR3. Eind van dit jaar (of net begin volgend jaar) komt Ivy Bridge,een nieuwe generatie CPU’s gebaseerd op dezelfde architectuur, maar dan met kleinere 22 nm transistors. Dat zal betekenen dat DDR4 pas op z’n vroegst in de Haswell processorgeneratie daarna kan worden geïntegreerd. Haswell staat op Intels roadmaps voor eind 2012 en dat zou, zo het lijkt, mooi in lijn zijn met wanneer de Jedec-organisatie klaar is met DDR4.

JEDEC is de organisatie die de nieuwe standaard beheert en ontwikkelt.

Vermoedelijk hoeven we - net als bij DDR3 - de eerste periode nog niet veel van AMD te verwachten. Ergens in 2011 komt AMD met een nieuwe generatie processors gebaseerd op de Bulldozer architectuur. Ook hierin zit nog een DDR3-geheugencontroller. AMD staat er om bekend dat het bedrijf sockets graag zo lang mogelijk gelijk houdt. Wanneer het met de introductie van Bulldozer in 2011 een daarvoor geschikte socket met DDR3-ondersteuning introduceert, zal het bedrijf daar naar verwachting minstens twee jaar aan vast houden. Vermoedelijk zal AMD dus niet eerder dan 2013 processors met DDR4 geheugencontroller hebben.

PCI-Express 3.0

Een standaard die we veel eerder dan DDR4 mogen verwachten is PCI-Express 3.0, opvolger van het huidige PCI-Express 2.0. De standaard is nog niet geheel klaar, maar het PCI-SIG consortium is in een vergevorderd stadium. Het doel was om net als bij de overstap van PCI-Express 1.0 naar 2.0 een verdubbeling van de bandbreedte te bewerkstelligen, terwijl wederzijdse compatibiliteit gewaarborgd blijft. Dat betekent dat de sloten fysiek identiek blijven en dat een toekomstige PCI-Express 3.0 uitbreidingskaart prima functioneert in een PCI-Express 2.0 slot – en andersom.

Zoals bekend werkt de PCI-Express standaard met afzonderlijke lanes, ofwel seriële dataverbindingen. Vier, acht of zestien lanes kunnen in een groter slot gecombineerd worden om zo een hogere doorvoersnelheid te bewerkstelligen. Bij PCI-Express 1.0 werkten de lanes op een klokfrequentie van 2,5 GHz, waardoor er dus 2,5 miljard keer per seconde een bit (0 of 1) verstuurd kon worden. Dankzij de gebruikt 8b/10b encodering, waarover verderop meer, bood een PCI-Express 1.0 x1 slot een doorvoersnelheid van 250 MB/s en een PCI-Express 1.0 x16 slot het zestienvoudige, ofwel 4 GB/s.

PCI-Express 3.0 poorten zullen fysiek identiek zijn aan bestaande PCI-Express 1.0 en 2.0 sloten.

Bij PCI-Express 2.0 verdubbelde de klokfrequentie naar 5 GHz, waardoor ook de beschikbare doorvoersnelheid verdubbelde: 500 MB/s voor PCI-Express 2.0 x1 en 8 GB/s voor PCI-Express 2.0 x16. Bij PCI-Express 3.0 wordt de klokfrequentie verhoogt van 5 GHz naar 8 GHz, geen factor twee dus, maar toch belooft met een verdubbeling van de snelheid. Dat heeft alles te maken met de gebruikte codering….

8b/10b

PCI-Express is zoals gezegd een serieel protocol, wat betekent dat alle lanes afzonderlijk data versturen en niet gesynchroniseerd te hoeven worden met elkaar of met een extern kloksignaal. De ontvanger moet uit de data zelf het exacte tempo waarop de data verstuurd worden kunnen extraheren, zodat verzender en ontvanger synchroon te werk kunnen gaan. Zoals bekend bestaat alle data binnen de PC uit 1’en en 0’en – in de praktijk: wel of geen spanning – en als deze twee elkaar in een aanhoudende stroom data maar vaak genoeg afwisselen, heeft de ontvanger binnen no-time het juiste ‘ritme’ te pakken. Wanneer er in de communicatiestroom echter toevallig ofwel heel veel 0-en ofwel heel veel 1-en achter elkaar komen, en er dus ofwel heel lang geen of juist heel lang wel spanning is, kan de synchronisatie wegvallen en kan de ontvanger niet meer helemaal zeker weten hoeveel 0’en of 1’en nu exact ontvangen zijn. Om dat probleem te ondervangen wordt bij PCI-Express 1.0 en 2.0 zogenaamde 8b/10b encodering toegepast, net als bij de USB-standaard overigens.

Bij deze codering wordt voor elke 8 bits aan uiteindelijk 10 bits gebruikt. De data wordt op dusdanige wijze vertaald dat er maximaal 3 nullen of enen achter elkaar kunnen komen. In een uiteindelijke datastroom is het totaal aantal nullen uiteindelijk vrijwel even groot als het aantal enen. Waar je normaal dus hebt geleerd dat 1 byte gelijk staat aan 8 bits, worden er bij PCI-Express 10-bits gebruikt voor 1 byte. Vandaar dus dat 5000 bits versturen per seconde (5 GHz) bij PCI-Express 2.0 gelijk staat aan 500 MB/s.

PCI-Express 3.0 stapt af van deze encodering en past een 128b/130b codering toe. Ofwel: voor iedere 128-bits een data worden 130-bits verstuurd. Er is dus vrijwel geen overhead. Op deze manier kunnen er wel meer 0-en en 1-en achter elkaar komen, maar daar is een andere – overigens nog niet bekend gemaakte – oplossing voor bedacht. De 8 GHz klokfrequentie van PCI-Express 3.0 resulteert zodoende in net geen 1 GB/s, 984 MB/s om precies te zijn. We mogen wel zeggen dat dit een verdubbeling is ten opzichte van de 500 MB/s van PCI-Express 2.0. Een x16 slot van de 3.0 generatie kan dus net geen 16 GB/s transporteren.

Wireless PCI-Express

De overstap naar versie 3.0 is niet de enige verandering die we in de toekomst mogen verwachten aan het PCI-Express front. De bedrijven Atheros and Wilocity hebben kort geleden aangegeven gezamenlijk te werken aan een draadloze versie van de PCI-Express bus. Deze Wireless PCI-Express standaard zou door gebruik te maken van de 60 GHz band voldoende bandbreedte moeten hebben om vergelijkbare prestaties met normale PCI-Express verbindingen te kunnen bieden. De mogelijkheden zijn legio: wat te denken van een externe, krachtige grafische kaart die je draadloos met je notebook kunt verbinden? Of en wanneer Wireless PCI-Express er komt is echter nog onduidelijk: beide bedrijven zijn pas net met de ontwikkeling begonnen en de PCI-SIG, de consortium dat de PCI-standaarden bepaalt, zwijgt nog in alle toonaarden.

Chipsets

Het gerucht gaat dat de Intel X68 chipset voor de in de tweede helft van dit jaar verschijnende high-end Sandy Bridge processors de eerste chipset zal zijn met ondersteuning voor PCI-Express 3.0. Voor midrange platforms integreert Intel tegenwoordig de PCI-Express controller in de processor. Een upgrade naar 3.0 zal ofwel bij Ivy Bridge eind 2011 ofwel bij Haswell eind 2012 plaatsvinden. Van AMD is nog niet bekend wanneer de chipset divisie met PCI-Express 3.0 aan de slag gaat.

De nieuwe standaard zal de eerste tijd overigens voornamelijk in servers erg nuttig zijn, bijvoorbeeld voor high-end fibre channel netwerkkaarten. nVidia en AMD zijn uiteraard ook lid van het PCI-SIG consortium en het ligt voor de hand dat ook zij op termijn hun videokaarten in PCI-Express 3.0 uitvoering op de markt brengen.

Conclusie

De komende jaren mogen we een tweetal grote, zij het evolutionaire veranderingen op het moederbord verwachten. Allereerst wordt DDR3 stap-voor-stap vervangen voor DDR4. Doel is om de klokfrequenties en dus de datadoorvoersnelheid te verdubbelen. Eenzelfde verdubbeling zal plaats vinden bij PCI-Express 3.0. Beide standaarden zijn nog niet geheel gereed. Van DDR4 hoeven we voor 2012 nog niks te verwachten. PCI-Express 3.0 verschijnt op z’n vroegst in 2011.

De eerste DDR4 geheugenlatjes met Samsung chips

0
*