DDR2-Speicher aus Intel- und AMD-Sicht

3. April 2003 / von Leonidas / Seite 1 von 1

Daß sich die Einführung von DDR2-Speichern und demzufolge auch DDR2-Mainboards weiter verzögert, hatten wir bereits in den News vermeldet. Gemäß den früheren Planungen der Speicherhersteller sollte DDR2 eigentlich schon Ende diesen Jahres mit 200 MHz DDR Taktfrequenz (DDR2/400) in den Markt kommen, um dann Mitte 2004 zum Mainstream zu werden, sprich größere Marktanteile zu erobern.

Doch noch ist DDR2-Speicher scheinbar zu teuer in der Produktion, um die ursprünglichen Planungen zeitgemäß umsetzen zu können. Eine andere Erklärung gibt es kaum, da Samples des neuen Speichers schon seit Monaten vorliegen und im Grafikkarten-Markt schließlich schon erste Produkte mit (G)DDR2-Speicher ausgeliefert werden. Während jedoch jener Grafikkarten-Markt in erster Linie immer auf die verfügbaren Frequenzen achtet (welche bei GDDR2 höher sind) und man dort auch bereit ist, entsprechende Mehrpreise für höhere Frequenzen zu bezahlen, geht es im Markt für PC-Hauptspeicher immer auch um ein gesundes Preis/Leistungsverhältnis.

Hier hat nun DDR2 das entscheidende Problem, daß die neue Speicherart auf gleichem Takt nicht schneller ist als DDR1, im genauen sogar etwas langsamer durch etwas höhere Latenzzeiten (genau kann das derzeit noch niemand sagen, schätzungsweise 0 bis 5 Prozent). Denn die Unterschiede zwischen DDR1 und DDR2 sind mitnichten bei einer höhere Pro-MHz-Leistung zu finden:

Bei DDR2 werden die Speicherzellen (ca. 90% eines Speicherchips, der Rest sind die I/O-Einheiten) nur mit der Hälfte des nominellen Taktes betrieben. Damit wird deutlich an Verlustleistung gespart, die Speicherchips sind somit auch für höhere Taktraten geeignet. Nebenbei sind DDR2-Speicherchips damit rein prinzipiell gesehen etwas günstiger herzustellen als DDR1-Speicherchips, da jene DDR2-Speicherzellen nicht mehr für die volle Taktfrequenz geeignet sein müssen.
Um aber die gleiche Leistung wie DDR1 zu erhalten, werden Speicherchip-intern die Speicherzellen mit einem doppelt so breiten Interface angebunden, so daß die nominelle theoretische Maximal-Bandbreite von gleichgetakteten DDR1- und DDR2-Speichern identisch bleibt.
Die Speicherchips werden mit einer geringeren Spannung betrieben, was zum einen aus dem niedrigeren Takt der reinen Speicherzellen und zum anderen aus den Fortschritten in der Speicherfertigung in den letzten Jahren resultiert. Damit wird wiederum Verlustleistung gespart, was die Speicherchips noch besser für höhere Taktraten geeignet macht.
Und letztlich sind die Zugriffs-Latenzen bei DDR2 (bei gleichem Takt) etwas höher als bei DDR1. Dies ermöglicht ebenfalls höhere Taktraten, welche bei den relativ niedrigen Latenzzeiten von DDR1 kaum noch zu realisieren wären. In dem Augenblick, wo DDR2 höhere Taktraten als DDR1 erreicht, werden diese relativ höhere Latenzen durch den höheren Takt natürlich wieder ausgeglichen, die reine Latenzzeit wird dann wieder gleich zu DDR1 (Erklärung zu Latenz und Latenzzeit).

DDR2 wurde also im Prinzip alleinig dafür geschaffen, um höhere Taktraten erreichen zu können. Jenes wird sich dann auch mit DDR3 im Jahr 2006 fortsetzen (als GDDR3 nur für Grafikkarten allerdings möglicherweise schon Ende diesen Jahres), mit welchem nochmals die Spannung gesenkt werden wird, um so durch eine geringere Verlustleistung wiederum höhere Taktraten ermöglichen zu können.

Jenes Prinzip der höheren Taktraten bei ansonsten (fast) gleicher Pro-MHz-Leistung bedeutet aber auch, daß DDR2 erst einmal entweder schneller takten muß als DDR1, um sich von diesem abzuheben - oder aber auf gleichem Takt günstiger angeboten werden muß. Für beides sind eigentlich bei DDR2 die Voraussetzungen geschaffen, jedoch ist die Speicherindustrie wohl noch nicht so weit, um besseres als DDR2/400 anzubieten oder aber jenes DDR2/400 günstiger als DDR1/400.

Nun ist aber der Zustand, daß DDR2 auf gleichem Takt günstiger als DDR1 angeboten wird, selbst mittelfristig eher unwahrscheinlich, weil jede neue Technologie immer erst ihre Anlaufphase braucht, bevor sie auf das Preisniveau der Vorgängertechnologier kommen kann - selbst wenn in diesem Fall DDR2 rein prinzipiell etwas günstiger herzustellen sein dürfte als DDR1. Es bleibt kurzfristig - was ungefähr auf das Jahr 2004 zutreffen sollte - für DDR2 also nur die Möglichkeit, mit höhere Taktraten als DDR1 zu überzeugen.

An dieser Stelle angekommen, ergeben sich nun für die Prozessoren von Intel und AMD (hier allerdings rein auf den K8-basierenden Athlon 64 bezogen) völlig unterschiedliche Prognosen und Zukunftsaussichten. Denn bei den Intel Pentium 4 Prozessoren würde sich ein höherer Takt von DDR2, beispielsweise in Form von DDR2/533 mit 266 MHz DDR physikalischem Takt, gar nicht lohnen, da der Prozessor mit der höheren Bandbreite auf Seitens des Speichers eigentlich gar nichts mehr anfangen kann.

Denn DDR2/400 (oder auch DDR1/400) erreicht an einem DualChannel Speicherinterface 6 GB/sec Bandbreite - exakt soviel, wie die kommenden Northwood- und Prescott-Prozessoren auf FSB800 maximal verarbeiten können. Damit würde ein höher als DDR2/400 oder DDR1/400 taktender Speicher nur dann Sinn machen, wenn Intel zu einer weiteren Erhöhung des FrontSideBus ansetzt. Diese ist allerdings erst 2005 mit den dann anstehenden Tejas-Prozessoren geplant. Jene werden mit FSB1066 einen maximalen theoretischen Bandbreitenbedarf von 8 GB/sec haben, was dann nur noch DDR2/533 (vollständig) abdecken wäre (natürlich kann man auch - mit Leistungsverlust - DDR400-Module einsetzen).

So lange Intel also bei FSB800 mit einer Bandbreiten-Anforderung von 6 GB/sec bleibt (FSB800 ist noch nicht releast, aber diese Aussage ist auf das Jahr 2004 bezogen), ergibt sich für die Intel-User keine Notwendigkeit zu DDR2-Speichern und DDR2-Mainboards, da ein DualChannel DDR1/400 System (ebenfalls 6 GB/sec) dieselbe Leistung genauso liefern kann. Allenfalls für FSB-Overclocker wird schnellerer Speicher interessant sein, allerdings stehen den noch nicht vorhandenen DDR2/466 und DDR2/533 Speichern hier schon jetzt im Markt befindliche DDR1/433 und DDR1/466 Angebote gebenüber, auch wird die DDR1-Entwicklung einiger Speicherhersteller noch bis zu DDR1/500 weitergehen.

Damit läßt sich festhalten, daß DDR2 für Intel-Systeme bis zur Einführung des FSB1066 im Jahre 2005 aus Performance-Sicht komplett uninteressant ist, da DDR1 die bis zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Anforderungen mindestens genauso gut wird abdecken können. DDR2-Speicher und DDR2-Mainboards müssten also schon günstiger angeboten werden als vergleichbare DDR2-Produkte, damit DDR2 vor dem FSB1066 auf dem Intel-Markt Sinn machen würde.

Eine völlig andere Situation ergibt sich dagegen bei AMD´s Athlon 64 Prozessor: Hier ist das Speicherinterface direkt im Prozessor integriert und wächst damit mit dem verbauten Speicher direkt mit. Der Umstieg von DDR1/400 auf DDR2/400 macht hier zwar genauso wenig Sinn wie beim Pentium 4, jedoch kann der AMD NextGen-Prozessor durchaus von höher getakteten DDR2-Speichern á DDR2/466 und DDR2/533 profitieren, da in diesem Fall eine Erhöhung des Speichertaktes automatisch zu einer höheren verfügbaren Bandbreite führt.

Denn bei den K8-Prozessoren gibt es keinen FrontSideBus mehr, sondern nur noch den Speichertakt. Zwar ist derzeit noch nicht sicher bekannt, wie AMD die Anbindung des Speichers auf dem Mainboard an das Speicherinterface des Prozessors in der Praxis realisiert, aber man kann eigentlich davon ausgehen, daß solche Begriffe wie "Multiplikator" oder "Teiler" beim K8 eigentlich flachfallen dürften. Dann wäre nämlich ein bestimmter K8-Prozessor immer speziell an eine Speicherart á DDR333 gebunden, man könnte auf diesem Prozessor also nur diesen Speicher einsetzen.

Da diese extreme Einschränkung eher unvollstellbar ist, bleibt als wahrscheinliste Möglichkeit beim K8 nur noch ein völlig freies Speicherinterface: Das heißt, alle Taktraten desselben Speichers (DDR1 oder DDR2) können eingesetzt werden. Dies bedeutet beispielsweise auch, daß alle auf der CeBIT im gewöhnlichen mit DDR333 zu sehenden K8-Prozessoren auch problemlos mit DDR400, DDR433, DDR466 oder auch an Samples von DDR500 betreibbar gewesen wären. Das Speicherinterface der K8-Prozessoren ist zwar prinzipiell auf "DDR1" oder "DDR2" ausgerichtet (für DDR2 wird es extra K8-Prozessoren geben, die 2004 erscheinen), nicht aber auf spezielle Taktraten.

Daß AMD den K8 trotzdem derzeit offiziell nur mit DDR333-Support anführt, hängt daran, daß man neue Taktraten immer erst ausreichend validiert (was Intel genauso handhabt). So wird nach glaubwürdigen Gerüchten derzeit bei AMD DDR400 für den K8 validiert, die noch höher getakteten Typen DDR433, DDR466, DDR500 werden allerdings nicht in den Genuß einer solchen Validierung kommen, da diese Speichersorten doch eher nur für den sehr kleinen Overclocking-Markt sind. Technisch gesehen sind sie jedoch auch ohne jegliche Validierung auf K8-Prozessoren einsetzbar.

Hier ergibt sich nun eben die Abweichung zu Intel: Während der Pentium 4 an seinen FrontSideBus gebunden ist und nicht schnellere Speicher braucht, als der FSB benötigt, wächst der K8 direkt mit der höheren Speicherbandbreite schnellerer Speicher mit. Zwar gibt es beim Athlon 64 kein DualChannel Interface wie noch beim nForce2-Chipsatz mehr (das Speicherinterface ist wie gesagt direkt im Prozessor, nur der Server-Prozessor Opteron bekommt ein DualChannel Interface), dafür kann man aber auch mit Speichern überhalb von DDR1/400 oder DDR2/400 die im Prozessor auch real ankommende Speicherbandbreite erhöhen.

Und jetzt kommt DDR2 ins Spiel: Bei DDR1 wird die letzte Evolutionsstufe wohl DDR1/500 sein, dieses wird zudem nach bisherigem Erkenntnisstand nur von recht wenigen Herstellern sehr teuer angeboten werden. Hier kann nun DDR2 seine Vorteile bei der Erreichung höherer Taktraten ausspielen: Auch mit DDR2/533 wird man auf K8-Prozessoren noch spürbare Vorteile erzielen können, da man so die Speicherbandbreite zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher von 3 GB/sec bei DDR1/400 auf 4,5 GB/sec bei DDR2/533 steigern kann. Auch noch höher getaktete DDR2-Speicher wie die allerdings noch nicht direkt angekündigten DDR2/600 und DDR2/666 bringen den Athlon 64 immer weiter auf Touren.

Anzumerken wäre allerdings, daß diese Überlegung von der momentan leider eben noch unbestätigten Grundlage ausgeht, das Speicherinterface in den K8-Prozessoren sei an keine Multiplikatoren oder Teiler gebunden. Momentan spricht alles für diese Annahme, sicher werden wir dies allerdings erst in einigen Wochen zum Start des ersten K8-Prozessors Opteron wissen. Sollte diese (wahrscheinliche) Annahme jedoch zutreffen, können sich die K8-User schon einmal auf DDR2-Speicher und DDR2-Mainboards freuen, bedeuten doch hier höher getakteter Speicher automatisch Mehrleistung für den K8-Prozessor - im Gegensatz zu den Intel-Prozessoren, so lange Intel beim FSB800 bleibt. Diesen kleinen, aber feinen Unterschied gilt es bei aller Euphorie über DDR2-Speicher und DDR2-Mainboards immer zu beachten.

Erklärung zu Latenz und Latenzzeit

Es gibt hier bezüglich der Computer-Technik einen Unterschied zwischen den Wörtern "Latenz" und "Latenzzeit". Die Latenz wird in Takten angegeben, während als Latenzzeit jene Zeit bezeichnet wird, welche dieser Vorgang real benötigt. Damit fließt in die Latenzzeit auch immer die Taktfrequenz ein, womit die Latenzzeiten bei schneller getakteten Speichern geringer sind als bei langsamer getakteten Speicher, auch wenn die reine Latenz (in Takten) gleich ist.

Beispielsweise braucht ein Speicher 8 Takte, um Daten einer beliebige Stelle im RAM zu liefern. Ein Takt bei 200 MHz dauert 5 ns, ein Takt bei 250 MHz ist nur noch 4 ns lang. Also braucht ein Speicher, der mit 250 MHz getaktet ist und 10 Takte Latenz hat (4 ns * 10 = 40 ns), genau gleich lang wie ein Speicher, der mit 200 MHz getaktet ist und 8 Takte Latenz hat (5ns * 8 = 40 ns). Trotz unterschiedlicher Latenzen ist in diesem Beispiel die Latenzzeit durch den Einfluß der Taktfrequenz dann trotzdem wieder gleich.

Update vom 24. April 2003:

Etwas enttäuschend an den gestrigen Opteron-Artikeln war der Umstand, daß sich (fast) keiner um die Problematik gekümmert hat, wie der Opteron nun seinen Takt ermittelt und welche Auswirkungen dies auf seine technische Overclocking-Eignung und die Nutzbarkeit verschiedener Speicherarten hat. Einzig allein im Artikel von Ace´s Hardware findet sich ein indirekter Hinweis, wie dies beim Opteron wahrscheinlich gelöst ist: Und zwar besitzt der Opteron einen "System Clock" genannten Grundtakt von fest 200 MHz. Mit Hilfe eines im BIOS einstellbaren Multiplikators wird daraus dann der entgültige CPU-Takt abgeleitet.

Dieser "System Clock" hat aber nichts mit dem Speichertakt zu tun und scheint (nach derzeitigem Wissensstand) auch komplett unabhängig von diesem zu sein: Ace´s Hardware betrieben ihren 1.8 GHz Opteron anscheinend auf 9 x 200 MHz System Clock und gleichzeitig 166 MHz DDR Speichertakt. Der Clock-Generator für den System Clock und den Speichertakt sitzt zudem anscheinend auf dem Mainboard, so daß unterschiedliche Mainboards hier unterschiedliche Möglichkeiten offerieren werden. Daraus ergeben sich nun folgende Auswirkungen: Erstens ist die eingesetzte Speicherart nicht relevant für den Prozessortakt. Prinzipiell ist auf dem Opteron (und Athlon 64) damit - sofern es das Mainboard unterstützt - auch jeglicher inoffizieller Speicher á DDR500 einsetz- und nutzbar.

Zweitens wird auch ein Übertakten des Speichers wie bisher bekannt möglich sein, sofern das Mainboard die dafür nötigen Takt-Optionen besitzt (wird weniger bei Opteron-Boards vorkommen, aber bei Mainboards für den Athlon 64). Da der Speichertakt ansonsten nichts im Prozessor beeinflußt, kann nach Herzenslust übertaktet werden, gleichzeitig erhöht sich damit natürlich auch die Speicherbandbreite des Prozessors. Und drittens kann der Prozessor im BIOS selber über die Wahl des Multiplikators in Schritten von 100 MHz nach oben oder nach unten getaktet werden. Sofern AMD nicht die finalen Produkte gelockt ausliefert, sollte das Übertakten der K8-Prozessoren also ein Kinderspiel sein. Nur das genaue Ausloten der Grenzen bzw. der Kampf um die letzten 10 Megahertz entfällt, da das Übertakten nur in 100-MHz-Schritten möglich zu sein scheint (System Clock 200 MHz x Differenz zwischen den Multiplikatoren 0.5).