مشخصات حافظه‌های DDR5 منتشر شد؛ اولین قدم‌ها در مسیر پشتیبانی از DDR5-6400

انجمن فناوری‌های حالت جامد JEDEC مشخصات نهایی استاندارد حافظه DDR5 SDRAM را منتشر کرد که نقطه‌ی مهمی در تاریخ توسعه‌ی حافظه‌های کامپیوتری محسوب می‌شود. DDR5 جدیدترین نسخه از استاندارد DDR محسوب می‌شود که از انتهای دهه‌ی ۱۹۹۰، وظیفه‌ی سرعت‌بخشی به پردازش‌ها را در انواع کامپیوترهای شخصی، سرور و دسته‌های گوناگون هر زیرمجموعه، بر عهده داشته است. استاندارد جدید، بار دیگر ظرفیت‌ها و قابلیت‌های DDR را افزایش می‌دهد و علاوه بر افزایش دوبرابری سرعت، ظرفیت آن‌ها را نیز بهبود خواهد داد. سخت‌افزارهایی که براساس استاندارد جدید تولید می‌شوند، احتمالا سال آینده به بازار می‌آیند و پیش از ورود به دنیای PC، ابتدا در دسته‌ی سرور استفاده خواهند شد.

انجمن JEDEC ابتدا سال ۲۰۱۸ را به‌عنوان زمان معرفی استاندارد DDR5 عنوان کرده بود و معرفی در سال ۲۰۲۰، کمی آن‌ها را از برنامه‌ی زمان‌بندی آتی عقب می‌اندازد. به‌هرحال تأخیر در معرفی مشخصات یک استاندارد، هیچ‌گاه چیزی از اهمیت آن کم نمی‌کند. نسخه‌ی جدید استاندارد DDR نیز مانند نسل‌های پیشین، روی افزایش ظرفیت و سرعت متمرکز می‌شود. JEDEC تصمیم دارد تا هردو را در نسخه‌ی جدید، دوبرابر کند. حداکثر سرعت طبق استاندارد جدید به ۶/۴ گیگابیت‌برثانیه می‌رسد و در بخش ظرفیت نیز حافظه‌های LRDIMM تکی تا ۲ ترابایت ظرفیت مجاز خواهند داشت. تغییرات کوچک بسیار متعدد دیگری در استاندارد DDR5 دیده می‌شود که یا برای رسیدن به اهداف اصلی سرعت و ظرفیت طراحی شده یا با هدف ساده‌سازی برخی از جنبه‌های اکوسیستم، طراحی می‌شوند. به‌عنوان مثال تنظیم‌گری‌های مرتبط با ولتاژ DIMM و ECC قالب، تغییر کرده‌اند.

جدول مشخصات مقایسه‌ی انواع استاندارد DDR

_{برای درک بهتر اصطلاحات بالا پیشنهاد می‌کنیم مقاله آناتومی گجت رم را مطالعه کنید.}

بزرگ‌تر شدن حافظه‌ها: حافظه‌ی چگال‌‌تر و قابلیت ترکیب تراشه‌های بیشتر

ابتدا ظرفیت و چگالی را در استاندارد جدید بررسی می‌کنیم. همان‌طور که گفته شد، این تغییرات، شاخص‌ترین بهبودها نسبت به DDR4 محسوب می‌شوند. DDR5 هم مانند نسل‌های قبلی به گونه‌ای طراحی شده است که سال‌ها عمر داشته باشد. این استاندارد، چگالی ۶۴ گیگابیت‌ را برای حافظه‌های تکی ممکن می‌کند که چهار برابر چگالی در نسل قبلی محسوب می‌شود. چگالی جدید در ترکیب با قابلیت Die-Dtacking که امکان استفاده از هشت قالب حافظه را در یک تراشه‌ی تکی ممکن می‌کند، امکان ساخت یک LRDIMM با ۴۰ المان و ظرفیت حافظه‌ی دو ترابایت را به‌همراه خواهد داشت. اگرچه چنین ظرفیتی مورد نیاز همه‌ی کاربران نیست، اما با استاندارد جدید می‌توان انتظار داشت که پیکربندی مرسوم دو کاناله در کامپیوترهای شخصی، بالاخره ظرفیتی معادل ۱۲۸ گیگابایت را به مصرف‌کننده ارائه کند.

قطعا حداکثرهایی که در مشخصات DDR5 می‌بینیم، برای سال‌های دور عمر این حافظه طراحی شده‌اند. درواقع باید منتظر باشیم تا توانایی تولیدکننده‌های تراشه، به نیازهای استاندارد نزدیک شود. درواقع تولیدکننده‌ها در مراحل اولیه برای ساختن DIMMها از تراشه‌های کنونی با چگالی‌های هشت و ۱۶ گیگابیت استفاده خواهند کرد. درنتیجه اگرچه بهبود سرعت حافظه‌ها با DDR5 به سرعت انجام می‌شود، اما برای مشاهده‌ی بهبود ظرفیت، باید چند سال منتظر بمانیم.

سریع‌تر شدن حافظه‌ها: یک DIMM با دو کانال

افزایش پهنای باند حافظه، نکته‌ی مهم دیگر در مشخصات DDR5 به شمار می‌رود. به‌هرحال کاربران زیادی به‌دنبال افزایش بهره‌وری هستند و با افزایش ظرفیت حافظه‌ها، سرعت نیز باید بهبود پیدا کند. سازمان استاندارد، تلاش زیادی برای بهبود در بخش سرعت داشت تا نیازها به‌خوبی برطرف شوند.

سازمان JEDEC در DDR5 عملکردی ضربتی‌تر در افزایش مشخصات و قابلیت‌های استاندارد داشت. عموما استانداردهای جدید کار خود را از جایی شروع می‌کنند که استاندارد قبلی حضور دارد. به‌عنوان مثال، در انتقال از DDR3 به DDR4 شاهد بودیم که نسل جدید، از سرعت ۱/۶ گیگابیت‌برثانیه شروع شد که نسل قبلی در آن متوقف شده بود. سازمان استاندارد برای DDR5 برنامه‌های جالب‌تری دارد و اولین نمونه‌ها با سرعت ۴/۸ گیگابیت‌برثانیه توسعه پیدا می‌کنند. یعنی شاهد افزایش سرعت ۵۰ درصدی در حافظه‌های اولیه‌ی DDR5 خواهیم بود. در سال‌های بعد هم سرعت به‌مرور افزایش می‌یابد تا به حداکثر ۶/۴ گیگابایت، یعنی دوبرابر حداکثر سرعت کنونی DDR4 برسد. البته DDR4 اکنون در برخی موارد سرعتی بالاتر از سرعت رسمی ۳/۲ گیگاهرتز را ارائه می‌کند، درنتیجه شاید شروع DDR5 آن‌چنان هم بالاتر از استاندارد کنونی نباشد.

هدف مهم بهبود قابلیت‌های سرعت، این بود که مقدار پهنای باند دردسترس در یک DIMM تکی، دوبرابر شود. به‌ همین دلیل شرکت‌ها قابلیت ارائه‌ی حافظه‌هایی بسیار بهینه‌تر خواهند داشت. شاید به همین خاطر باشد که SK Hynix، نقشه‌ی راه خود را برای رسیدن به DDR5-8400، پایان دهه‌ی جاری تنظیم کرده است.

رسیدن به سرعت‌های بالا نیاز به بهبودهای زیرساختی در هر دو بخش DIMM و باس حافظه دارد تا بتوان چنین حجم بالایی از داده را در هر چرخه‌ی کلاک، جابه‌جا کرد. مشکل اصلی کنونی که همیشه در سرعت‌های DRAM دیده می‌شود، از کمبود توسعه در نرخ‌های سرعت کلاک هسته در DRAM وجود دارد. بخش منطقی مدار مخصوص حافظه در مسیر سریع‌تر شدن قرار دارد و باس‌های حافظه نیز سریع‌تر می‌شوند؛ اما DRAM مبتنی بر خازن و ترانزیستور که زیرساخت حافظه‌های مدرن را تشکیل می‌دهد، توانایی کار کردن در کلاکی فراتر از چند صد مگاهرتز را ندارد. درنتیجه برای استخراج سرعت بیشتر از یک قابل DRAM، نیاز به کارهای موازی متعددی بود که در DDR5 به‌خوبی انجام شد.

تغییر اصلی برای بهبود حافظه را می‌توان در رویکردی مشابه با LPDDR4 و GDDR6 مشاهده کرد که یک DIMM را به دو کانال می‌شکنند. درنتیجه، DDR5 به‌جای یک کانال ۶۴ بیتی داده در هر DIMM، دو کانال ۳۲ بیتی استفاده می‌شود که با اضافه کردن ECC تا ۴۰ بیت هم می‌رسد. به‌علاوه، طول Burst برای هر کانال، از هشت بایت به ۱۶ بایت افزایش یافته است. به بیان ساده، هر کانال می‌تواند در هر عملیات، ۶۴ بایت داده ارائه کند. درنهایت DDR5 DIMM در مقایسه با DDR4 DIMM با درنظرگرفتن سرعت‌های هسته‌ی برابر، سرعت دوبرابری را در حافظه ارائه می‌کند. DDR5 در زمانی‌که DDR4 DIMM یک عملیات ۶۴ بیتی را ارائه می‌کند، دو عملیات ارائه خواهد کرد و پهنای باندی مؤثر را دوبرابر می‌کند.

در مجموع، مقدا ۶۳ بایت برای فعالیت‌های حافظه به‌عنوان عدد جادویی عمل می‌کند، چون ۶۴ بایت، همان ابعاد خط کش استاندارد است. درنتیجه اگر طول برست در حافظه‌ی سبک DDR4 افزایش پیدا می‌کرد، فعالیت‌های ۱۲۸ بایتی داشتیم که برای یک خط کش تکی، بیش‌از‌حد بزرگ محسوب می‌شود. درنهایت بازدهی حافظه کاهش پیدا می‌کرد. اکنون در DDR5 و با استفاده از دو کانال مستقل، کنترلر حافظه می‌تواند از دو موقعیت مجزا، ۶۴ بایت داده درخواست کند که شباهت زیادی به عملکرد پردازنده پیدا خواهد کرد.

تأثیر بهینه‌سازی‌های بالا برای یک کامپیوتر رومیزی استاندارد این‌گونه خواهد بود که به‌جای ساختار کنونی DDR4، ساختار جدیدی پیاده‌سازی خواهد شد. در پیکربندی جدید، به‌حای استفاده از دو DIMM که دو کانال را برای شکل‌دهی ساختار 2x64bit اشغال می‌کنند، DDR5 مانند یک ساختار 4x32bit عمل خواهد کرد. حافظه‌ها عموما به‌صورت جفتی نصب می‌شوند و قطعا امروز دیگر به ساختارهای قدیمی SIMMهای ۳۲ بیتی باز نمی‌گردیم. البته پیکربندی حداقلی طبق استاندارد جدید، نیاز به کانال‌های کوچک‌تر دوگانه‌ی DDR5 دارد.

تغییر ساختار در طراحی حافظه‌ها، پیامدهای کوچک و بزرگی در بخش‌های دیگر هم دارد. DDR5 یک قابلیت بهینه‌سازی شده در نوسازی بانک حافظه دارد. بانک‌ها از زیرساخت‌های لایه پایین حافظه‌ی رم هستند. قابلیت جدید، امکان نوسازی یک بانک را در زمان استفاده از بانک دیگر فراهم می‌کند. درنتیجه ریشارژ الزامی خازن زودتر از مسیر خارج می‌شود و درکنار کاهش تأخیرها، بانک‌های غیرفعال نیز زودتر دردسترس قرار می‌گیرند. حداکثر تعداد گروه‌های بانک نیز در استاندارد جدید از ۴ به ۸ افزایش می‌یابد که کاهش بهره‌وری بر اثر دسترسی‌های ترتیبی به حافظه را به حداقل می‌رساند.

تغییر در ساختار باس

افزایش سرعت باس در حافظه‌ی رم، به‌صورت هم‌زمان هم آسان و هم دشوار به‌نظر می‌رسد. ایده‌ی اصلی ساده به‌نظر می‌رسد، اما پیاده‌سازی آن آسان نیست. درنهایت برای دو برابر کردن سرعت حافظه‌های DDR، باس حافظه‌های DDR5 باید سرعت دوبرابری نسبت به DDR4 داشته باشد. برای افزایش سرعت باس، تغییرات متعددی انجام شد که البته هیچ‌کدام به اندازه‌ی تغییرات گذشته همچون QDR یا سیگنال‌دهی دیفرانسیلی بزرگ نبودند. درنهایت اعضای JEDEC با استفاده از باس کمی متفاوت با DDR4 موفق به رسیدن به اهداف خود شدند.

نکته‌ی مهم تغییر باس در DDR5 در قابلیتی به‌نام Decision Feedback Equalization یا DFE دیده می‌شود. در سطوح بسیار بالا، DFE به‌معنای کاهش تداخل inter-symbol خواهد بود که با استفاده از پاسخ یک گیرنده‌ی باس حافظه، برابرسازی بهتری انجام می‌شود. با برابرسازی بهتر، می‌توان سیگنال‌‌دهی تمیزتری برای باس حافظه‌ی DDR5 داشت تا در نرخ‌های تبادل بالاتری کار کند. همان‌طور که گفته شد، تغییرات کوچک‌تر متعددی در استاندارد رخ دادند تا این دستاورد محقق شود.

مادربردهای ساده تر، DIMMهای پیچیده‌تر: تنظیم ولتاژ روی DIMM

ولتاژهای عملیاتی، بخش دیگری بود که در استاندارد جدید بهینه‌سازی شد. در جدول مشخصات گفتیم DDR5 با Vdd 1.1v کار می‌کند که کمتر از Vdd 1.2 نسل قبل خواهد بود. تغییر جدید، بازدهی برق را نسبت به نسل قبلی بهبود می‌بخشد. البته بهبود جدید آن‌چنان به اندازه‌ی بهبود DDR4 نسبت به نسل‌های قبلی شاخص و مهم به‌نظر نمی‌رسد. JEDEC همچنین در استاندارد جدید، مدیریت و تنظیم ولتاژ را هم از مادربرد به DIMM منتقل می‌کند. درنتیجه DIMMهای جدید دارای تنظیم‌گر داخلی ولتاژ خواهند بود که در همه‌ی بخش‌ها از UDIMM تا LRDIMM دیده می‌شود. به‌هرحال تصمیم جدید موجب ساده‌تر شدن ساختار مادربردها و کاهش هزینه‌های تولید آن‌ها نیز می‌شود.

JEDEC می‌گوید با تنظیم ولتاژ روی خود DIMM، تلرانس ولتاژی هم بهتر خواهد شد. همین تغییرات کوچک هم به‌مرور بازدهی مصرف نیرو را افزایش می‌دهند. مشخصات تنظیم‌گرهای ولتاژی به تصمیم‌های تولیدکننده بستگی دارد و سازمان، جزئیات زیادی از آن منتشر نکرده است. البته به‌نظر نمی‌رسد درنهایت شاهد یک نوع تنظیم‌گر برای هر دو نوع UDIMM مخصوص کاربر و LRDIMM مخصوص سرور باشیم، چون نیازهای ولتاژی متفاوتی دارند.

DDR5 DIMM: استفاده از ۲۸۸ پین همیشگی با تغییر در طراحی 

همان‌طور که در نمونه‌های متعدد اولیه از تولیدکننده‌ها مشخص شده بود، در DDR5 هم مانند نسل قبلی شاهد استفاده از ۲۸۸ پین در هر ماژول خواهیم بود. در تغیییر از DDR2 به DDR3 نیز همین روند وجود داشت و تعداد پین‌ها، برابر با ۲۴۰ پین حفظ شد.

ثابت ماندن تعداد پین‌ها به این معنی نیست که می‌توان از DIMM نسل جدید در سوکت نسل قبلی استفاده کرد. ترکیب پین‌ها و طراحی آن‌ها با هدف ارائه‌ی قابلیت‌های جدید DDR5 تغییر می‌کند. تغییر مهم این است که باس آدرس و دستور، کوچک‌‌تر و تقسیم می‌شوند. پین‌هایی که باقی می‌مانند، برای باس داده در کانال حافظه‌ی ثانویه استفاده خوهند شد. DDR5 به‌جای استفاده از یک باس CA با ساختار ۲۴ بیتی، از دو باس CA با ساختار هفت بیتی استفاده می‌کند که هرکدام برای یک کانال کاربرد دارند. هفت بیت بسیار کمتر از نصف بیت نسل قبلی است، درنتیجه کار برای کنترلرهای حافظه پیچیده‌تر می‌شود.

نمونه‌سازی اولیه، شروع تولید از ۱۲ تا ۱۸ ماه آینده

اخبار اخیر JEDEC را نمی‌توان رونمایی محصول دانست. درواقع تنها جزئیات استاندارد برای اعضا بیان شد تا به‌مرور در ساخت محصول از آن‌ها پیروی کنند. بزرگ‌ترین تولیدکننده‌ها که از روزهای اول در توسعه‌ی DDR5 همکاری کرده‌اند، اکنون نمونه‌های اولیه را در دست دارند و به‌دنبال یکپارچه‌سازی فعالیت‌ها و ساخت اولین محصولات تجاری هستند.

اولین محصولات تجاری مبتنی بر JEDEC احتمالا از ۱۲ تا ۱۸ ماه آینده آماده‌ی عرضه به بازار هستند. انجمن JEDEC با وجود عدم اشاره‌ی مستقیم، ترجیح می‌دهد که اولین محصولات برای بازار سرور عرضه شوند. غول‌های دنیای پردازنده یعنی اینتل و AMD هم تاکنون پلتفرمی با پشتیبانی از DDR5 معرفی نکرده‌اند، اما قطعا به‌زودی شاهد اخبار آن‌ها خواهیم بود.

طول عمر DDR5 در بازار هم مانند دو استاندارد قبلی حدود هفت سال یا کمی بیشتر پیش‌بینی می‌شود. البته JEDEC پیش‌بینی می‌کند DDR5 نسبت به DDR4 بیشتر در قفسه‌ی فروشگاه‌ها بماند چون قابلیت‌های بالغ و کاملی را ارائه می‌کند که تا سال‌ها، نیاز کاربران را برطرف می‌کنند. امسال سال اعلام رسمی مهاجرت اپل از اینتل به آرم هم بود که اولین محصولاتش سال آینده به بازار می‌آیند. درنتیجه ۲۰۲۱ می‌تواند سال جذابی ازلحاظ عرضه‌ی کامپیوترهای جدید در دسته‌های شخصی و سرور باشد.