Ram Ddr4: la memoria turbo che raddoppia la velocità

La Ram Ddr4  raddoppia la velocità e può salvare molti più dati che in passato. Uno sguardo all’interno dei nuovi moduli ci mostra come sia possibile.

Esistono numeri che mandano in tilt il cervello: un esempio è 3,2 miliardi di transfer al secondo. La cifra si riferisce alla velocità massima alla quale i moduli Ddr4 sono in grado di trasferire i dati alla Cpu. Quindi, in media, saranno il doppio più veloci della più rapida delle memorie Ddr3. I primi moduli per pc avranno appena una frequenza di 2.133 MHz, ma anche questo comporterebbe una velocità doppia rispetto a quella degli attuali moduli Ddr3 per pc, che raggiungono solo 1.066 MHz. Anche la capacità di memoria massima consentita per ciascun modulo aumenterà: dimensioni a partire da 4 Gb diventeranno la norma. Allo stesso tempo i consumi crolleranno per via della tensione di esercizio inferiore.

Per questo balzo in avanti nelle prestazioni il Joint Electron Device Engineering Council (Jedec) ha anche modificato diversi aspetti dell’estetica: il modulo Ram di quarta generazione ha più pin, con i quali è collegato alla scheda per adeguarsi alla velocità maggiore. Ogni Dimm ora è dotata di un percorso diretto che collega al controller della Cpu per evitare i rallentamenti o gli intoppi nel trasferimento dei dati dal processore alla Ram. Questo concept point-to-point dovrebbe sostituire il bus multidrop su cui finora erano allineati i singoli moduli. La Ram Ddr4 non è quindi compatibile con le schede attuali e necessita di nuovi controller della Cpu. Entrambi sono attesi per la fine dell’anno, quando Intel lancerà sul mercato il processore ad alte prestazioni Haswell E, che impiega la Ram Ddr4. Nei pc economici la nuova Ram farà la sua comparsa solo il prossimo anno, quando Intel presenterà Broadwell, l’erede di Haswell.

Il segreto dei banchi Ddr4

Il grosso delle innovazioni della Ddr4 riguarda la struttura interna. Una Dimm consiste in alcuni chip di memoria che vengono gestiti tramite un controller. L’unità centrale all’interno di un chip è il banco. Il modo in cui i dati vengono letti dal banco o scritti su di esso determina in ultima analisi le prestazioni (si veda a sinistra). Durante ciascun processo di lettura e scrittura un banco apre sempre una Word Line e tutti i transistor ad essa collegati perdono la loro carica: ciascuna carica corrisponde a un bit. Questi bit devono poi essere riscritti dall’amplificatore di segnale nelle Bit Line. Nella Ddr4 le cariche (bit) dei banchi vengono prelevate e ripristinate più rapidamente, perché una Word Line contiene meno byte rispetto a quella di un modulo Ddr3. Il guadagno in termini di velocità è quantificabile: l’indicazione temporale tFAW (time Four Bank Activation Window) descrive a che velocità è possibile aprire le Word Line di quattro banchi. Il tFAW per un modulo Ddr4 è di 20 nanosecondi (ns), mentre per una Ram Ddr3 delle stesse dimensioni è di 40 ns.

Nella Ddr4 la lunghezza delle Word Line viene ridotta a un quarto, ma il loro numero viene appena raddoppiato. Un banco immagazzina quindi appena la metà dei dati rispetto a una Ddr3. In compenso il chip Ddr4 ha il doppio dei banchi, che sono inoltre radunati in gruppi: ciascun gruppo
consiste in quattro banchi. L’organizzazione in gruppi di banchi consente una trasmissione rapida dei dati da un banco attraverso il prefetcher fino al bus dati. Questa trasmissione si fa più complicata a ciascuna nuova generazione di Ram: la frequenza di clock, cui gli amplificatori di segnale lavorano sulle Bit Line, raggiunge nelle Ddr2 un massimo di 266 MHz. Per ottenere una velocità di transfer dei dati più elevata, a ciascuna generazione di Ram i produttori hanno aumentato il parallelismo: un chip di memoria Ddr2 raccoglie i dati da quattro banchi nel prefetcher, mentre nel caso della Ddr3 sono otto, e il prefetcher li trasmette con una frequenza di clock maggiore. Continuare a seguire questa linea avrebbe portato nella Ddr4 a un raddoppiamento del prefetcher e avrebbe richiesto un bus dati più ampio per il collegamento alla Cpu. Lo Jedec voleva però evitarlo e non ha aumentato le dimensioni del prefetcher del chip. Invece ha preinserito accanto al prefetcher del gruppo di banchi un altro prefetcher. In questo modo è possibile aumentare sensibilmente la frequenza di clock, pur mantenendo uguale l’ampiezza del bus dati.

Minori consumi, maggiore stabilità

La Ddr4 è inoltre dotata di innovazioni che riducono i consumi energetici e aumentano l’affidabilità. Il primo elemento a favorire il risparmio energetico è la Word Line più corta, perché serve meno energia per attivarla. Ciò consente la riduzione della tensione di esercizio da 1,5 volt (Ddr3) a 1,2 volt (Ddr4). Inoltre il chip di memoria è dotato di un’alimentazione separata grazie alla quale è possibile, in caso di necessità, aumentare la tensione di esercizio fino a 2,5 volt. Allo stesso tempo il modulo Ddr4 ha la capacità di adattare in maniera dinamica la frequenza del refresh. Rispetto alle memorie flash, le celle Ram non possono salvare in maniera permanente il loro contenuto, che a seconda della temperatura di esercizio dev’essere ricaricato a determinati intervalli di tempo, che possono essere al massimo di 64 millisecondi. Nella Ddr3 questi intervalli sono prestabiliti, mentre il modulo Ddr4 effettua il refresh a seconda della temperatura, quindi può diminuirne la frequenza per risparmiare energia. Tutte queste featu-re conferiscono alla Ddr4 un consumo energetico inferiore del 20% rispetto a quello della Ddr3. Nel complesso il risparmio stimato dallo Jedec dovrebbe essere compreso tra il 30 e il 40%.

Un’ulteriore novità è l’integrazione della funzione di riconoscimento e correzione degli errori, che dovrebbe svolgersi in maniera molto più rapida che nella Ddr3. E punta verso il futuro una feature indicata nello standard, che però al momento nessuno è ancora in grado di mettere in pratica: grazie allo stacking i produttori dovrebbero essere in grado d’impilare le celle Ram in un massimo di otto strati, aumentando così in maniera incredibile la densità di memoria e consentendo la produzione di moduli con capacità fino a 512 Gb. La capacità di uno solo di questi megamoduli supererebbe quindi quella della maggior parte degli attuali dischi flash.