مشخصات حافظه‌هاي DDR5 منتشر شد؛ اولين قدم‌ها در مسير همراهي از DDR5-6400

انجمن فناوري‌هاي حالت جامد JEDEC مشخصات نهايي استاندارد حافظه DDR5 SDRAM را منتشر كرد كه نقطه‌ي مهمي در تاريخ توسعه‌ي حافظه‌هاي كامپيوتري محسوب مي‌شود. DDR5 جديدترين نسخه از استاندارد DDR محسوب مي‌شود كه از انتهاي دهه‌ي ۱۹۹۰، وظيفه‌ي سرعت‌بخشي به پردازش‌ها را در انواع كامپيوترهاي شخصي، سرور و دسته‌هاي گوناگون هر زيرمجموعه، بر عهده داشته است. استاندارد جديد، بار ديگر ظرفيت‌ها و قابليت‌هاي DDR را افزايش مي‌دهد و علاوه بر افزايش دوبرابري سرعت، ظرفيت آن‌ها را نيز بهبود خواهد داد. سخت‌افزارهايي كه براساس استاندارد جديد توليد مي‌شوند، احتمالا سال آينده به بازار مي‌آيند و پيش از ورود به دنياي PC، ابتدا در دسته‌ي سرور استفاده خواهند شد.

انجمن JEDEC ابتدا سال ۲۰۱۸ را به‌عنوان زمان معرفي استاندارد DDR5 عنوان كرده بود و معرفي در سال ۲۰۲۰، كمي آن‌ها را از برنامه‌ي زمان‌بندي آتي عقب مي‌اندازد. به‌هرحال تأخير در معرفي مشخصات يك استاندارد، هيچ‌گاه چيزي از اهميت آن كم نمي‌كند. نسخه‌ي جديد استاندارد DDR نيز مانند نسل‌هاي پيشين، روي افزايش ظرفيت و سرعت متمركز مي‌شود. JEDEC تصميم دارد تا هردو را در نسخه‌ي جديد، دوبرابر كند. حداكثر سرعت طبق استاندارد جديد به ۶/۴ گيگابيت‌برثانيه مي‌رسد و در بخش ظرفيت نيز حافظه‌هاي LRDIMM تكي تا ۲ ترابايت ظرفيت مجاز خواهند داشت. تغييرات كوچك بسيار متعدد ديگري در استاندارد DDR5 ديده مي‌شود كه يا براي رسيدن به اهداف اصلي سرعت و ظرفيت طراحي شده يا با هدف ساده‌سازي برخي از جنبه‌هاي اكوسيستم، طراحي مي‌شوند. به‌عنوان مثال تنظيم‌گري‌هاي مرتبط با ولتاژ DIMM و ECC قالب، تغيير كرده‌اند.

براي درك بهتر اصطلاحات بالا پيشنهاد مي‌كنيم مقاله آناتومي گجت رم را مطالعه كنيد.

ابتدا ظرفيت و چگالي را در استاندارد جديد مطالعه مي‌كنيم. همان‌طور كه گفته شد، اين تغييرات، شاخص‌ترين بهبودها نسبت به DDR4 محسوب مي‌شوند. DDR5 هم مانند نسل‌هاي قبلي به گونه‌اي طراحي شده است كه سال‌ها عمر داشته باشد. اين استاندارد، چگالي ۶۴ گيگابيت‌ را براي حافظه‌هاي تكي ممكن مي‌كند كه چهار برابر چگالي در نسل قبلي محسوب مي‌شود. چگالي جديد در تركيب با قابليت Die-Dtacking كه امكان استفاده از هشت قالب حافظه را در يك تراشه‌ي تكي ممكن مي‌كند، امكان ساخت يك LRDIMM با ۴۰ المان و ظرفيت حافظه‌ي دو ترابايت را به‌همراه خواهد داشت. اگرچه چنين ظرفيتي مورد نياز همه‌ي متخصصان نيست، اما با استاندارد جديد مي‌توان انتظار داشت كه پيكربندي مرسوم دو كاناله در كامپيوترهاي شخصي، بالاخره ظرفيتي معادل ۱۲۸ گيگابايت را به مصرف‌كننده ارائه كند.

قطعا حداكثرهايي كه در مشخصات DDR5 مي‌بينيم، براي سال‌هاي دور عمر اين حافظه طراحي شده‌اند. درواقع بايد منتظر باشيم تا توانايي توليدكننده‌هاي تراشه، به نيازهاي استاندارد نزديك شود. درواقع توليدكننده‌ها در مراحل اوليه براي ساختن DIMMها از تراشه‌هاي كنوني با چگالي‌هاي هشت و ۱۶ گيگابيت استفاده خواهند كرد. درنتيجه اگرچه بهبود سرعت حافظه‌ها با DDR5 به سرعت انجام مي‌شود، اما براي مشاهده‌ي بهبود ظرفيت، بايد چند سال منتظر بمانيم.

افزايش پهناي باند حافظه، نكته‌ي مهم ديگر در مشخصات DDR5 به شمار مي‌رود. به‌هرحال متخصصان زيادي به‌دنبال افزايش بهره‌وري هستند و با افزايش ظرفيت حافظه‌ها، سرعت نيز بايد بهبود پيدا كند. سازمان استاندارد، تلاش زيادي براي بهبود در بخش سرعت داشت تا نيازها به‌خوبي برطرف شوند.

سازمان JEDEC در DDR5 عملكردي ضربتي‌تر در افزايش مشخصات و قابليت‌هاي استاندارد داشت. عموما استانداردهاي جديد كار خود را از جايي شروع مي‌كنند كه استاندارد قبلي حضور دارد. به‌عنوان مثال، در انتقال از DDR3 به DDR4 شاهد بوديم كه نسل جديد، از سرعت ۱/۶ گيگابيت‌برثانيه شروع شد كه نسل قبلي در آن متوقف شده بود. سازمان استاندارد براي DDR5 برنامه‌هاي جالب‌تري دارد و اولين نمونه‌ها با سرعت ۴/۸ گيگابيت‌برثانيه توسعه پيدا مي‌كنند. يعني شاهد افزايش سرعت ۵۰ درصدي در حافظه‌هاي اوليه‌ي DDR5 خواهيم بود. در سال‌هاي بعد هم سرعت به‌مرور افزايش مي‌يابد تا به حداكثر ۶/۴ گيگابايت، يعني دوبرابر حداكثر سرعت كنوني DDR4 برسد. البته DDR4 اكنون در برخي موارد سرعتي بالاتر از سرعت رسمي ۳/۲ گيگاهرتز را ارائه مي‌كند، درنتيجه شايد شروع DDR5 آن‌چنان هم بالاتر از استاندارد كنوني نباشد.

هدف مهم بهبود قابليت‌هاي سرعت، اين بود كه مقدار پهناي باند دردسترس در يك DIMM تكي، دوبرابر شود. به‌ همين دليل شركت‌ها قابليت ارائه‌ي حافظه‌هايي بسيار بهينه‌تر خواهند داشت. شايد به همين خاطر باشد كه SK Hynix، نقشه‌ي راه خود را براي رسيدن به DDR5-8400، پايان دهه‌ي جاري تنظيم كرده است.

رسيدن به سرعت‌هاي بالا نياز به بهبودهاي زيرساختي در هر دو بخش DIMM و باس حافظه دارد تا بتوان چنين حجم بالايي از داده را در هر چرخه‌ي كلاك، جابه‌جا كرد. اشكال اصلي كنوني كه هميشه در سرعت‌هاي DRAM ديده مي‌شود، از كمبود توسعه در نرخ‌هاي سرعت كلاك هسته در DRAM وجود دارد. بخش منطقي مدار مخصوص حافظه در مسير سريع‌تر شدن قرار دارد و باس‌هاي حافظه نيز سريع‌تر مي‌شوند؛ اما DRAM مبتني بر خازن و ترانزيستور كه زيرساخت حافظه‌هاي مدرن را تشكيل مي‌دهد، توانايي كار كردن در كلاكي فراتر از چند صد مگاهرتز را ندارد. درنتيجه براي استخراج سرعت بيشتر از يك قابل DRAM، نياز به كارهاي موازي متعددي بود كه در DDR5 به‌خوبي انجام شد.

تغيير اصلي براي بهبود حافظه را مي‌توان در رويكردي مشابه با LPDDR4 و GDDR6 مشاهده كرد كه يك DIMM را به دو كانال مي‌شكنند. درنتيجه، DDR5 به‌جاي يك كانال ۶۴ بيتي داده در هر DIMM، دو كانال ۳۲ بيتي استفاده مي‌شود كه با اضافه كردن ECC تا ۴۰ بيت هم مي‌رسد. به‌علاوه، طول Burst براي هر كانال، از هشت بايت به ۱۶ بايت افزايش يافته است. به بيان ساده، هر كانال مي‌تواند در هر عمليات، ۶۴ بايت داده ارائه كند. درنهايت DDR5 DIMM در مقايسه با DDR4 DIMM با درانديشه متخصصينگرفتن سرعت‌هاي هسته‌ي برابر، سرعت دوبرابري را در حافظه ارائه مي‌كند. DDR5 در زماني‌كه DDR4 DIMM يك عمليات ۶۴ بيتي را ارائه مي‌كند، دو عمليات ارائه خواهد كرد و پهناي باندي مؤثر را دوبرابر مي‌كند.

تأثير بهينه‌سازي‌هاي بالا براي يك كامپيوتر روميزي استاندارد اين‌گونه خواهد بود كه به‌جاي ساختار كنوني DDR4، ساختار جديدي پياده‌سازي خواهد شد. در پيكربندي جديد، به‌حاي استفاده از دو DIMM كه دو كانال را براي شكل‌دهي ساختار 2x64bit اشغال مي‌كنند، DDR5 مانند يك ساختار 4x32bit عمل خواهد كرد. حافظه‌ها عموما به‌صورت جفتي نصب مي‌شوند و قطعا امروز ديگر به ساختارهاي قديمي SIMMهاي ۳۲ بيتي باز نمي‌گرديم. البته پيكربندي حداقلي طبق استاندارد جديد، نياز به كانال‌هاي كوچك‌تر دوگانه‌ي DDR5 دارد.

تغيير ساختار در طراحي حافظه‌ها، پيامدهاي كوچك و بزرگي در بخش‌هاي ديگر هم دارد. DDR5 يك قابليت بهينه‌سازي شده در نوسازي بانك حافظه دارد. بانك‌ها از زيرساخت‌هاي لايه پايين حافظه‌ي رم هستند. قابليت جديد، امكان نوسازي يك بانك را در زمان استفاده از بانك ديگر فراهم مي‌كند. درنتيجه ريشارژ الزامي خازن زودتر از مسير خارج مي‌شود و دركنار كاهش تأخيرها، بانك‌هاي غيرفعال نيز زودتر دردسترس قرار مي‌گيرند. حداكثر تعداد گروه‌هاي بانك نيز در استاندارد جديد از ۴ به ۸ افزايش مي‌يابد كه كاهش بهره‌وري بر اثر دسترسي‌هاي ترتيبي به حافظه را به حداقل مي‌رساند.

افزايش سرعت باس در حافظه‌ي رم، به‌صورت هم‌زمان هم آسان و هم دشوار به‌انديشه متخصصين مي‌رسد. ايده‌ي اصلي ساده به‌انديشه متخصصين مي‌رسد، اما پياده‌سازي آن آسان نيست. درنهايت براي دو برابر كردن سرعت حافظه‌هاي DDR، باس حافظه‌هاي DDR5 بايد سرعت دوبرابري نسبت به DDR4 داشته باشد. براي افزايش سرعت باس، تغييرات متعددي انجام شد كه البته هيچ‌كدام به اندازه‌ي تغييرات گذشته همچون QDR يا سيگنال‌دهي ديفرانسيلي بزرگ نبودند. درنهايت اعضاي JEDEC با استفاده از باس كمي متفاوت با DDR4 موفق به رسيدن به اهداف خود شدند.

ولتاژهاي عملياتي، بخش ديگري بود كه در استاندارد جديد بهينه‌سازي شد. در جدول مشخصات گفتيم DDR5 با Vdd 1.1v كار مي‌كند كه كمتر از Vdd 1.2 نسل قبل خواهد بود. تغيير جديد، بازدهي برق را نسبت به نسل قبلي بهبود مي‌بخشد. البته بهبود جديد آن‌چنان به اندازه‌ي بهبود DDR4 نسبت به نسل‌هاي قبلي شاخص و مهم به‌انديشه متخصصين نمي‌رسد. JEDEC همچنين در استاندارد جديد، مديريت و تنظيم ولتاژ را هم از مادربرد به DIMM منتقل مي‌كند. درنتيجه DIMMهاي جديد داراي تنظيم‌گر داخلي ولتاژ خواهند بود كه در همه‌ي بخش‌ها از UDIMM تا LRDIMM ديده مي‌شود. به‌هرحال تصميم جديد موجب ساده‌تر شدن ساختار مادربردها و كاهش هزينه‌هاي توليد آن‌ها نيز مي‌شود.

JEDEC مي‌گويد با تنظيم ولتاژ روي خود DIMM، تلرانس ولتاژي هم بهتر خواهد شد. همين تغييرات كوچك هم به‌مرور بازدهي مصرف نيرو را افزايش مي‌دهند. مشخصات تنظيم‌گرهاي ولتاژي به تصميم‌هاي توليدكننده بستگي دارد و سازمان، جزئيات زيادي از آن منتشر نكرده است. البته به‌انديشه متخصصين نمي‌رسد درنهايت شاهد يك نوع تنظيم‌گر براي هر دو نوع UDIMM مخصوص متخصص و LRDIMM مخصوص سرور باشيم، چون نيازهاي ولتاژي متفاوتي دارند.

همان‌طور كه در نمونه‌هاي متعدد اوليه از توليدكننده‌ها مشخص شده بود، در DDR5 هم مانند نسل قبلي شاهد استفاده از ۲۸۸ پين در هر ماژول خواهيم بود. در تغييير از DDR2 به DDR3 نيز همين روند وجود داشت و تعداد پين‌ها، برابر با ۲۴۰ پين حفظ شد.

ثابت ماندن تعداد پين‌ها به اين معني نيست كه مي‌توان از DIMM نسل جديد در سوكت نسل قبلي استفاده كرد. تركيب پين‌ها و طراحي آن‌ها با هدف ارائه‌ي قابليت‌هاي جديد DDR5 تغيير مي‌كند. تغيير مهم اين است كه باس آدرس و دستور، كوچك‌‌تر و تقسيم مي‌شوند. پين‌هايي كه باقي مي‌مانند، براي باس داده در كانال حافظه‌ي ثانويه استفاده خوهند شد. DDR5 به‌جاي استفاده از يك باس CA با ساختار ۲۴ بيتي، از دو باس CA با ساختار هفت بيتي استفاده مي‌كند كه هركدام براي يك كانال متخصصد دارند. هفت بيت بسيار كمتر از نصف بيت نسل قبلي است، درنتيجه كار براي كنترلرهاي حافظه پيچيده‌تر مي‌شود.

اخبار اخير JEDEC را نمي‌توان رونمايي محصول دانست. درواقع تنها جزئيات استاندارد براي اعضا بيان شد تا به‌مرور در ساخت محصول از آن‌ها پيروي كنند. بزرگ‌ترين توليدكننده‌ها كه از روزهاي اول در توسعه‌ي DDR5 همكاري كرده‌اند، اكنون نمونه‌هاي اوليه را در دست دارند و به‌دنبال يكپارچه‌سازي فعاليت‌ها و ساخت اولين محصولات تجاري هستند.

اولين محصولات تجاري مبتني بر JEDEC احتمالا از ۱۲ تا ۱۸ ماه آينده آماده‌ي عرضه به بازار هستند. انجمن JEDEC با وجود عدم اشاره‌ي مستقيم، ترجيح مي‌دهد كه اولين محصولات براي بازار سرور عرضه شوند. غول‌هاي دنياي پردازنده يعني اينتل و AMD هم تاكنون پلتفرمي با همراهي از DDR5 معرفي نكرده‌اند، اما قطعا به‌زودي شاهد اخبار آن‌ها خواهيم بود.

طول عمر DDR5 در بازار هم مانند دو استاندارد قبلي حدود هفت سال يا كمي بيشتر پيش‌بيني مي‌شود. البته JEDEC پيش‌بيني مي‌كند DDR5 نسبت به DDR4 بيشتر در قفسه‌ي فروشگاه‌ها بماند چون قابليت‌هاي بالغ و كاملي را ارائه مي‌كند كه تا سال‌ها، نياز متخصصان را برطرف مي‌كنند. امسال سال اعلام رسمي مهاجرت اپل از اينتل به آرم هم بود كه اولين محصولاتش سال آينده به بازار مي‌آيند. درنتيجه ۲۰۲۱ مي‌تواند سال جذابي ازلحاظ عرضه‌ي كامپيوترهاي جديد در دسته‌هاي شخصي و سرور باشد.