DDR3

Piotr Allaf

2013-08-07, 2013-08-07

Kompendium / Artykuły

Definicja

DDR3-Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory

Rodzaj pamięci należący do rodziny pamięci SDRAM będącym kolejnym krokiem w ewolucji pamięci RAM. Jest rozwinięciem standardów DDR i DDR2 ale bez kompatybilności wstecznej. W odróżnieniu od DDR i DDR2 charakteryzuje się zmniejszonym poborem mocy czyli oszczędnością energii i dwukrotnie większa prędkość co działa na zwiększenie przepustowości. Największą zaletą jest koszt pamięci DDR3 które np. jest niższy o ponad 50% pamięci DDR2. Mały pobór mocy czyli praca z niższym napięciem (1,5V w porównaniu do DDR2, które pracuję z 1,8V i DDR, które pracuje z 2,5V, to o koło 40% niższe). [1, 3, 4,11]

^ góra

Terminologia

DRAM-Pamięć dynamiczna: „(ang. Dynamic Random Access Memory) – rodzaj ulotnej pamięci półprzewodnikowej RAM, która przechowuje każdy bit danych w oddzielnym kondensatorze wewnątrz układu scalonego. Poszczególne jej elementy zbudowane są z tranzystorów MOS, z których jeden pełni funkcję kondensatora, a drugi elementu separującego.” [Żródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Pami%C4%99%C4%87_dynamiczna_(informatyka)]

„Parametry pamięci DRAM określające wydajność („t” pochodzi od time):

 tCL (CAS Latency) – liczba cykli zegarowych pomiędzy wysłaniem przez kontroler pamięci zapotrzebowania na dane a ich dostarczeniem,

 tRCD( RAS to CAS Delay) – liczba cykli zegarowych pomiędzy podaniem adresu wiersza a wysłaniem adresu kolumny,

 tRP ( RAS Precharge) – liczba cykli zegarowych pomiędzy kolejnym adresowaniem wierszy pamięci,

 tRAS (Row Active Time) – liczba cykli zegarowych pomiędzy aktywacją i dezaktywacją wierszy pamięci,

 tCR (Command Rate) – liczba cykli zegarowych pomiędzy adresowaniem dwóch komórek pamięci.

Im mniejsze są te wartości, tym szybszy dostęp do komórek pamięci! ” [13]
( o SDRAM można poczytać na http://pl.wikipedia.org/wiki/SDRAM)

Address Error Detection –Jedna z metod wykrywanie i korekcja błędów z możliwością wykrywania danych związanych z błędnym zapisem oraz z wypisywaniem adresów tech błędów w pamięci. [2, 4]

Chipkill lub Advanced ECC memory-Obsługa wprowadzona przez firme IBM. Jest to zawansowana forma ECC. Wielokrotnie podwysza niezawodność pracy pamięcie, co radykalnie zmniejsza prawdopodobieństwo awarie i przestoje systemu spowodowane awariami pamięci. Co ciekawe, ta technologia została opracowana specjalnie na misije pathfinder NASA na marsie, gdzie każda awaria lub błąd w pracy pamięci mógłby spowod się skończyć katastrofą. Dostepna obecnie w serwerach xSeries od IBM. [2, 6] ECC- Error-correcting code, wykrywanie i korekcja błędów [10]

(ECC, http://pl.wikipedia.org/wiki/Pami%C4%99%C4%87_ECC)

NUMA – „Non-Uniform Memory Access – architektura komputerowa, służąca do przetwarzania współbieżnego. Architektura NUMA charakteryzuje się tym, że udostępnia użytkownikowi spójną logicznie przestrzeń adresową, chociaż pamięć jest fizycznie podzielona. Komputery zbudowane w tej architekturze posiadają wiele procesorów. Niejednorodność w dostępie do pamięci polega na tym, że dany procesor szybciej uzyskuje dostęp do swojej lokalnej pamięci, niż do pamięci pozostałych procesorów lub pamięci współdzielonej.” [źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Non-Uniform_Memory_Access]

Ranga Pamięci (Rank)- Ranga pamięci (memory rank) jest zestawem chipów DRAM. Dostarczających 8 bajtów (64 bitów) danych. [12]
Definiowana także jako segment pamięci adresowanej/skierowanej konkretnym/określonym adresem bitowym (adres komórki pamięci). Pamięci (DIMMs) są skonfigurowane jako single-rank (1R), Dual-rank (2R) oraz Quad-rank (4R), które stają się coraz bardziej powszechne.
Dla urządzeń obsługujących pamięci x4 DRAM i nie zawierających pamięci DRAM dla ECC. Ranga pamięci jest równa 64/4=16 DRAM. I podobnie dla urządzeń obsługujących pamięci x8 DRAM. Ranga pamięci jest równa 64/8=8 DRAM. Taki sposób określenia rank jest dość ogólne i mało dokładne, by klasyfikować pamięci w zależności od stron. Np. Pamięci single-rank mogą być zawsze określone jako pamięci jednostronne (single-sided DIMMs) a Pamięci dual-rank mogą być zawsze określone jako pamięci dwustronne (dual-sided DIMMs).
Jednak pamięci o randze pojedynczej czyli single-rank DIMMs a zwłaszcza te, które używają x4 DRAM, są zawsze określane jako pamięci dwustronne ze względu na zamontowanie modułów DIMM po obu stronach. W pamięciach quad-rank moduły DIMM także są zamontowywane po obu stronach.
Z tych przyczyn, metoda opisująca moduły DIMM ze względu na zamontowanie jest najlepszą ujednolicającą metodą podającą prawidłową rangę pamięci DIMM.

Pamięci DIMM mogą mieć wiele możliwych układów DRAM, w zależności od wielkości tekstu, wartości rangi i projektu producenta. Ogólny układ dla pamięci single-rank oraz dual-rank został poniżej przedstawiony:

a) x8 SR = x8 moduły single-rank
mają 5 pamięci DRAM z przodu I 4 z tyłu z pustymi przestrzeniami pomiędzy DRAM, lub mogą się mieścić wszystkie 9 pamięci DRAM na jednej stronie.
b) x8 DR = x8 moduły dual-rank
mają po 9 pamięci DRAM na każdej stronie, czyli razem 18.
c) X4 SR = x4 moduły dual-rank
mają po 9 pamięci DRAM na każdej stronie, czyli razem 18. Z wyglądu podobne do modłów x8 DR.
d) X4 DR = x4 moduły dual-rank
Mają 18 pamięci DRAM po każdej stronie, czyli razem 36.

Oznaczenia w typowym opisie pamięci (DIMM) np. w takim jak 2 GB 4R x8:

 2GB- Określenie pojemności pamięci, GB jest jednostką pamięci używana w informatyce i równą dokładnie 1024MB. Gdzie GB (Gigabajt)=109bajt.

 Oznaczenie 4R określa liczbę rang konkretnej pamięci (DIMM),(R oznaczenie rangi = 4 lub quad-rank)

 Oznaczenie x8 określa rozmiar danych.

Ranga pamięci jest ważnym czynnikiem dobierania konfiguracji, Liczba rang na jedną pamięć (DIMM) nie zmienia częstotliwości pamięci (DIMM). Jednak liczba rang na każdy kanał zmienia wydajność pamięci.

Ważne jest to, by zapewnić, że pamięci z odpowiednią liczbą rang były umieszczone w danym kanale uzyskując optymalną wydajność. Zaleca się w miarę możliwości użycie pamięci dual-rank w danym systemie. Ponieważ pamięci dual-rank oferują lepsze przeplatanie/przekładanie i tym samym lepszą wydajność niż pamięci single-rank.

Wykres 1. Pokazuje ze największe wzmocnienia wydajności (27%) jest wtedy, gdy liczba na kanał (RPC) jest zdublowana z 1R na 2R PC. Następne dublowanie z 2R na 4R PC powoduje wzrost wydajności o około 4%. Dlatego korzystanie z pamięci dual-rank bardzo zalecane.

Do sporządzenia wykresu 1. wykorzystano następujące konfiguracje:

I. 1 RPC, 6x2GB pamięci single-rank 1333MHZ,

II. 2 RPC, 6x2GB pamięci dual-rank 1333MHZ,

III. 3 RPC, 6x2GB pamięci single-rank i 6x2GB dual-rank 1333MHZ,

IV. 4 RPC, 6x2GB pamięci dual-rank 1066MHZ (Pamięci quad-rank nie było używane w tej konfiguracji, ponieważ użycie spowodowałoby spadać szybkość (taktowania) pamięci do 1066MHz).

^ góra

Typy pamięci RAM DDR3

W stosowanych w serwerach pamięciach DDR3 wyróżnia się 4 typy pamięci (RDIMM, UDIMM, LRDIMM oraz HyperCloud), które zostały przedstawione w poniższej tabelce (Tabela 1).

“DIMM (ang. Dual In-Line Memory Module) – standard podwójnych złączy na płycie głównej, w których można montować pamięci 168 pin SDRAM DIMMS, 184 pin DDR DIMMS, 240 pin DDR2 DIMMS.” [żródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/DIMM]

Początkowo większość serverów obsługiwało pamięci DIMM typu UDIMM i RDIMM. Nowsze typy pamięci to LRDIMM oraz HyperCloud, które poniżej zostały w skrócie opisane.

UDIMM (U- unbuffered) jest to najbardziej podstawowy typ pamięci DIMM bez rejestru (buforowania). Czyli w tym przypadku wszystkie dane, sygnały sterujące i adresy sa wysyłane przez kontroler pamięcy bezpośrednio bez uzycia dodatkowego rejestru (bufora). Oferuje to najszybszą prędkość pamięci, najniższą latancje (latancy) i mały pobór mocy. Jednak są one mniej stabline w pracy niż pamięci z buforowaniem. [1, 3]

^ góra

RDIMM (R- registered) jest to typ pamięci DIMM posiadającej dodatkowo wbudowane rejestry (bufory) w liniach adresowych i kontrolnych , które koncentrują swoje działanie pomiędzy DRAM a kontrolerem pamięci. Korzystanie z rejestrów w takim typie pamięcie daje zwiększoną stabilność pracy systemu tylko że zmniejsza prędkość przesyłania danych (opóżnienie) i zwiększa zużycie energii. [1, 3, 4]

^ góra

LRDIMM Jedna z nowszych i lepszych technologii i klas DIMM pozwalająca na pracę systemu na wyższych prędkościach dla danej pojemności pamięci przy niższy zużyciu energii lub wspiera działanie systemu przy większej pojemności pamięci dla danej prędkości. [7, 1, 3]

^ góra

HyperCloud jest to nowy typ pamięci (DIMM). Efektywna architektura i budowa tego typu pamięci dostarcza a 32GB pamięci DRAM w module DDR3 dual rank, przeznaczony do obsługi aż 3 modułów pamięci na jednym kanale z prędkością do 1333MT/s (MT/s to jest nieformalna językowo jednostka transfetu danych w technologii komputerowej zwana: Megatransfer na sekundę) w dowolnej konfiguracji pamięci. HperCloud zapewnia najniższą opóżnienie i najwyższy poziom wydajności pracy poprzez mały pobór mocy i bardzo dużej prędkości. [8, 9]

^ góra

Prędkość pamięci DDR3

Prędkość pamięci DDR3 które się cieszy dużą prędkością taktowania i przesyłania danych jest o wiele większa niż jej poprzedniczka DDR2. Orginalna zdefiniowana prędkość transmisji pamięci DDR3 sięga do 1600 MT/s, aż dwa razy więciej niż pamięć DDR2

^ góra

Wyliczenie przepustowości dla pamięci DDR3

W celu wyliczenia przepustowości dla pamięci DDR3 posługujemy się wzorem:

Zegar magistrali*2(Double Data Rate)*4 (mnożnik magistrali) * 64 bity/8 bitów = przepustowość w MB/s

Przykład dla zegara 100 MHz:

100 MHz * 2*4 *64 b/ 8 b = 6400 MB/s=6,4 GB/s

^ góra

Pamięci IBM DDR3

Pamięci IBM DDR3 zostały przetestowane i dostrojone pod względem kompatybilności zapewniając optymalną przepustowość i wydajność pracy System x. Specyfikacja pamięci IBM skupia na natychmiastowej diagnostyce i na wydajności systemu w czasie optymalnej pracy.

Jeśli chodzi o obsługi i wsparcia to pamięci IBM uzyskują gwarancję IBM System. IBM także zapewnia serwis i wsparcie techniczne na całym świecie.

Przedstawione zalety oferowane przez firmę IBM

 Sprawdzona kompatybilność i dopasowanie do optymalnej przepustowości i wydajności System x ,

 Automatyczne przyjęcie gwarancji IBM system,

 Zapewnienie łatwego serwisu IBM i wsparcie na całym świecie,

 Pełna oferta pamięci oferowana przez firmę IBM,

 IBM oferuje kontrolę i zarządzanie jakością na miejscu przez dostawców pamięci DRAM.

^ góra

Wnioski

By dokonać właściwego wyboru konfiguracji pamięci trzeba kierować się poniższymi zasadami:

 Servery obsługują wszystkie typy pamięci (UDIMM, RDIMM, HyperCloud (znane także jako HCDIMM), oraz LRDIMM).

 Brak możliwości mieszanie (łączenie) różnych typów pamięci (UDIMM, RDIMM, HyperCloud (znane także jako HCDIMM), oraz LRDIMM) w jedne konfiguraji.

 Możliwość mieszania (łączenia) pamięci 1,5V i 1,3V, gdzie w takim rzypadku wszystkie moduły pamięci będą pracować (działać) na 1,5V.

 Maksymalnie można zainstalowac 8 rang na jeden kanał (z wyjątkiem pamięciami typu LRDIMM, w których jest obsługiwane więcej niż osiem rank na jeden kanał. Ponieważ pamięc LRDIMM quad-rank zapewnia ten sam ładunek elektryczny (obciążenie elektryczne) na szyne pamięci/przepustowość jak w przypadku pamięci single-rank)

 Maksymalna ilość pamięci, którą można zainstalować na jednym serwerze zależy od liczby procesorów, typu pamięci, rang i wartości napięcia operacyjnego, tak jak zostało przedstawione w tabelce 3.

 Wszystkie zainstalowane pamięci w serwerze pracują z tą samą prędkości, która jest określona w zależności od:

o Obsługiwanej prędkości pamięci przez konkretny processor,

o Najniższej maksymalnej wartości prędkości operacyjnej pamięci dla danej konfiguracji zależy od wskaźnikowej prędkości dla danej pamięci, wartości napięci operacyjnego i ilości pamięci na dany kanał, co zostało przedstawione w tablece 3. (Maximum operated speed).

^ góra

-Przykładowe zasady maksymalnej wydajności dla serwerów z dwoma procesorami I 16 slotami pamięci:

 Zawsze należy wypełniać oba procesory równą ilością pamięci, zapewniając w ten sposób zrównoważony system NUMA.

 Zawsze należy wypełniać wszystkie kanały pamięci na każdym procesorze równą pojemnością pamięci.

 Zapewnij zgodność wartości rank wypełnionych na kanałach.

 Użyj pamięci dual-rank kiedy tylko jest to możliwe. (w stosownych przypadkach)

 Aby uzyskać optymalną wydajność 1333MHz, wypełnić 6 pamięci dual-rank (3 na jeden procesor).

 Aby uzyskać optymalną wydajność 1066 MHz, wypełnić 12 pamięci dual-rank (6 na jeden procesor).

 Aby uzyskać optymalną wydajność 800MHz dla dużej liczby pamięci:

- W platformach z 12 pamięci, wypełnić 12 pamięci dual-rank lub quad-rank (6) na procesor.

- W platformach z 16 pamięci:

• Wypełnianie 12 pamięci dual-rank lub quad-rank (6 na procesor).

• Wypełnianie 14 pamięci dual-rank tej samej wartości i 2 dual-rank podwójnej wielkości.

Z powyższych zasad, nie jest możliwe, aby mieć zoptymalizowaną wydajność systemu z 4 GB, 8 GB, 16 GB lub 128 GB. Z trzech kanałów pamięci i zasad przeplatania, klienci potrzebują, aby skonfigurować system z 6 GB, 12 GB, 18 GB, 24 GB, 48 GB, 72 GB, 96 GB, i tak dalej dla zoptymalizowanej wydajności.

Niektóre serwery nie dają możliwości mieszania (łączenia) pamięci z różną wartością rang. Inne natomiast dają możliwość mieszania pamięci ale wymagają określonej kolejności umieszczania tych pamięci. Jeszcze inne dają możliwość mieszania pamięci bez żadnej uwzględnionej kolejności umieszczania.

Niezależnie od możliwości łączenia pamięci o różnych rangach, to większości systemów działa najlepiej, gdy wszystkie pamięci mają tą samą wielkość i rangę oraz są wypełniane równomiernie na wszystkich kanałach pamięci w serwerze.

Pamięci dual-rank są także lepsze niż pamięci quad-rank. Ponieważ pamięci quad-rank mogą spowodować spadek taktowania pamięci.

Instalowane pamięci muszą być instalowane w parach (minimum jedna para na jeden procesor), a oba moduły pamięci w parze muszą być identyczne w rodzaju i pojemności pamięci.

^ góra

Literatura

[1] DDR3 memory technology, Technology brief, 3rd edition, (http://h20000.www2.hp.com/bc/docs/support/SupportManual/c02126499/c02126499.pdf)

[2] HP Advanced Memory Error Detection Technology, Technology brief,(http://h20000.www2.hp.com/bc/docs/support/SupportManual/c02878598/c02878598.pdf)

[3] Configuring and using DDR3 memory with HP ProLiant Gen8 Servers, Best Practice Guidelines for ProLiant servers with Intel® Xeon® processors, (http://h20000.www2.hp.com/bc/docs/support/SupportManual/c03293145/c03293145.pdf)

[4] Memory Performance Optimization for the IBM System x3850/x3950 X5, x3690X5, and BladeCenter HX5 Platforms, Using Intel Xeon 7500 and 6500 Series Processors, Dustin Fredrickson, Ganesh Balakrishnan, Charles Stephanm, Alicia Wimbush, George Patsilaras. IBM System x and BladeCenter Performance.

[5] Understanding Intel Xeon 5600 Series Memory Performance and Optimization in IBM System x and BladeCenter Platforms, Ganesh Balakrishnan, Ralph M. Begun, Bejoy Kochuparambil.

[6] Chipkill Memory , IBM eserver, Making Sense of Technology, ( http://www-05.ibm.com/hu/termekismertetok/xseries/dn/chipkill.pdf)

[7] Introducing LRDIMM – A New Class of Memory Modules, White Paper, (http://www.inphi.com/products/whitepapers/Inphi_LRDIMM_whitepaper_Final.pdf)

[8] http://www.itproportal.com/2008/09/15/gigatransfer-gt-and-megatransfer-mt/

[9] http://www.netlist.com/hypercloud/hcdimm-overview/

[10] http://www.hackersdelight.org/ecc.pdf,

[11] Tuning IBM System x Servers for Performance, redbooks, David Watts, Alexandre Chabrol, Phillip Dundas, Dustin Fredrickson, Marius Kalmantas, Mario Marroquin, Rajeev Puri, Jose Rodriguez Ruibal, David Zheng.

[12] Gervasi B., DRAM Module Market Overview,

[13] http://www.mechanikryki.pl/renata/pliki_pdf/pamiec_RAM.pdf,

^ góra