DDR5 или DDR4: какую память выбрать для Alder Lake

Процессоры Alder Lake принесли с собой критическую массу новых технологий, благодаря которым им удалось стать лучшими CPU не только для игровых нагрузок, но и для систем рабочего назначения. Одним из важных новшеств, на которое Intel обращает особое внимание, стала поддержка DDR5 SDRAM. Благодаря росту эффективной частоты память нового поколения обеспечила заметное увеличение пропускной способности при доступе процессора к данным, что, вероятно, стало одним из слагаемых успеха Alder Lake. По крайней мере, именно так можно подумать, поскольку большинство обзоров свежих процессоров Intel^®, которые можно найти в Сети (в том числе и на 3DNews), проведены с использованием DDR5 SDRAM, а все имеющиеся на рынке флагманские материнские платы с процессорным гнездом LGA1700 ориентированы на поддержку именно этого типа памяти.

Но в реальности, если речь идёт о самостоятельной сборке новой системы, приобретение DDR5 SDRAM для Alder Lake – довольно сложное и затратное мероприятие. Такая память практически отсутствует в продаже, а там, где она всё-таки появляется, её стоимость оказывается в полтора-два раза выше, чем у аналогичной по ёмкости качественной DDR4 SDRAM.

Но к счастью, процессоры семейства Alder Lake обладают гибким контроллером памяти, который наряду с поддержкой DDR5 SDRAM сохранил совместимость и с привычной DDR4 SDRAM. Эта поддержка реализуется на уровне материнских плат – среди доступных на прилавках магазинов LGA1700-материнок есть платы со слотами DIMM как для DDR5, так и для DDR4 (но не теми и другими одновременно). Поэтому пользователи, которые не считают целесообразным тратиться на DDR5, имеют возможность комплектовать системы с новыми процессорами распространённой памятью прошлого стандарта.

Возникает закономерный вопрос: не теряется ли при выборе DDR4 SDRAM какое-то важное преимущество Alder Lake. Именно ответу на него и будет посвящён данный материал, в котором мы сравним на практике поведение новых процессоров при работе с DDR4 и DDR5. Подробное исследование необходимо, так как DDR4 действительно обладает меньшей рабочей частотой, а следовательно, и меньшей пропускной способностью, но при этом может обеспечить примерно полуторакратное преимущество в латентности. Иными словами, противостояние DDR4 и DDR5 сводится к выявлению фактора, который влияет на производительность Alder Lake и прочих современных процессоров сильнее, – задержки или всё же пропускная способность.

Двухканальная подсистема памяти с распространёнными модулями DDR4-3600 CL16 обеспечивают пиковую пропускную способность около 57 Гбайт/с и латентность CAS на уровне 8,9 нс. При этом подсистема памяти на очень быстрых (по современным меркам) модулях DDR5-6000 CL36 может выдать 96 Гбайт/с при латентности 12 нс. По этому простому примеру хорошо понятно, что однозначного вывода о преимуществах того или иного типа памяти, скорее всего, не будет. Каким-то приложениям важнее получать больше данных в единицу времени, но каким-то критичнее, чтобы данные поступали быстрее. Вместе с тем различие в параметрах подсистем памяти отчасти может сгладить вместительный L3-кеш Alder Lake, объём которого достигает 30 Мбайт. Всё это можно воспринимать как аргументы в пользу необязательности DDR5 при построении систем на базе Alder Lake, и, если они найдут подтверждение на практике, это будет означать существенное снижение порога вхождения в экосистему LGA1700 для многих энтузиастов. Осталось лишь всё как следует проверить, и мы это сделаем в рамках партнёрского проекта с компанией Intel, которая не стала возражать против тестирования Alder Lake с DDR4, а, напротив, предоставила для данного тестирования полный набор необходимого оборудования.

⇡#Чем в действительности так хороша DDR5 SDRAM

В момент анонса процессоров семейства Alder Lake компания Intel причисляла поддержку DDR5 SDRAM к числу их важных преимуществ. Звучали аргументы об абстрактном «новаторстве» нового типа памяти, первенстве компании в её внедрении в десктопной платформе, а также о значительном росте частоты и пропускной способности. Но пользователи смотрели на эти утверждения со скепсисом. Им явно не нравились присущие DDR5 латентности, а также то, что заявленная в спецификациях Alder Lake поддерживаемая частота модулей нового типа находилась не слишком далеко от той частоты, которая по плечу и современной DDR4 SDRAM.

Если заглянуть в спецификации процессоров Core™ 12-го поколения, то для них обещана совместимость лишь с DDR5-4800. Представленные в магазинах модули этого типа в лучшем случае могут предложить схему таймингов 36-36-36-72, но скорее это будет 38-38-38-76 или даже 40-40-40-76. На фоне вполне ординарной памяти, например DDR4-3600 с задержками 16-18-18-36 или оверклокерской DDR4-4400 с таймингами 19-19-19-43, DDR5 с такими параметрами действительно смотрится бледновато.

Но не всё так печально. Во-первых, производители памяти уже сейчас готовы предложить DDR5 с частотами вплоть до 6000 МГц, причём такая память без каких-либо проблем совместима с настольными процессорами Alder Lake, хоть это и не отражено в спецификации. А во-вторых, и что гораздо важнее, DDR5 подразумевает не один только прямолинейный рост частоты передачи данных. В действительности новый стандарт приносит с собой довольно существенные изменения в архитектуре и логике подсистемы памяти, благодаря которым у неё возрастает КПД. Например, по оценке Micron, работая на такой же, как DDR4 SDRAM, частоте, DDR5 в действительности способна обеспечить передачу на 36 % большего количества данных, а переход с DDR4-3200 на DDR5-4800 даёт 87-процентный прирост практически наблюдаемой пропускной способности.

Но откуда берутся такие значения прироста, казалось бы, на пустом месте? Чтобы понять это, необходимо вспомнить о том, что те частоты, которые ставятся в названии типов памяти, на самом деле частотами самой памяти не являются. Ядра оперативной памяти, представляющие собой массив миниатюрных конденсаторов, уже много лет работают примерно на одной и той же невысокой частоте — порядка 200 МГц. Растёт лишь эффективная частота интерфейса модулей памяти, что обеспечивается вовсе не ускорением устройств DRAM, а увеличением их числа – то есть, наращиванием параллелизма.

Именно это и произошло при переходе от DDR4 к DDR5. Новые модули памяти предполагают вдвое большее количество групп банков (8 против 4), в то время как число банков в группе остаётся таким же, как и раньше (4). И это не только позволяет заполнять данными вдвое более быструю шину памяти, но и заодно увеличивает эффективность транзакций, так как рост числа групп банков позволяет оставлять одновременно открытым большее количество страниц и тем самым увеличить вероятность доступа к данным по простой схеме – с низкими задержками.

Увеличение частоты интерфейса памяти, то есть плотности передаваемой по шине памяти информации, обеспечивается другим простым приёмом – удвоением длины пакетов, которыми выполняются пересылки. Если в DDR4 SDRAM в один пакет входило 8 последовательных пересылок по шине данных, то в DDR5 их стало 16, что, соответственно, и привело к росту эффективных скоростей, которые как раз и указываются в названии модулей в виде четырёхзначного числа.

Однако на этом этапе возникла проблема, связанная с чрезмерным увеличением размера пакета. Ширина шины данных обычного модуля памяти – 64 бит, и объединение 16 пересылок в одном пакете означает, что за один приём из модуля поступало бы 128 байт данных. С точки зрения современных процессоров это очень неудобный объём, поскольку длина строки кеш-памяти вдвое меньше – 64 байт. Чтобы устранить эту нестыковку, в архитектуру DDR5 было внесено ещё одно кардинальное изменение – 64-битную шину каждого модуля разделили на две независимые 32-битные части.

Иными словами, единый физический модуль DDR5 по логической организации как бы представляет собой два независимых модуля с 32-битной шиной, собранные на едином куске текстолита. Таким образом, в DDR5 двухканальный режим доступа реализуется в пределах одного модуля. И именно на это нововведение, помимо увеличения эффективной частоты, обращают внимание в первую очередь, рассказывая о преимуществах DDR5 перед DDR4. Однако нужно понимать, что увеличения скорости передачи данных это на самом деле не приносит, поскольку один 64-битный канал заменяется двумя каналами с шириной 32 бит. Впрочем, определённый выигрыш такая организация всё-таки может дать благодаря тому, что она позволяет выполнять с половинками модуля две разных операции одновременно – раньше подобной возможности не существовало.

Дополнительный рост эффективности DDR5 достигается ещё и за счёт того, что такая память научилась «освежать» информацию в ячейках побанково, в то время как ранее эта операция проводилась для всех банков сразу. Регенерация заряда в ячейках памяти является залогом сохранности данных и требует повторения через установленные промежутки времени. Этот процесс в DDR4 требовал прекращения любых других операций, что по факту периодически блокировало любые полезные операции. В DDR5-памяти регенерацию стало возможно выполнять поочерёдно для разных банков в группах, в то время как остальные банки остаются доступны для обращений. И это увеличивает производительность DDR5 на дополнительные 6-9 %.

Но в конечном итоге все архитектурные изменения в DDR5 увеличивают её скорость в смысле роста частоты передачи данных и более эффективного использования шины. Вопрос латентности при этом обходится стороной. И почему это так, вполне очевидно. Ничего сделать с этой характеристикой невозможно: она обусловлена задержкой базовых ядер DRAM и временем, затрачиваемым на формирование более длинных, чем ранее, пакетов данных.

⇡#Особенности контроллера памяти Alder Lake

Для того чтобы процессоры Alder Lake могли реализовать весь заложенный в DDR5 SDRAM потенциал, они снабжены двумя двухканальными контроллерами памяти – по контроллеру на каждый «канал» в привычном смысле (в наиболее распространённом случае контроллер на модуль). В том случае, если в системе с процессором Alder Lake используется DDR4 SDRAM, в каждом из двух контроллеров задействуется только первый канал. Если в системе применяется DDR5 SDRAM, то два канала каждого из контроллеров работают с парами 32-битных субканалов, реализованных в пределах модулей. Это значит, что DDR5 SDRAM позволяет включить в системах на базе процессоров Alder Lake четырёхканальный режим памяти, в то время как при использовании DDR4 SDRAM доступен лишь двухканальный режим. Но не нужно забывать: суммарная ширина шины памяти в обоих случаях остаётся одинаковой – 128 бит. Просто в случае DDR5 она формируется четырьмя 32-битными каналами, а в случае DDR4 – двумя каналами по 64 бит.

DDR4 SDRAM – два канала

DDR5 SDRAM – четыре канала

Другой ключевой момент – использование множителей, связывающих частоту контроллеров памяти с частотой шины памяти и введённых ещё в Rocket Lake. В прошлом поколении процессоров таких множителей было два, а в нынешнем их стало уже три. Они носят условные названия Gear 1, Gear 2 и Gear 4 и по сути обеспечивают работу шины памяти на частоте, либо совпадающей с частотой контроллера памяти (Gear 1), либо превышающей её вдвое (Gear 2), либо превосходящей её вчетверо (Gear 4). Необходимость в таких делителях вызвана тем, что частота, максимально достижимая для являющегося частью CPU контроллера памяти, ограничена, и её верхний предел находится существенно ниже тех скоростей, на которые способны модули памяти, в особенности DDR5 SDRAM.

В процессорах Rocket Lake максимальным по частоте режимом памяти, возможным при выборе наиболее эффективного в смысле производительности множителя Gear 1 (то есть при синхронном режиме) был DDR4-3600 или, при удачном стечении обстоятельств, DDR4-3733. В Alder Lake контроллер памяти стал немного более податливым, и ему может покориться частота ближе к 4,0 ГГц. Тем не менее граница, при которой происходит автоматическое переключение контроллера из режима Gear 1 в Gear 2, формально всё равно осталась на уровне 3,6 ГГц. В сумме это значит, что с настройками по умолчанию синхронный режим памяти доступен в Alder Lake для модулей со скоростью до DDR4-3600, но при ручном конфигурировании в Gear 1 можно заставить работать и DDR4-4000. Благо переключение режимов контроллера по желанию пользователя доступно в BIOS практически любой материнской платы на LGA1700.

Переход к более скоростной памяти стандарта DDR4 потребует в любом случае отказаться от синхронности и перейти к режиму Gear 2, включение которого, как и раньше, налагает некоторый штраф на производительность подсистемы памяти. По этой причине использовать с Alder Lake высокоскоростную DDR4 – не самая лучшая затея. Гораздо рациональнее не выходить за рамки синхронного Gear 1 и ограничиться использованием DDR4-3600 или DDR4-4000.

Но с DDR5 ситуация совсем иная. Частоты самых простых модулей начинаются с отметки DDR5-4800, а значит, синхронный режим Gear 1 для них не может быть доступен в принципе. Поэтому для любой DDR5 нужно пользоваться режимом с удвоением частоты шины памяти Gear 2. Он применим для всех существующих в настоящее время модулей DDR5, и именно его включит контроллер памяти Alder Lake по умолчанию при установке процессора в любую материнскую плату с поддержкой DDR5 SDRAM.

Учетверяющий частоту памяти множитель Gear 4 работоспособен тоже, но применять его сейчас смысла нет. Штраф, налагаемый на производительность при его активации, выше, чем с множителем Gear 2. Поэтому он может потребоваться только тогда, когда с режимом Gear 2 частота контроллера памяти дойдёт до пограничных значений, то есть не раньше, чем частоты DDR5 перешагнут через отметку 7200 МГц.

Нужно отметить и ещё одну деталь. Частота работы контроллера памяти формируется подобно процессорной частоте – как произведение множителя на некую базовую частоту. Эта базовая частота в LGA1700-системах может быть выбрана из двух вариантов – 100 или 133 МГц. Между этими значениями нет различий в производительности, но они влияют на множество доступных для выбора частот памяти, определяя шаг между ближайшими значениями. Но и здесь есть нюанс – максимальный рабочий множитель, который в Alder Lake применим для частоты контроллера памяти, составляет 30x, поэтому в случае скоростных вариантов DDR4 в режиме Gear 1 базовая частота контроллера памяти 100 МГц оказывается бесполезна. А вот в системах с DDR5, где используется режим Gear 2, можно без проблем выбирать оба значения, хотя материнские платы с поддержкой DDR5 по умолчанию склоняются к использованию 100-МГц частоты.

В принципе, современные материнские платы учитывают всё это автоматически при выборе того или иного варианта памяти, однако в BIOS материнских плат есть возможность ручного переключения базовой частоты для контроллера памяти.

⇡#Как питается DDR5 SDRAM

Ещё одно заметное отличие модулей DDR5 состоит в том, что они используют иную схему питания и более низкие напряжения. Преобразователь напряжения в новой памяти переместился с материнской платы на сами модули, и теперь они получают от платы 5 В и формируют из него необходимые напряжения непосредственно на месте. Это позволяет улучшить стабильность питания чипов и снизить электромагнитные помехи, однако сами модули из-за необходимости размещения на них силовых элементов теперь получаются несколько более дорогими. Но зато благодаря этому проблемы с неудачными схемами питания слотов DIMM на материнских платах должны уйти в прошлое.

Установленная на каждом модуле интегральная схема управления питанием, согласно спецификации, должна подавать напряжения на пять линий, из которых значимыми являются два основных напряжения: VDD – напряжение, подаваемое на ядра памяти, и VDDQ – напряжение на цепях ввода-вывода. Номинальное значение этих напряжений – 1,1 В, однако производители оверклокерской памяти сразу же принялись завышать эти величины, поскольку это помогает чипам DDR5-памяти устойчиво работать на более высоких частотах.

Несмотря на переезд схем питания с материнской платы в модули, возможности управления напряжениями памяти через BIOS никуда не делись. LGA1700-платы предлагают полный набор средств для управления питанием модулей памяти, и напряжения VDD и VDDQ можно увеличивать как минимум до 1,435 В с шагом 5-10 мВ. Вместе с тем существуют и модули с более высоким верхним пределом изменения напряжений — это определяется контроллером питания, который выбрал производитель. Кроме того, поскольку каждый модуль имеет свой собственный стабилизатор напряжения, их питанием можно управлять раздельно.

Вопреки ожиданиям, снижение основных напряжений, от которых питаются чипы DDR5, на 0,1 В по сравнению с DDR4 не влечёт за собой уменьшение нагрева модулей. Напротив, похоже, что DDR5 будут присущи сравнительно высокие температуры.

Всё дело в силовой схеме, которая выделяет довольно много тепла, особенно в случае повышения напряжений. Поэтому массивные радиаторы на оверклокерских модулях DDR5 SDRAM – это отнюдь не декоративный, а реально необходимый элемент.

⇡#Идеальная DDR5 – G.Skill Trident Z5 RGB F5-6000U4040E16GX2-TZ5RK

Для тестирования нам удалось получить память DDR5-6000 серии Trident Z5 RGB компании G-Skill. Комплект F5-6000U4040E16GX2-TZ5RK, который попал в лабораторию, включает в себя два модуля объёмом по 16 Гбайт. Каждый из таких модулей, как и полагается оверклокерской DDR5, снабжён теплорассеивающими пластинами и управляемой RGB-подсветкой, проходящей по их верхнему краю.

По фотографиям памяти G.Skill нетрудно заметить, что модули DDR5 сильно похожи на модули DDR4. И это действительно так. Они имеют одинаковые размеры, и даже число контактов в ножевом разъёме осталось тем же – 288 штук. Однако DDR5 и DDR4 не взаимозаменяемы не только на логическом, но и на механическом уровне. Установить модуль нового типа в DDR4 DIMM не получится как минимум из-за иного расположения ключа-прорези в разъёме. Он сместился ближе к середине модуля, пусть это и не сразу бросается в глаза.

Хотя память F5-6000U4040E16GX2-TZ5RK рассчитана на схему таймингов 40-40-40-76, в то время как в ассортименте компании есть аналогичный вариант с более агрессивными задержками 36-36-36-76, она всё равно оказалась идеальным полигоном для экспериментов. Причина прежде всего в том, что в скоростных вариантах DDR5 SDRAM производства G.Skill используются отборные чипы Samsung, которые в настоящее время представляются наилучшим вариантом по масштабируемости частот при росте напряжения. Иными словами, такая память может быть названа полноправной преемницей модулей DDR4 с легендарными чипами Samsung B-die.

Справедливости ради необходимо упомянуть, что хорошим потенциалом по разгону обладают и чипы DDR5, производимые SK Hynix, однако память на их основе встречается пока очень редко. При этом максимально распространённые чипы производства Micron, к сожалению, масштабируются довольно плохо. Однако именно их можно найти в наиболее распространённых модулях DDR5-4800 и DDR5-5200, и заставить такие комплекты памяти работать в режимах DDR5-5600 и быстрее почти невозможно.

Согласно спецификации, комплект G.Skill F5-6000U4040E16GX2-TZ5RK рассчитан на работу при напряжении 1,3 В – это напряжение примерно на 20 % превышает штатную величину, которая для DDR5 SDRAM установлена стандартом в 1,1 В. Однако с DDR5-памятью ситуация такая же, как и с DDR4, – именно увеличение напряжения питания становится фундаментом роста частоты. И уровень 1,3 В не кажется слишком большим – некоторые производители DDR5 не стесняются декларировать для своей памяти ещё более высокие напряжения – вплоть до 1,4 В.

Модули, входящие в комплект G.Skill F5-6000U4040E16GX2-TZ5RK, – одноранговые, в основе каждого модуля используется по восемь 16-Гбит чипов. К сожалению, двухранговых модулей DDR5 объёмом 16 Гбайт не бывает, это обуславливается тем, что 16 Гбит – минимальная ёмкость доступных чипов.

G.Skill предварительно тестирует свои скоростные модули DDR5 на совместимость с LGA1700-платами компаний ASUS и MSI, и именно такие платы можно рекомендовать для раскрытия всех возможностей новой памяти. Для облегчения конфигурирования в F5-6000U4040E16GX2-TZ5RK есть XMP-профиль, однако возможности XMP 3.0 в этих модулях пока не задействуются. Вариант подготовленных производителем настроек предлагается лишь один.