Скорости и пропускная способность памяти DDR, GDDR и HBM
Производительность современных компьютеров в значительной степени зависит от скорости и типа используемой памяти. Память DDR, GDDR и HBM оптимизирована для различных целей, будь то основная системная память для процессоров, память для видеокарт или задачи, требующие вычислений с высокой пропускной способностью. В этой статье я сравниваю скорости и ключевые параметры этих типов памяти.
Производительность стандартов компьютерного оборудования часто рекламируется с использованием теоретических максимальных значений, измеренных в идеальных лабораторных условиях (на практике скорость передачи данных может быть ограничена контроллерами устройств, температурой или другими узкими местами). Эти цифры не обязательно отражают реальные скорости использования, но они отлично подходят для целей сравнения, поскольку четко показывают различия между технологическими поколениями.
В таблицах ниже я привожу теоретическое максимальное значение для каждого стандарта, округленное для удобства чтения и сравнения, и всегда указанное в байтах (а именно в МБ/с), где это применимо. Я писал о стандартах передачи и хранения компьютерных данных, единицах измерения, скоростях и их теоретических основах здесь.
DDR SDRAM (системная память)
Компьютерная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство) служит временным, быстродействующим хранилищем данных компьютера. В современных модулях ОЗУ используется технология DDR (Double Data Rate - удвоенная скорость передачи данных), что означает, что передача данных происходит как по нарастающему, так и по спадающему фронту тактового сигнала, что фактически удваивает скорость передачи данных по сравнению с исходной SDRAM.
Исходная SDRAM (иногда называемая SD или SDR RAM, чтобы отличить ее от DDR) работала на тактовых частотах 66-133 МГц. Поскольку она не была "удвоенной скоростью передачи данных", ее эффективная скорость передачи данных (в передачах в секунду) соответствовала ее тактовой частоте (в циклах в секунду).
МТ/с (мегатранзакций в секунду) показывает, сколько миллионов операций передачи данных память может выполнять в секунду. Это важно для памяти DDR (Double Data Rate), потому что за один такт происходит две передачи данных - одна по нарастающему фронту и одна по спадающему фронту тактового сигнала.
Возьмем для примера память DDR2-400:
- Ее базовая тактовая частота составляет 200 МГц.
- Поскольку в ней используется технология DDR (удвоенная скорость передачи данных), фактическая скорость передачи данных вдвое превышает тактовую частоту: 400 МТ/с.
Чтобы лучше это представить:
- Тактовая частота 200 МГц означает 200 миллионов тактовых циклов в секунду.
- В каждом цикле происходит 2 передачи данных (по нарастающему и спадающему фронту).
- Таким образом, общее количество передач составляет: 200 миллионов циклов/сек × 2 передачи/цикл = 400 миллионов передач в секунду (400 МТ/с).
Это отличается от пропускной способности (МБ/с), которая измеряет фактический объем перемещенных данных. Пропускная способность рассчитывается путем умножения значения МТ/с на ширину шины памяти (обычно 8 байт для стандартного 64-битного модуля DDR DIMM): 400 МТ/с × 8 байт/передача = 3200 МБ/с.
| Версия | Скорость передачи данных (МТ/с) | Название модуля | Год выпуска | Тактовая частота (МГц) | Пропускная способность (МБ/с) |
|---|---|---|---|---|---|
| DDR | 200-400 | PC-1600 - PC-3200 | 1998 | 100-200 | 1 600 - 3 200 МБ/с |
| DDR2 | 400-1066 | PC2-3200 - PC2-8500 | 2003 | 200-533 | 3 200 - 8 533 МБ/с |
| DDR3 | 800-2133 | PC3-6400 - PC3-17000 | 2007 | 400-1066 | 6 400 - 17 066 МБ/с |
| DDR4 | 1600-3200+ | PC4-12800 - PC4-25600+ | 2014 | 800-1600+ | 12 800 - 25 600+ МБ/с |
| DDR5 | 4800-8000+ | PC5-38400 - PC5-64000+ | 2020 | 2400-4000+ | 38 400 - 64 000+ МБ/с |
Пропускная способность рассчитана для стандартного 64-битного (8-байтного) широкого интерфейса памяти (один модуль DIMM). Двухканальная или четырехканальная конфигурации умножают эту пропускную способность.
Производители продают модули памяти, используя различные обозначения, такие как номер версии (DDR4), скорость передачи данных (3200 МТ/с) или название модуля (PC4-25600). Это может сбивать с толку, но таблица выше помогает определить эквивалентные модули. Например, DDR4-3200 и PC4-25600 относятся к одной и той же спецификации скорости памяти.
DDR ECC память
Память ECC (Error-Correcting Code - код коррекции ошибок) - это специальный тип памяти, используемый в основном в серверах, рабочих станциях и других системах, требующих высокой надежности. Память DDR ECC отличается от стандартной памяти DDR без ECC своими возможностями коррекции ошибок.
- Коррекция ошибок: Память ECC может автоматически обнаруживать и исправлять однобитовые ошибки и обнаруживать многобитовые ошибки. Это значительно снижает риск повреждения данных и сбоев системы.
- Дополнительные биты: Модуль памяти ECC обычно использует дополнительные биты на слово данных (например, 72 бита на 64 бита данных) для хранения кодов проверки ошибок, что обеспечивает коррекцию ошибок.
- Совместимость: Не все материнские платы поддерживают память ECC. Большинство материнских плат для серверов и рабочих станций совместимы, но обычные материнские платы для настольных компьютеров - нет. Процессор также должен поддерживать ECC.
- Скорость и задержка: Память ECC может быть немного медленнее или иметь более высокую задержку, чем сопоставимая память DDR без ECC, из-за накладных расходов на процесс проверки ошибок.
- Поколения DDR: Технология ECC доступна для всех современных версий DDR (DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5) и обычно используется в серверах для повышения стабильности системы.
Память ECC обычно используется в критически важных системах, где целостность данных и непрерывная работа имеют важное значение, таких как финансовые услуги, системы здравоохранения, научные исследования и высокопроизводительные вычислительные среды.
GDDR (графическая память)
Память GDDR: Память GDDR (Graphics Double Data Rate - графическая память с удвоенной скоростью передачи данных) специально разработана для видеокарт (GPU). Она обычно отличается более высокими тактовыми частотами и скоростью передачи данных (ГТ/с) по сравнению со стандартной системной памятью DDR, оптимизированной для потребностей в высокой пропускной способности при рендеринге графики и параллельной обработке. Чипы памяти GDDR обычно имеют более широкий интерфейс (например, 32-битный на чип) по сравнению со стандартными чипами DDR, и на видеокарте используется несколько чипов для очень широкой общей шины памяти (например, 128-битной, 256-битной, 384-битной).
ГТ/с (гигатранзакций в секунду) указывает количество операций передачи данных в секунду, аналогично МТ/с для памяти DDR, но масштабировано в 1000 раз (Гига против Мега). Это представляет собой необработанную скорость передачи данных, а не конечную пропускную способность в байтах/секунду.
| Версия | Год выпуска | Тактовая частота (МГц) | Скорость передачи данных (ГТ/с) | Типичная пропускная способность (ГБ/с) |
|---|---|---|---|---|
| GDDR2 | 2002 | 400–500 | 0.8–1.0 | ~12.8 – 16 ГБ/с |
| GDDR3 | 2004 | 800–1000 | 1.6–2.0 | ~51.2 – 80 ГБ/с |
| GDDR4 | 2006 | ~900–1150 | 1.8–2.3 | ~86 – 110 ГБ/с |
| GDDR5 | 2008 | ~1250–2000 | 5.0–8.0 | ~160 – 384 ГБ/с |
| GDDR5X | 2016 | ~1250–1750 | 10.0–14.0 | ~320 – 540 ГБ/с |
| GDDR6 | 2018 | ~1750–2500 | 14.0–20.0 | ~448 – 960 ГБ/с |
| GDDR6X | 2020 | ~1188–1438 | 19.0–23.0 | ~760 – 1104 ГБ/с |
Значения пропускной способности являются иллюстративными примерами для типичных видеокарт высокого класса той эпохи, рассчитанными как (Скорость передачи данных * Ширина шины / 8). Фактическая пропускная способность сильно зависит от конкретной конфигурации памяти GPU (ширины шины). Тактовая частота относится к эффективной тактовой частоте данных (половина скорости передачи данных для GDDR без PAM4).
HBM (память с высокой пропускной способностью)
Память HBM: HBM (High Bandwidth Memory - память с высокой пропускной способностью) использует принципиально иной подход, вертикально складывая кристаллы памяти и подключая их к процессору (часто GPU или специализированному ускорителю) через чрезвычайно широкий интерфейс (например, 1024-битный или шире на стек) на интерпозере. Это обеспечивает огромную скорость передачи данных при более низких тактовых частотах и более низком энергопотреблении по сравнению с GDDR, достигающей аналогичной пропускной способности. HBM3E, например, может превышать 1 ТБ/с пропускной способности на стек. HBM в основном используется в высокопроизводительных вычислениях (HPC), ускорителях искусственного интеллекта (AI) и видеокартах высокого класса, где максимальная пропускная способность памяти имеет решающее значение.
| Версия | Год выпуска | Пропускная способность на стек (ГБ/с) |
| HBM | 2013 | ~128 ГБ/с |
| HBM2 | 2016 | ~256 - 307 ГБ/с |
| HBM2E | 2018 | ~307 - 460 ГБ/с |
| HBM3 | 2022 | ~819 ГБ/с |
| HBM3E | 2023 | ~1 200+ ГБ/с |
| HBM4 (прогнозируется) | ~2026 | ~1 500 - 2 000+ ГБ/с |
Сравнительное резюме
- DDR SDRAM: Стандартная системная память, используемая с процессорами. Обеспечивает баланс скорости, емкости и стоимости. Пропускная способность увеличивается с поколениями (DDR3, DDR4, DDR5) и за счет использования нескольких каналов (двухканальный, четырехканальный). Варианты ECC обеспечивают надежность для серверов/рабочих станций.
- GDDR SDRAM: Оптимизирована для видеокарт (GPU). Приоритетом является очень высокая пропускная способность за счет более высоких тактовых частот/скорости передачи данных и широких шин памяти на видеокарте. Необходима для игр и задач с ускорением GPU. Обычно более высокая стоимость и энергопотребление, чем у DDR при эквивалентной емкости.
- HBM: Разработана для максимальной плотности пропускной способности и энергоэффективности. Использует сложенные кристаллы памяти и чрезвычайно широкие интерфейсы. Используется в высокопроизводительных GPU, ускорителях AI и системах HPC, где пропускная способность данных имеет первостепенное значение. Самая высокая стоимость и обычно меньшая емкость по сравнению с DDR/GDDR.