DDR5, cosa cambia rispetto alle DDR4? Cosa aspettarsi dalle nuove RAM

Era il 2017 quando la JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) annunciò lo sviluppo dello standard di memoria DDR5, sotto l'egida del "JC-42 Committee for Solid State Memories". Pensato per offrire maggiori prestazioni e un'efficienza migliore delle precedenti generazioni della tecnologia DRAM, lo standard DDR5 nasce più precisamente per "garantire un raddoppio del bandwidth e della densità rispetto alle DDR4, offrendo al tempo stesso une migliore efficienza".

Capacità più elevata, maggiori prestazioni e minori consumi, il solito mix innovazione che ci si attende da una memoria più avanzata. Dietro questa sintesi generale c'è però molto di più, una miriade di particolari tecnici, alcuni ben noti altri meno, che permettono di farsi un'idea più precisa delle memorie che installeremo nei PC e nei server dei prossimi anni. Già, perché ormai ci siamo: nel 2021 le DDR5 inizieranno ad arrivare sul mercato, anzitutto in ambito server.

Ci aspettiamo un supporto da parte di AMD con i processori EPYC di quarta generazione "Genoa" basati su architettura Zen 4, nonché da Intel con i chip Xeon "Sapphire Rapids". I piani in ambito desktop e mobile invece sono meno noti. È quindi un buon momento per fare il punto, anche perché Samsung ha annunciato di recente che non si farà trovare impreparata all'arrivo del nuovo standard, tanto da aver già pianificato la produzione in volumi di chip DDR5 con litografia EUV (extrema ultraviolet, ultravioletto estremo). Ovviamente anche Micron e SK hynix saranno della partita.

Prima di parlare delle DDR5 in modo approfondito, bisogna comprendere perché nascono queste memorie e quali esigenze vanno a soddisfare.

DDR5, perché servono

In questi anni il mondo delle CPU ha cambiato pelle. A fronte di aumenti delle frequenze contenuti in molti casi, abbiamo assistito a una transizione verso le architetture multi-core che ha portato a miglioramenti prestazionali continui. Il numero di core è cresciuto a una velocità tale (abbiamo CPU mainstream con 16 core, tre anni fa il top erano i quad-core) da superare il bandwidth messo a disposizione dal sistema. Di conseguenza sono necessarie nuove architetture di memoria che assecondino i requisiti di bandwidth dei futuri processori. A detta di Micron, le DDR5 rappresenteranno un cambio radicale di architettura rispetto alle DDR4, e questo consentirà di sostenere le necessità di un ecosistema in costante sviluppo.

DDR5, quali sono le novità

Cosa dobbiamo attenderci in termini di specifiche? Secondo la JEDEC, le memorie DDR5 dovrebbero raggiungere un data rate massimo per pin di 6400 MT/s (i produttori si spingeranno verosimilmente oltre). Come ogni nuova tecnologia si partirà però "molto più bassi", probabilmente 4266-4400 MT/s, per spingersi persino oltre quanto definito grazie all'overclock. Per quanto concerne la tensione di alimentazione, vedremo una riduzione da 1,2 a 1,1 V, con un intervallo di fluttuazione pari a "più o meno" 0,033 volt. Si parla quindi di un calo di circa l'8/9%.

Non è ancora chiaro se quanto vi stiamo per dire riguarderà solo il mondo server o anche quello consumer, ma le DDR5 prevedono lo spostamento di ciò che comporta la gestione dell'energia dalla motherboard al modulo stesso. Più in particolare un modulo DIMM DDR5 avrà un chip di gestione dell'energia da 12V (PMIC) in grado di distribuire la tensione VDD da 1,1 V in modo più preciso, permettendo di garantire l'integrità del segnale e una minore rumorosità.

Quanto alla densità dei chip, i produttori stanno sperimentando con soluzioni da 16 Gbit (2 GB per chip), ma si passerà in seguito a 32 Gbit (non è da escludere una versione intermedia da 24 Gbit) e anche oltre. Le nuove memorie vanteranno inoltre delle differenze al livello "fisico", per quanto concerne lo slot, in modo da evitare l'inserimento di moduli DDR5 in una motherboard DDR4 e viceversa. Ciononostante, continueranno ad avere 288 pin.

Un altro importante cambiamento in fatto di DDR5 è la nuova architettura del canale DIMM. Le DDR4 hanno un bus a 72 bit, composto da 64 bit di dati più 8 bit di ECC (Error Correcting Code). Con le DDR5 ogni DIMM avrà due canali, ognuno con un'ampiezza di 40 bit: 32 bit di dati e 8 bit di ECC. A fronte di un'ampiezza del bus dati identica (64 bit totali), avere due canali di memoria indipendenti più piccoli permetterà di migliorare l'efficienza di accesso alla memoria.

Inoltre, in termini di architettura del modulo, sia il lato destro che quello sinistro della DIMM saranno serviti da un canale indipendente ciascuno a 40 bit, con un RCD (registered clock driver) condiviso. Micron spiega che mentre nel caso delle DDR4 l'RCD fornisce due frequenze d'uscita per lato, nelle DDR5 ne mette a disposizione quattro. Il bus dati a 32 bit di ogni canale a 40 bit è composto da quattro linee a 8 bit, ognuna con un segnale di clock slegato da RCD. In questo modo si risolve il problema di avere un margine di rumore più basso che si origina dalla riduzione della VDD (tensione di alimentazione).

Un altro importante cambiamento rilevante riguarda il "burst length", con un'estensione da otto a sedici (BL16) che permette di accedere direttamente a 64 byte di dati, che è la dimensione tipica della linea di cache di una CPU. Ciò avviene usando solo uno dei due canali indipendenti e questo permette un significativo miglioramento di efficienza e di accesso a più informazioni in contemporanea.

I canali delle DDR5 sono inoltre dotati dei propri bus Address (Add)/Command (Cmd) con un'ampiezza di 7 bit (14 bit totali) e modalità di funzionamento DDR. I bus Add/Cmd avranno inoltre on-die termination per rendere i segnali più chiari e migliorare la stabilità a velocità elevate.

Lo standard DDR5 raddoppia anche il numero di bank group, lasciando il numero di banchi per gruppo identico. Tale cambiamento migliora l'efficienza del sistema permettendo di aprire più pagine di memoria in un dato momento, aumentando la probabilità statistica di raggiungere rapporti page-hit elevati. C'è anche un nuovo schema di refresh chiamato SAME-BANK Refresh che permette l'aggiornamento di un banco per bank group, lasciando gli altri liberi di funzionare normalmente. Tutto questo consente, usando ad esempio otto DIMM per ogni canale, di avere un miglioramento prestazionale del 28% nel raffronto tra un modulo DDR5 single-rank e un DDR4 dual-rank a 3200 MT/s.

Ebbene, in soldoni?

Capacità più elevata, maggiori prestazioni e minori consumi, come scritto in apertura. Stando ad alcuni test svolti dalle aziende, giusto per dare un ordine di idee, le DDR5 dovrebbero garantire a parità di data rate un incremento del bandwidth reale del 36% rispetto alle DDR4. Tenendo però conto del fatto che il data rate è destinato a essere decisamente più alto, si arriverà a risultati di gran lunga superiori: si parla dell'87% in più raffrontando memorie DDR4-3200 e DDR5-4800.