Технологии: "Оперативная память DDR/GDDR" Эволюция поколений⁠⁠

Поколения оперативной и видеопамяти сменяются через каждые несколько лет. В каждом из них производятся улучшения, нацеленные на повышение производительности. Значением, измеряющим скорость работы памяти, является эффективная частота. Однако она не является частотой работы чипов памяти, а достигается благодаря многим ухищрениям.

SDRAM

До середины 90-х годов прошлого века сменилось множество поколений оперативной памяти. Относительно современный период развития ОЗУ начинается в 1996 году с появления Synchronous Dynamic Random Access Memory (SDRAM). Это первая разновидность оперативной памяти, у которой появился тактовый генератор. Память стала синхронной. Это значит, что все ее компоненты — ядро памяти, буферы ввода-вывода и внешняя шина — работают на одной частоте.

Изначально новый тип памяти был достаточно дорог. В основном, он использовался в производительных графических адаптерах. В качестве ОЗУ SDRAM стала массово распространяться с 1997 года, когда на рынке появились процессоры Intel Pentium II и AMD K6.

Типичная частота SDRAM — 66–133 МГц. Напряжение питания — 3.3 В. Как и у всех последующих типов ОЗУ, ширина шины памяти модуля составляет 64 бита. Однако чипсеты того времени не поддерживали многоканальные режимы памяти. Поэтому пропускная способность памяти (ПСП) в системах с несколькими модулями SDRAM была точно такой же, как и в компьютерах с одной планкой: от 0.5 до 1 ГБ/c. В видеокартах предельная ширина шины была вдвое выше, да и сама память могла работать на более высоких частотах — 150-183 МГц. Это давало ПСП вплоть до 2.9 ГБ/c.

DDR

В 2000 году на свет появилась первое поколение памяти типа DDR (Double Data Rate, удвоенная скорость передачи данных). Основы работы DDR стали ключевыми для возможности линейного наращивания производительности ОЗУ, и используются в ее всех последующих поколениях.

DDR основана на предшественнице SDRAM. Ключевое отличие в том, что данные из ядра памяти выбираются не один раз за такт, а дважды. Эта технология получила название 2n-prefetch. Чтобы успевать передавать удвоенное количество данных по внешней шине без увеличения ее физической частоты, информация тоже стала передаваться дважды за такт — на фронте и спаде тактового сигнала.

При частоте внутренних компонентов в те же 133 МГц, что и у SDRAM, память DDR передает вдвое больше информации. То есть, аналогично SDR при частоте 266 МГц. Поэтому было введено понятие «эффективная частота памяти». Оно показывает, на какой частоте должна работать память SDR, чтобы получить такую же пропускную способность. Это и стало основной характеристикой новой ОЗУ.

При этом стандарт JEDEC подразумевает использование термина «мегатрансфер в секунду» вместо «мегагерц», что означает «миллионов произведенных транзакций передачи в секунду». Но производители памяти в маркетинговых материалах вместо этого агрессивно использовали эффективную частоту в МГц, поэтому термин «МТ/c» не прижился на рынке памяти. Таким образом, с приходом DDR реальная частота работы микросхем памяти перестала упоминаться.

Стандартное напряжение питания DDR составило 2.5 В. Распространение новая память получила c приходом на рынок процессоров Intel Pentium 4 и AMD Athlon. Типичная эффективная частота DDR — 266-400 МГц, хотя существуют модули, которые способны работать на частоте до 700 МГц.

Важным моментом в период распространения DDR стало появление двухканальных контроллеров памяти у чипсетов. Вследствие этого на некоторых материнских платах стало возможным удвоить пропускную способность ОЗУ добавлением второй планки. В одноканальном режиме ПСП массовой DDR составляет от 2.1 до 3.2 ГБ/c, разогнанных модулей — до 5.6 ГБ/c.

GDDR и GDDR2

Два первых поколения графической памяти получили названия GDDR и GDDR2 (сокращение от Graphics DDR). Они работают по принципу, схожему с обычной DDR. Оба вида получили оптимизации для увеличения тактовой частоты, жертвуя повышением задержек — ведь они для видеопамяти, в отличие от системной ОЗУ, не так важны. GDDR может работать со скоростью до 950 МГц, GDDR2 — до 1000 МГц.

Ширина шины памяти у топовых видеокарт к моменту расцвета графической DDR увеличилась до 256 бит. Из-за сравнимых частот оба поколения GDDR вместе с такой шиной достигали примерно одинаковой пропускной способности — 30-32 ГБ/c.

DDR2

В конце 2003 года появилась память DDR второго поколения. Технологию выборки усовершенствовали: теперь это 4n-prefetch, которая выбирает данные из памяти четыре раза за такт. Чтобы успевать передавать столько данных, частоту буфера и шины памяти по сравнению с DDR первого поколения увеличили вдвое. Благодаря этим изменениям эффективную частоту удалось еще раз удвоить без поднятия частоты самой памяти.

Для более простого понимания разберем пример. У микросхем DDR с частотой 133 МГц шина памяти и буфер вывода работают на такой же частоте. Эффективная частота ОЗУ при этом составляет 266 МГц — за счет передачи данных дважды за такт. У микросхем DDR2 с частотой 133 МГц шина памяти и буфер работают на удвоенной частоте в 266 МГц. А за счет передачи данных дважды эффективная частота вырастает еще в два раза — до 533 МГц.

Возросшая эффективная частота поспособствовала кратному увеличению пропускной способности. Но более «широкая» выборка данных практически кратно увеличила и задержки памяти. Поэтому первые модули DDR2 и чипсеты с их поддержкой не могли похвастать ощутимым увеличением производительности, а то и вовсе оказывались медленнее решений на DDR.

Чтобы получить видимый прирост производительности от новой памяти, потребовались процессоры нового поколения — Intel Core 2 и AMD Athlon X2. Их распространение началось в 2007 году. Надо сказать, что подобный подход к раскрытию потенциала новой памяти сохранится и в отношении каждого последующего поколения ОЗУ: и DDR3, и DDR4, и самой современной DDR5.

При эффективной частоте от 533 до 1200 МГц пропускная способность памяти составляла от 4.2 до 9.6 ГБ/c. Двухканальный режим, который к тому времени значительно распространился у чипсетов материнских плат, помогал удвоить эти значения. Стандартное напряжение питания DDR2 составило 1.8 В. У планок с повышенной частотой оно могло достигать 2.1 В.

GDDR3

GDDR3 была разработана для видеокарт на базе обычной DDR2. Как и в прошлых поколениях GDDR, для нее использовались частотные оптимизации. Благодаря им эффективная частота GDDR3 с 2004 по 2009 год выросла с 800 до 2500 МГц.

За счет GDDR3 пропускная способность памяти видеокарт заметно выросла. У моделей с 256-битной шиной она достигла 70 ГБ/c. Но самую «крутую» реализацию GDDR3 получила линейка видеокарт NVIDIA GeForce GTX200. Благодаря широкой 512-битной шине скорость обмена данных с памятью у топа серии GTX285 достигла отметки в 159 ГБ/c.

DDR3

2007 год принес компьютерному миру новую память DDR3, вновь удвоившую эффективные частоты относительно прошлого поколения. Принцип повышения производительности оказался таким же, как и в прошлый раз. Выборка из памяти теперь производится восемь раз за такт вместо четырех (8n-prefetch), а частоты работы буфера и шины вновь удвоены. При этом само ядро памяти работает в диапазоне 100-266 МГц, как и у DDR2.

«Детские болезни» у новой памяти на старте продаж были те же самые: низкий рост производительности и повышенные задержки. Впервые заметный прирост скорости работы с памятью DDR3 обеспечила процессорам Intel Core i7 первого поколения, которые были выпущены в конце 2008 года. Тогда под платформу LGA1366 был разработан новый чипсет с трехканальным контроллером памяти. На тот момент скорость памяти составляла скромные 800–1066 МГц. Со временем массовые планки достигли частот в 1600–1866 МГц. Важным новшеством DDR3 стала поддержка технологии Extreme Memory Profile (XMP). Она позволяет модулю памяти иметь специальные профили для работы на повышенных частотах, обеспечивая «легальный» разгон. Благодаря XMP топовые планки DDR3 смогли достичь потолка частоты в 2933 МГц, что дает пропускную способность для одного модуля в 23.4 ГБ/c.

Стандартное напряжение DDR3 составило 1.5 В, но при задействовании профиля XMP могло повышаться до 1.65 В. В 2010 году был утвержден стандарт DDR3L с пониженным напряжением питания 1.35 В. Первые планки с его поддержкой использовались в ультрабуках, но спустя три года стали распространяться в обычных ноутбуках и десктопных компьютерах.

GDDR4

Графическая память GDDR4 основана на обычной DDR3. Еще до ее выхода на рынок, во второй половине 2006 года, свет увидела первая видеокарта с GDDR4 — ATI Radeon X1950 XTX. При этом по эффективной частоте новая память даже в момент выхода недалеко ушла от предшественницы. А позже — и вовсе уступила «старой» GDDR3.

Спустя полтора года после появления развитие GDDR4 приостановилось в связи со скорым выходом видеопамяти следующего поколения. Ее максимальная эффективная частота в серийных видеокартах составила 2250 МГц.

GDDR5

Память GDDR5 также основана на DDR3, и использует аналогичную выборку 8n-prefetch. Но у всех прошлых поколений памяти эффективная частота вдвое превышает частоту шины. А главное новшество GDDR5 — не вдвое, а вчетверо большая эффективная частота.

Это стало возможным благодаря одновременной трансляции двух параллельных сигналов, у каждого из которых все также по две передачи данных за такт. И хотя память использует в названии аббревиатуру «DDR», технически это QDR — Quad Data Rate (учетверенная скорость передачи данных). Для более эффективного использования пропускной способности у широких шин видеокарт GDDR5 имеет не 64-битные, а 32-битные каналы доступа. Обе эти особенности сохранятся и у всех последующих поколений GDDR.

Это поколение видеопамяти очень долго господствовало на рынке. Первая видеокарта с GDDR5 появилась в 2008 году: ей стала ATI Radeon HD4870. Последние модели появились в 2019 году — это NVIDIA GeForce GTX 1660 и GTX 1650. За этот долгий временной период, благодаря новым техпроцессам и оптимизациям, эффективные частоты памяти возросли с 3600 до 9000 МГц.

При использовании 512-битной шины новая память уже на старте обеспечила бы на две трети возросшую пропускную способность по сравнению с топовыми вариантами GDDR3/GDDR4. Однако производители видеокарт решили пойти путем экономии, сузив шины обмена данными у флагманских видеокарт до 256 или 384 бит. В итоге, у первой видеокарты с GDDR5 ПСП составила 115 ГБ/c, а у последних решений на базе этой памяти достигла внушительных 336 ГБ/c.

DDR4

2014 год подарил миру оперативную память нового поколения — DDR4. Как и DDR3, она использует выборку 8n-prefetch. Но теперь данные выбираются одновременно из двух банков памяти, а не из одного. Впрочем, обе выборки в итоге все равно проходят через мультиплексор, который объединяет их поток. Поэтому такая выборка не равнозначна более широкой 16n-prefetch, но эффективнее, чем обычная 8n у DDR3.

Подобное решение не могло полностью скомпенсировать отсутствия удвоенного числа выборок, как между прошлыми поколениями памяти. Поэтому двукратного роста скорости DDR4 не показала. Эффективные частоты стандартной памяти начинаются с 2133 МГц и заканчиваются на отметке 3200 МГц. Топовые планки с поддержкой XMP позволяют увеличить этот потолок до частоты 5000 МГц — на 70 % больше, чем у флагманской DDR3.

Стандартное напряжение питания DDR4 составило 1.2 В. Планки с поддержкой XMP обычно требуют 1.35 В, но у топовых модулей это значение может достигать 1.6 В. Впервые памятью DDR4 обзавелась высокопроизводительная платформа Intel LGA2011-v3. Помимо ОЗУ нового поколения, процессоры под нее получили целых четыре канала DDR4-2400.

Широкое распространение DDR4 началось в 2015 году c выходом шестого поколения Core и платформы Intel LGA1151, которая поддерживала и прошлую DDR3. Разницы между двумя видами памяти на ней еще практически не было — чуть более высокие частоты нивелировали повысившиеся задержки. Полноценно новая память стала раскрываться только в 2017 году, с приходом платформ LGA1151 v2 от Intel и AM4 от AMD.

Один топовый модуль DDR4-5000 способен обеспечить пропускную способность до 40 ГБ/c. Однако контроллеры памяти процессоров оказались не готовы к прямой работе с такими частотами. Поэтому с приходом высокочастотной DDR4 последним платформам с ее поддержкой была добавлена возможность использования делителей памяти. Они позволяют контроллеру работать с вдвое меньшей частотой, чем сам модуль.

GDDR5X

В этот раз передовые технологии первой получила не оперативная, а видеопамять — GDDR5X. Она была выпущена в 2016 году, и получила в два раза более широкую выборку 16n-prefetch. Таким образом, эффективная частота с этого поколения в восемь раз превышает частоту шины памяти.

Благодаря более широкой выборке производительность могла бы увеличиться вдвое. Но память получилась горячей, поэтому частоту ее ядра пришлось понизить. В результате максимальная эффективная частота увеличилась по сравнению с GDDR5 не так сильно — с 9000 до 11400 МГц.

Пропускная способность в топовых видеокартах на базе GDDR5X достигла значения в 547 ГБ/c. При этом напряжение питания памяти снизилось с 1.5 до 1.35 В.

GDDR6

Из-за высокого тепловыделения GDDR5X массовой так и не стала. Эту роль на себя приняла GDDR6, впервые увидевшая свет в 2018 году. Она имеет аналогичное напряжение и принцип формирования эффективной частоты, но с одним важным улучшением. Теперь каждый 32-битный канал памяти поделен на два внутренних по 16 бит, а вместо однопоточной выборки используется двухпоточная 16n-prefetch (или 2x8n). Это позволяет отправлять больше запросов к памяти одновременно, и повышает ее эффективность в сложных задачах.

Эффективная частота памяти снова возросла, охватив широкий диапазон от 12000 до 20000 МГц. GDDR6 остается актуальной и на сегодняшний день, достигнув во флагманских видеокартах AMD пропускной способности в 960 ГБ/c.

GDDR6X

Следующее поколение видеопамяти увидело свет в 2020 году, дебютировав в топовых видеокартах серии GeForce RTX 3000. GDDR6X представляет собой дальнейшее развитие идей GDDR6, в очередной раз увеличивая отрыв эффективной частоты от частоты шины памяти до шестнадцатикратного.

В этом памяти помогла новая технология кодирования сигнала 4 Pulse Amplitude Modulation (PAM4), которая заменила ранее используемую NRZ. Она позволяет передавать данные в одном импульсе не дважды, а четырежды за такт. Это происходит благодаря четырем уровням кодирования сигнала, тогда как ранее их было только два.

GDDR6X оказалась лишь немного быстрее предшественницы, так как изменений в самой выборке не произошло. На момент выхода ее эффективная частота достигала 19 ГГц, тогда как GDDR6 довольствовалась планкой в 16 ГГц. Оба вида памяти развивались параллельно, поэтому разрыв между ними не увеличился: сегодня GDDR6 может обеспечить 20 ГГц, а GDDR6X — 23 ГГц эффективной частоты. При этом память с приставкой «X», как и в прошлом поколении, оказалась заметно горячее.

DDR5

Технологии, применяемые в GDDR6, послужили основой для обычной DDR5, впервые появившейся на рынке в 2021 году. Этот тип ОЗУ также использует двухпоточную выборку 16n-prefetch, разделяя каждый канал памяти на два внутренних. Ключевое отличие от GDDR6 — DDR5 передает данные за такт дважды, а не четырежды. То есть это истинная DDR, а не QDR. Поэтому эффективная частота у нее заметно ниже, чем у графической предшественницы.

В каждый модуль DDR5 встроена коррекция ошибок (ECC), тогда как у предшествующих поколений DDR она была только в серверных планках. За счет этого новое поколение модулей имеет два канала по 40 бит. В каждом из них для ECC используется 8 бит, а для данных — 32 бита. То есть, ширина шины для передачи данных осталась неизменной — это те же 64 бита, что и у прошлых поколений памяти, просто поделенные на две части.

В отличие от DDR4, у которой данные с двух выборок попадали в один мультиплексор, каждый канал DDR5 работает независимо. Поэтому новое поколение памяти наконец принесло ожидаемое удвоение эффективных частот. Даже самая медленная DDR5 работает на частоте в 4800 МГц, что практически равно скорости самой топовой ОЗУ прошлого поколения.

DDR5 дебютировала в 2021 году вместе с процессорами Core 12 поколения и платформой Intel LGA1700. Как и в случаях с прошлыми поколениям ОЗУ, её первые модули обладали высокими задержками и практически не имели преимуществ в работе перед DDR4. Но с массовым распространением новой памяти и постепенным снижением таймингов прирост от нее стал заметен даже на первой платформе с ее поддержкой, не говоря о более новых AMD AM5 и Intel LGA1851.

Но к 2023 году скорости DDR5 стали потихоньку упираться в очередное препятствие. Длинные дорожки, соединяющие контроллер ОЗУ в процессоре и чипы памяти на планках DIMM и SO-DIMM, стали вносить в работу быстрой DDR5 помехи. Из-за этого дальнейший рост частот стал проблематичным.

Чтобы обойти эту проблему, было представлено два решения. Первый — появившийся в 2023 году новый форм-фактор памяти CAMM2. Он сокращает длину соединений между ЦП и чипами памяти, значительно уменьшая эти помехи. Есть и еще одно ключевое преимущество: возможность организовать широкий 128-битный доступ к памяти, заменяя одним модулем CAMM2 два модуля DIMM или SO-DIMM.

Однако CAMM2 нацелен больше на ноутбуки— ведь в них модули DDR5 SO-DIMM нередко заменялись распаянной на плате ОЗУ. Для декстопных ПК гораздо больше подошло второе решение, появившееся в 2024 году — планки CUDIMM. Они схожи с обычными планками DDR5 DIMM и имеют обратную совместимость, но для решения вопроса с помехами оснащаются собственной микросхемой тактового генератора. Такой микросхемой могут оснащаться не только полноразмерные модули DIMM, но и компактные планки SO-DIMM и CAMM2.

К концу 2023 года частота DDR5 уперлась в потолок чуть выше 8000 МГц, но благодаря CUDIMM и CAMM2 снова стала расти. На начало 2025 года выпускаются модули DDR5 с эффективной частотой в 10000 МГц, которые в разгоне уже превышают потолок в 12000 МГц.

При этом DDR5 продолжает развиваться, а вот контроллеры памяти в процессорах пока такую скорость не осиливают. Если для быстрой DDR4 приходилось использовать делитель памяти 1:2, то для топовой DDR5 необходим уже делитель 1:4 — тогда контроллер работает лишь на одной четверти от эффективной частоты самих планок.

GDDR7

Графическая видеопамять GDDR7, как и три поколения ее предшественниц, увидела свет вместе с очередной серией видеокарт NVIDIA. В январе 2025 года она дебютировала в моделях линейки RTX 5000, первыми из которых стали RTX 5080 и RTX 5090.

GDDR7 является дальнейшим развитием и объединением ранее использованных идей. У DDR5 она позаимствовала встроенную коррекцию ошибок (ECC). У GDDR6 — деление одного канала передачи на внутренние. Причем уже на два, а на целых четыре. Каждый из них имеет ширину в 10 бит, 2 из которых используются для работы ECC. Таким образом, общая ширина передачи данных остается равной 32 битам. Но, как и в GDDR6, для каждого внутреннего канала используется своя выборка 8n. Это обеспечивает памяти GDDR7 четырехканальную выборку 32n-prefetch (4x8n).

По сравнению с двумя прошлыми поколениями видеопамяти выборка увеличилась вдвое. А вот увеличить аналогично частоту буфера — задача не из легких. Тут бы пригодилась технология PAM4, используемая в GDDR6X. Но помехи воспрепятствовали распознаванию четырех уровней сигнала на столь высоких частотах. Поэтому было решено использовать 3 Pulse Amplitude Modulation (PAM3) — она работает аналогично предшественнице, но позволяет передавать данные в одном импульсе не четырежды, а трижды за такт.

Уже в первых видеокартах GDDR7 достигла эффективной частоты в 28000-30000 МГц. Ближе к концу жизненного цикла для неё ожидаются значения, эквивалентные 48000 МГц (или МТ/c — кому как удобнее ).

HBM

High Bandwidth Memory (HBM) — память с высокой пропускной способностью, предназначенная для конкуренции с семейством DDR в высокопроизводительных видеокартах, профессиональных и серверных решениях. HBM интегрируется на подложку вычислительного чипа (ЦП или ГП), поэтому не отнимает место на плате, как в случае с чипами DDR/GDDR.

HBM — это многослойная память, слои которой накладываются друг на друга подобно этажам в доме. За счет непосредственной близости к вычислительному кристаллу стало возможным значительно расширить интерфейс взаимодействия с ней. Один канал связи с памятью HBM обладает шириной в 128 бит. На каждый слой приходятся два таких канала. При этом память точно так же, как и DDR, может передавать данные дважды за такт. Четыре слоя образуют стек, который в итоге имеет 1024-битную шину доступа.

Cтек HBM первого поколения имеет объем в 1 ГБ. Дебютным графическим процессором с поддержкой HBM стал AMD Fiji. Он использует четыре стека HBM. Таким образом получаются 4 ГБ памяти с шиной доступа в 4096 бит.

Невероятные цифры по сравнению с GDDR, не так ли? Но эффективная частота HBM намного ниже, чем у ее конкурента — около 1000 МГц. Однако и этого хватило, чтобы значительно превысить показатели ПСП GDDR5 в момент появления на рынке. Первое поколение памяти в потребительских видеокартах появилось в серии видеокарт AMD Fury в 2015 году. Ее пропускная способность составила 512 ГБ/c против 336 ГБ/c у топовых решений на GDDR5. Однако был и явный минус — малый объем памяти при четырех стеках, который являлся ограничением для первого поколения HBM.

Этого недостатка лишилась HBM2, появившаяся в 2017 году. Стек HBM2 имеет объем в 4 ГБ и такую же 1024-битную шину, но работает на частоте до 2000 МГц. Как и прежде, для получения полной 4096-битной шины нужно четыре стека, из которых получается 16 ГБ HBM2. Изначально HBM2 появилась в профессиональных ускорителях NVIDIA Quadro GP100, а затем и в игровых картах AMD: Vega 64 и Vega 56.

В отличие от серии Fury, в этот раз игровые модели AMD получили два стека, которые образовали 8 ГБ памяти при 2048-битной шине. Наиболее полно в игровых видеокартах HBM2 раскрылась в 2019 году. Тогда была выпущена топовая модель Radeon VII с четырьмя стеками и максимальной скоростью памяти, пропускной способность которой достигла 1024 ГБ/c.

К сожалению, на этом история перспективной памяти в игровых ПК пока завершается. И NVIDIA, и AMD используют память типа HBM в профессиональных и серверных ускорителях, но в игровые видеокарты она больше не попадает. Это связано в первую очередь с высокой стоимостью HBM: топовая GDDR на данный момент немного медленнее, но ощутимо дешевле.

В ускорителях вычислений развитие памяти продолжилось. В них в 2020 году появилась обновлённая HBM2 со стеками размером 8 ГБ. Параллельно ей началось распространение HBM2e. Она представляет собой улучшенную версию HBM2 с поддержкой 12 слоев памяти вместо 8. Это позволяет увеличить максимальную ширину шины до 6144 бит и расширить предельный объем памяти стека до 24 Гб. При этом повысилась и частота памяти — до 3200 МГц против 2000 МГц у HBM2. Предельная ПСП может достигать 2457 ГБ/c, но в реальных продуктах максимальная конфигурация HBM2e не использовалась.

HBM3 увидела свет в 2021 году. Она поддерживает до 16 слоев памяти. Это позволяя расширить шину доступа до 8192-битной, а объем памяти стека — до 32 ГБ. Для более эффективного распараллеливания доступа один слой теперь имеет не два 128-битных, а четыре 64-битных канала памяти. К тому же, максимальная частота памяти возросла в два раза — до 6400 МГц. Это позволяет увеличить пропускную способность до 6553 ГБ/c.

HBM3e была представлена в 2023 году. При схожих с HBM3 основных характеристиках, её эффективная частота памяти может достигать 9600 МГц. За счёт этого обеспечивается невероятная пропускная способность — до 9830 ГБ/c.

Cравнение разных поколений памяти

Вы познакомились практически со всеми видами оперативной и видеопамяти за последние три десятилетия. Сравнить их основные технические характеристики можно в таблицах ниже. Для удобства память SDRAM присутствует в них дважды – и в качестве оперативной, и в качестве видеопамяти.