Tudo sobre as novas DDR5 – Testando um kit ADATA 4800C40 – Chip Micron

Fala pessoal, tudo bem?

Existem certas coisas que já estão entre nós a tanto tempo que elas acabam se tornando até familiares, por exemplo, as memórias DDR4, que estão no mercado desde 2014, é uma dessas coisas e apesar de a “tecnologia base” ser a mesma, muita coisa evoluiu desde então, com novos chips de maior densidade surgindo, novos processos de fabricação, PCBs otimizados e até mesmo controladores de memória melhores que vieram com as novas gerações de CPUs, tudo isso contribuiu para tornar as DDR4 de 2022 algo melhores que as de 2014.

Apesar de as memórias DDR4 terem hoje chegado a seu ápice, é comum que a tecnologia chegue a um ponto de maturidade no desenvolvimento em que ir adiante implica em mudanças significativas, o que poderia até mesmo quebrar a compatibilidade com tudo aquilo que foi feito antes, ou seja, torna-se necessário adotar um novo padrão que irá vigorar e evoluir até atingir a sua plenitude em alguns anos, em outras palavras, muito obrigado DDR4, mas chegou a hora das DDR5 tomarem a sua coroa! 🙂

O novo padrão, que chegou ao mercado no final de 2021, fazendo sua estreia nos PCs junto ao Alder Lake, traz uma série de diferenças notáveis em relação as DDR4, como, por exemplo, a densidade máxima muito maior, mudanças no funcionamento dos canais de memórias, inclusão do circuito de alimentação diretamente no módulo (PMIC) e ECC “nativo”.

• Densidade:

Sobre a densidade, o padrão DDR5 prevê dies de até 64 Gbit contra um máximo de apenas 16 Gbit nas DDR4, isso sem contar a possibilidade de se empilhar os dies, o que deverá permitir a produção de módulos LRDIMM para servidores com até 2 TB por módulo! Já no “mundo civil”, os módulos DDR5 terão limite máximo de 128 GB por pente, algo 4x maior do que o permitido pelas memórias DDR4.

• Dual Channel? Quad Channel? DDR5 e a mudança nos canais:

Algo que causa muita confusão é a nova configuração dos canais de memória, onde nas DDR4 e anteriores, cada canal e módulo possuía 64-bits, o que significa que uma configuração “dual channel” tinha 128-bits, porém, com o advento das DDR5, esses canais passaram a ser de 32-bits, onde cada “metade” de um módulo passou a operar como um canal independente, o que significa que ao usar apenas um pente DDR5, você estará usando “dual channel” e “quad channel” para dois módulos.

Isso levou muita gente ao engano, pensando que um módulo de DDR5 equivaleria a uma configuração “dual channel” DDR4, o que não é verdade, afinal, a largura de cada um desses canais difere e por essa razão, não existe tal equivalência. Os diagramas abaixo ilustram essa questão, comparando lado a lado uma configuração “single channel” DDR4 e uma “dual channel” DDR5.

A ideia por trás da mudança é aumentar o paralelismo e a banda, afinal, isso aliada a mudança no “burst lenght” de 8 bytes para 16 bytes, significa que cada um desses canais pode “entregar” a CPU 64 bytes por operação, dobrando a banda efetiva em relação as DDR4.

Outra importante novidade foi a introdução do DFE, ou Decision Feedback Equalization, algo que possibilitou reduzir ruído nos sinais da DDR5, algo necessário para manter a estabilidade ao aumentar a frequência do barramento das novas memórias além dos níveis observados nas DDR4.

• PMIC:

Assim como ocorreu nos padrões anteriores, para as DDR5, também houve redução na tensão de operação e por consequência, no consumo das memórias, onde o VDD/VDDQ padrão agora é de 1.1V versus 1.2V das DDR4, contudo, a grande diferença foi na inclusão do conversor DC-DC diretamente nos módulos de memória, removendo da placa-mãe a responsabilidade de converter a tensão de entrada, geralmente 5V ou 12V, para aquelas usadas pelas DIMMs, onde para isso, foi adotado um chip chamado “PMIC” ou “Power Management IC”, o qual todo módulo DDR5 possui um.

Tal solução, que costuma ser usada em SSDs, consiste em usar um CI que é como se fosse um “VRM em um chip”, o qual inclui toda parte de controle PWM, comunicação com outros componentes por interfaces como I2C e mosfets, onde apenas componentes passivos como capacitores e indutores ficam de fora. Até o momento existem ao menos cinco fornecedores do chip PMIC DDR5: Renesas, IDT, Montage Technologies e Texas Instruments.

A partir desse componente, são geradas às cinco tensões utilizadas no funcionamento das memórias, no caso, VDD, VDDQ, VPP e dois LDOs com tensão de saída de 1.8V e 1V, onde ao menos em tese, o VDD e VDDQ são limitados a 1.43V, porém, em módulos voltados a entusiastas, existe o chamado “High Voltage Mode”, que caso ativado, permite o ajuste de tensão “on-the-fly” pelo SO além de ampliar o limite do VDD/VDDQ para além dos 2V, contudo, não são todas as memórias e nem todos os PMICs disponíveis que suportam esse modo.

Tanto as DDR4 quanto DDR5 no padrão U-DIMM, que são os módulos comumente encontrados em ‘desktops’, tem 288 contatos, mudando a posição do corte do slot entre os padrões, o que significa que uma DDR5 não entra em um slot DDR4, apesar de ambas apresentarem o mesmo número de contatos.

Atualmente, apenas Hynix, Micron e Samsung produzem chips DDR5, onde os três são de 16 Gbit, porém, apresentando características bastante distintas no que diz respeito a capacidade de overclock, onde até o momento, o chip da Hynix tem se destacado, escalando bem com tensão adicional, temperaturas negativas e indo além dos 7000 MT/s com timings mais baixos do que os seus concorrentes. Fazendo uma analogia, até o momento, o chip da SK Hynix é o “Samsung B-Die DDR4” dessa geração.

Já o chip da Samsung seria meio que a segunda opção, também escalando com tensão, porém atingindo frequências menores e timings menos agressivos que a Hynix, normalmente apresentando limite na casa dos 6400 MT/s.

E por fim, o chip da Micron seria a última escolha com foco em overclock, afinal, o seu limite tende a ser algo como 5600 MHz com timings mais relaxados que as opções acima, o que talvez seja um dos motivos da empresa ter anunciado o fim da linha de memórias Ballistix.

Caso alguém tenha interesse em uma comparação mais detalhada entre os chips, do ponto de vista do processo de fabricação usado por cada um dos fabricantes, recomendo a leitura desse artigo.

O kit que tenho em mãos é fabricado pela ADATA e usa chips “Micron A-Die” com PMIC Renesas, onde a sua configuração pode ser considerada um pouco “exótica”, afinal, trata-se de dois módulos de 8 GB e a única forma de se fabricar um pente com essas especificações usando chips de 16 Gbit é empregando apenas quatro CIs por módulo, o que costuma apresentar um pequeno impacto no desempenho.

Das suas especificações, ela segue o padrão JEDEC, ou seja, 4800 MT/s 40-40-40 e não possui dissipadores.

• CONFIGURAÇÕES UTILIZADAS:

CPU: Intel Core i9 12900K (Obrigado Terabyteshop!)

MOBO: ASUS ROG Maximus Z690 Apex (Obrigado Terabyteshop!)

VGA: GIGABYTE Radeon RX 5500 XT 8 GB

RAM: 2x8GB ADATA DDR5 4800 40-40-40 (Obrigado ADATA/XPG)

REFRIGERAÇÃO: Water Cooler da bancada

STORAGE: SSD Somnambulist 240 GB

Software: Windows 10 x64 “Ghostspectre”, TM5 0.12 Universal-2@LMhz, AIDA64 6.70.6000 e Geekbench 3.4.4.

Objetivo e metodologia dos testes: Testar qual o limite para uso diário das DDR5 ADATA usando o i9 12900K, além da frequência máxima para benchmarks nessa plataforma.  Para facilitar a compreensão dos resultados, eles foram separados em dois grupos:

1) XMP: Trata-se do máximo possível de se obter apenas carregando o perfil XMP, subindo clock/tensão até chegar no seu limite com estabilidade.

A vantagem dessa abordagem é que ela é extremamente simples e não demanda nenhum ajuste do usuário no que diz respeito aos timings, entretanto, você paga o preço da simplicidade com menor desempenho, pois os ajustes são feitos automaticamente pela placa-mãe e podem ser bastante relaxados.

2) 24/7 com ajuste fino: E aqui, foram feitos ajustes manuais em todos os timings possíveis visando obter o melhor resultado possível com viabilidade para uso diário.

Nos casos 1 e 2, foram utilizados o TM5 0.12 Universal-2@LMhz para verificar estabilidade, o AIDA64 para ter noção dos números de banda/latência e o Geekbench 3.4.4 para ter uma melhor ideia do desempenho. Para esses testes, os P-Cores foram travados em 5.0GHz com 1.3V, E-Cores @ 4.2GHz e Uncore @ 4.2GHz.

• XMP:

Apesar do padrão JEDEC ditar que as especificações padrão dessa memória são 4800 MT/s 40-40-40, ao ativar o XMP, a ASUS oferece uma opção chamada AOMP, acrônimo para “ASUS Optimized Memory Profile”, que traz timings primários um pouco melhores que o padrão de forma completamente automática, com perfis iguais se fossem o XMP.

A memória da ADATA conseguiu trabalhar com estabilidade com ambos os perfis, porém, para o AOMP 5200 38-40-40-77 1.25V, foi necessário setar o VDD e o VDDQ em 1.3V e usar uma ventoinha soprando ar nas memórias para se obter estabilidade no TM5. Apesar de conseguir carregar o SO, não foi possível obter estabilidade com 5400 MT/s nem mesmo aumentando a tensão além dos 1.3V.

• 24/7 com ajuste fino:

Após os ajustes finos, o limite continuou nos mesmos 5200 MHZ, porém, foi possível melhorar drasticamente os timings, resultando em desempenho bastante superior ao dos ajustes automáticos! Novamente, para se obter estabilidade aqui, foi necessário usar uma ventoinha soprando diretamente sobre as memórias.

Em relação aos ajustes, de acordo com um artigo do David Miller, os timings mais influentes em DDR5, além dos primários, são o tWR, tRFC2, tRFCpb/sb, tFAW, tREFI, tRDRD_dg e tWRWR_dg, os quais pude confirmar nos testes que realmente fazem maior diferença no desempenho, frequência máxima ou mesmo temperatura das memórias.

Citando alguns exemplos, quanto maior o tREFI, maior o desempenho e a temperatura do módulo, porém, a partir de certo ponto, os ganhos de desempenho passam a diminuir a troco de uma dissipação cada vez maior, então, o ideal acaba sendo não passar de 65535 unidades nesse ajuste. Já os tRFC, se comportam de maneira similar ao das DDR4, onde o ideal é manter o menor valor possível, porém, se atentando ao fato que um valor muito baixo pode resultar em falha no post (post code 55 geralmente) ou limitar a frequência máxima da memória.

Abaixo, os números de Leitura/Escrita/Cópia/Latência, obtidos no benchmark do AIDA64 e também no sub- teste de memória do Geekbench 3.4.4, lembrando que todos esses resultados passaram no teste de estabilidade do TM5 0.12 v3 e ao menos especificamente para essas amostras, representa algo que pode ser usado diariamente.

• Conclusão:

As memórias DDR5 representam um avanço considerável em relação as DDR4, evoluindo em muitos aspectos importantes como densidade máxima, mudanças na “disposição” dos canais de memória que trouxeram apreciáveis ganhos na banda efetiva de memória, migração do regulador de tensão da placa-mãe para os módulos e menor consumo.

Evidente que ainda estamos na primeira geração tanto dos chips quanto dos controladores de memória, afinal, até o momento, apenas Alder Lake e as APUs Rembrandt são compatíveis com o padrão e em muitos aspectos, ainda existe muito o que melhorar, tanto com novos dies para as RAMs, quanto novas gerações de CPUs e placas-mãe que permitam atingir maiores frequências, com menos limitações em determinadas configurações, por exemplo, ao se usar quatro módulos.

Sobre o kit da ADATA testado, trata-se da configuração mínima possível para as DDR5, em módulos de 8 GB usando apenas quatro CIs e especificações padrão seguindo o padrão JEDEC, ou seja, 4800 MT/s 40-40-40. Nos testes, ele conseguiu atingir o limite de 5200 MT/s tanto com timings automáticos quanto com ajuste manual, o que está no esperado para as DDR5 equipadas com os atuais chips Micron, que apresentam uma muralha nos 5600 MT/s para os melhores exemplares. De todo modo, o ajuste manual dos timings trouxe grandes ganhos de desempenho, os quais ficaram evidentes nos testes do AIDA e Geekbench 3.

E por hoje é só pessoal, até a próxima!

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