Speichertechnik: Absolute Latenzzeiten, wichtiger als Bandbreiten?

Doch noch einen letzten Punkt gilt es zu berücksichtigen: die Speicherlatenzen. DDR2-667 kann je nach Latenzen durchaus schneller zu Werke gehen, als DDR2-800.

In der Praxis geben die Benchmarks – je nach Anwendung – ein solches Bild ab. Hauptursache dafür sind die Speicherlatenzen bzw. Wartezyklen beim Zugriff auf den Arbeitsspeicher. Der Idealzugriff wäre, wenn sofort nach Anforderung die Daten flössen. In der Praxis muss der Speicher aber erst adressiert werden, da der Speicher intern in Spalten und Reihen aufgeteilt ist, um die Daten schneller aufzufinden.

Als Vergleich bietet sich hier eine Schublade mit Schrauben an. Wirft man alle Schrauben unsortiert hinein, so muss man erst lange wühlen, um das gewünschte Exemplar zu finden. Teilt man die Schublade hingegen in ein schachbrettartiges Raster ein und hat eine Liste welcher Typ in welchem Abschnitt zu finden ist, so gestaltet sich die Suche recht schnell. Trotzdem benötigt es Zeit die Einteilung zu lesen und den gewünschten Abschnitt aus der Kombination von Spalte und Reihe aufzufinden. Beim Speicher ist dies nicht anders.

Diese Zeiten, englisch auch „timings“ genannt, sind in jedem Speichermodul im sogenannten „Serial Presence Detect“ - einem kleinem EEPROM-Chip - hinterlegt. Das ist notwendig, damit der Chipsatz den Speicher mit den korrekten Zeiten ansteuern kann. Bei zu kurzen Zeiten werden keine bzw. falsche Daten geliefert, was in der Regel zu Datenfehlern und damit zum Absturz des Systems führt.

Warum sind die Timings nun so entscheidend und nicht nur die Bandbreite? Als Vergleich könnte man den Transfer der Daten einer Festplatte über die Strecke von 300 km als Beispiel nehmen. Man kann einmal die Festplatte (500 GByte) per Auto transportieren, was bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 100 km/h zu einer Übertragungsdauer von 3 Stunden führt und somit einer Datentransferrate von ca. 167 GByte/h beziehungsweise 46,3 MByte/s (370,4 MBit/s) entspricht. Vergleicht man damit eine typische DSL-Leitung vonn 2 MBit/s, so erscheint der Wert sehr hoch. Will man aber nur eine kurze Nachricht und eine Empfangsbestätigung übermitteln, so dauert das per Auto insgesamt sechs Stunden, während per DSL eine Antwort innerhalb von Millisekunden zurück kommt. Hier ist DSL trotz der viel geringeren Übertragungsrate wesentlich schneller.

Beim Arbeitsspeicher ist das Verhalten analog. In der Praxis bringt eine hohe Übertragungsrate nur etwas bei Anwendungen, die eine hohe Speicherbandbreite erfordern. Bei üblichen Desktop-Anwendungen ist das aber eher die Ausnahme. Es treten eher kurze Zugriffe von einigen Megabyte Größe auf, die im Verhältnis zur Speicherbandbreite sehr gering sind. Hier spielt die Zeit bis diese Daten überhaupt geliefert werden können - also die Latenzen - eine viel entscheidendere Rolle.

Die Berechnung der Latenzen ist recht einfach. Der Speicher hat eine bestimmte Frequenz, mit der die Daten über elektrische Signale übertragen werden. Taktet der Speicher beispielsweise mit 100 MHz, so ändert das Signal 100 Millionen Mal in der Sekunde seinen Zustand. Man kann hier die Analogie zu einem Pendel ziehen. Das schwingt von der höchsten Auslenkung durch den Nullpunkt zur gegenüberliegenden maximalen Auslenkung und wieder zurück. Will man jetzt wissen, wie lange eine Schwingung dauert, so bildet man den Kehrwert der Frequenz (f). T = 1 / f

Um die Zykluszeit von RAM zu ermitteln, muss man die Frequenz des I/O-Puffers als Grundlage nehmen, da über diesen ja der Speicher mit dem Speichercontroller im Chipsatz (Intel) bzw. der CPU (AMD) kommuniziert. Bei PC2-6400/DDR2-800 sind das 400 MHz, wie im Kapitel zuvor erläutert. T = 1 / 400 MHz = 2,5 ns

Auf dem Aufkleber des Speicherriegels bzw. im SPD sind nun die relativen Timings in Anzahl der Zyklen angeben. Ein üblicher Wert für die Wartezeit CAS Latency (Column Address Strobe, auch unter CL bekannt), die für die Adressierung einer Zeile im Speicher benötigt wird, ist bei diesem Speichertyp 5 T - also 5 Takte. Absolut beträgt die Verzögerung somit 12,5 Nanosekunden (5 × 2,5 ns).

Ein Problem ist, dass die relativen Latenzen untereinander nicht direkt vergleichbar sind. Man kann nicht die 2,5 Takte bei DDR-400 den 4 Takten bei DDR2-800 direkt gegenüberstellen. DDR-400 besitzt einen I/O-Takt von 200 MHz, so dass die absolute Latenz 12,5 ns (2,5 × 5 ns) beträgt. DDR2-800 bei CL4 hat nur 10 ns (2,5 ns × 4). Daran sieht man, dass der DDR2-Speicher im vorliegenden Fall schneller angesteuert werden kann, als der DDR-Speicher, obwohl die relativen Timings auf den ersten Blick etwas anderes vermuten lassen.

Erstellt man nun einmal eine Übersicht über die gebräuchlichen Timings der verschiedenen Speichertypen der vergangenen Jahre, so erkennt man schnell, dass die absoluten Latenzen seit Jahren nahezu unverändert sind, bis eben zum Zeitpunkt von DDR2-1066. Letztere Werte sind allerdings in dieser Tabelle nicht als gängig zu bezeichnen, da es bislang weder eine offizielle Verabschiedung seitens der JEDEC gibt, noch zu erwarten ist, dass es einen DDR2-1066 Standard mit CL 4 jemals geben wird. CL 4 und evtl. auch CL 5 dürften weiterhin den Übertakter-Speichern vorbehalten bleiben:

Der teuerste DDR3-1600-Speicher ist, rein von den Latenzen her, nur in etwa schnell wie fünf Jahre alter DDR-400-RAM. Das heißt: moderner Speicher kann im Prinzip nur bei lang andauernden linearen Zugriffen schneller sein. Umgekehrt kann man wiederum sagen, dass ein Großteil des Geschwindigkeitszuwachs der Speicherbandbreite durch die unveränderten Timings verpufft. Bei Grafikkarten herrscht beispielsweise eine ganz andere Datenstruktur. Im Videospeicher befinden sich hauptsächlich große Texturdaten, die häufig in einem Stück abgerufen werden. Latenz spielt hier nur eine untergeordnete Rolle, die Bandbreite ist für Grafikspeicher viel entscheidender.

Die Ursache für den Stillstand bei den Latenzen ist ganz klar in der technischen Entwicklung zu finden. Die eigentlichen Speicherzellen laufen intern immer noch mit denselben Frequenzen, wie zu DDR-Zeiten. Lediglich der externe Takt wurde erhöht. Man kann hier durchaus Analogien zu einem RAID0-Verbund bei Festplatten ziehen. Die Zugriffszeiten verbessern sich durch Zusammenschalten mehrerer Festplatten nicht, lediglich die Transferrate steigt. Ob das Latenzproblem bei DDR4 seitens der JEDEC beziehungsweise durch die in ihr vertretenen Speicherhersteller angegangen wird, darf man an dieser Stelle aber erst einmal bezweifeln.