DDR-SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) ist der wichtige Arbeitsspeicher, welcher die zu verarbeitenden Daten mit möglichst hoher Bandbreite und geringsten Latenzen zur Verfügung stellt. Beim Arbeitsspeicher sind die Daten flüchtig, die Daten werden also im Gegensatz zum Festspeicher (z. B. SSD) nicht dauerhaft gespeichert. Aktuell gibt es DDR-SDRAM in fünf Generationen, die 5. Generation (DDR5) wurde 2019 spezifiziert und erschien 2021 auf dem Markt. DDR4 und DDR5 sind nicht kompatibel. Wer sich für einen der beiden Arbeitsspeicher entscheidet, muss das dazugehörige Motherboard kaufen.
Speichertransferrate
Es gibt einige Unterschiede zwischen DDR4-SDRAM und DDR5-SDRAM. Ein wesentlicher Unterschied liegt in der Speichertransferrate, die bei DDR5 deutlich höher ausfällt. Um den theoretisch maximal möglichen Speicherdurchsatz zu berechnen, wird folgende Formel verwendet:
Speichertransferrate(in MByte/s) = Takt der internen Logik(in MHz) × Prefetching-Faktor × Busbreite(in Byte)
DDR5 arbeitet mit wesentlich höheren Taktraten und ist auch beim Prefetching überlegen. Daher ergeben sich höhere Übertragungsraten.
| RAM-Typ | Berechnung | Übertragungsrate |
|---|---|---|
| DDR4-2400 | 300 MHz × 8 × 8 Byte | 19,2 GByte/s |
| DDR5-8000 | 500 MHz × 16 × 8 Byte | 64,0 GByte/s |
Für die Audioverarbeitung spielen die hohen Übertragungsraten dann eine Rolle, wenn ein Upsampling und eine Umkonvertierung auf DSD erfolgt.
On-Die-ECC Fehlerkorrektur
Die On-Die-ECC (Error Correction Code) betrifft die Fehlerkorrektur, die es nur bei DDR5 direkt auf dem Speicherriegel gibt. Jeder DDR5-RAM hat im Inneren 6,25 % zusätzliche RAM-Zellen, um Fehler auch bei Nicht-ECC-RAM zu erkennen und zu korrigieren. Dieser Test kann periodisch und unabhängig von der CPU ausgeführt werden.
CL-Latenzen
Bisher konnte DDR5 ganz klar punkten. Nun kommen wir zu einem wesentlichen Aspekt bei der Musikwiedergabe: das Ziel sind geringstmögliche Latenzen. Die Latenzen beschreiben eine feste Zeit zwischen Aktion und Reaktion. Bei Computern ist es die von der Soft- und Hardware benötigten Zeit, um die Daten zu verarbeiten. Jitter sind Schwankungen innerhalb dieser Zeit, die sich bei der digitalen Audioverarbeitung sehr schädlich auswirken können. Deshalb ist es von Vorteil die Latenzen so gering wie möglich zu halten, da Jitter wirksamer unterbunden werden kann.
Die Leistung der Speichermodule liegt vor allem in der „absoluten“ Latenz. Die wichtigste Angabe ist dabei CAS (column access strobe) – latency (CL). Der CL-Wert gibt an, wie viele Taktzyklen der Speicher benötigt, um Daten bereitzustellen. Niedrigere Werte bedeuten höhere Speicherleistung. Die absolute Latenz berechnet sich aus der Taktrate und dem CL-Wert.
Beispiel DDR4 3.200 MHz CL14 Speicher
1.000/3.200*14*2 = 8,75ns (Nanosekunden)
Die 3.200 MHz Taktraten sind nicht sehr viel, aber in Kombination mit dem CL-Wert von 14 sind die Latenzen sehr niedrig.
Beispiel DDR5 6.000 MHz CL40 Speicher
1.000/6.000*40*2 = 13,33ns (Nanosekunden)
Selbst mit einer sehr hohen Taktfrequenz von 6.000 MHz bleiben die Latenzen gegenüber DDR4 sehr hoch.Das liegt am hohen CL-Wert von 40.
Wer das nicht selbst ausrechnen möchte nimmt einen Rechner im Web: https://notkyon.moe/ram-latency.htm
Test mit AIDA64 Speicherverzögerung
Die Berechnungen zur CL-Latenz finden sich in der Praxis wieder. AIDA64 ist unter anderem ein in der Spieleszene gern verwendetes Benchmarkprogramm. Mit der Speicherverzögerung werden die Latenzen gemessen, wobei ein geringerer Wert besser ist. Von Hadwareluxx wurden einige Tests durchgeführt. Unten ist eine kleine Auswahl:
Intel Core i9-12900K DDR5 81.3 ns
AMD Ryzen 5 3500X 75.8 ns
AMD Ryzen 9 3900X 75 ns
AMD Ryzen 7 3700X 74.9 ns
Intel Core i9-12900K DDR4 63.1 ns
Intel Core i9-9900KS 55.6 ns
Der Unterschied zwischen DDR5 und DDR4 ist bei einem Intel Core i9-12900K erheblich. Bei DDR5 ist Intel sogar schlechter als AMD. Ein Intel Core i9-12900K mit DDR4 liegt deutlich vor AMD Ryzen.
Integrated Memory Controller
Wer mit der 12. Prozessorgeneration von Intel statt auf die neuen DDR5 auf die bewährten DDR4 RAMs setzt, wird trotzdem einen Vorteil nutzen können.
Intel CPUs der 11. Generation nutzten nur einen IMC (Integrated Memory Controller), siehe Bild links. Die 12. Generation hat zwei IMCs. Dies ermöglich einen höheren Datendurchsatz durch eine parallele Datenverarbeitung. Bei DDR4 wird im Bild in der Mitte die Datenstrecke angezeigt. Ganz rechts die über Kreuz-Verarbeitung bei DDR5.
Zusammenfassung
Die Entscheidung zwischen DDR4 und DDR5 muss früh getroffen werden, da sie untereinander nicht kompatibel sind. DDR5 kann ganz klar mit der Speicherbandbreite punkten, die für Audio bei Upsampling und DSD benötigt wird. Ein weiterer Pluspunkt ist die Fehlerkorrektur.
Die Nachteile liegen in den sehr hohen Latenzen. DDR5 RAM sind deutlich höher getaktet als DDR4 RAM und haben trotzdem sehr hohe Latenzen. DDR5 gibt es noch nicht lange auf dem Markt, was in den deutlich höheren Preisen abzulesen ist. Eine Intel CPU der 12. Generation kann trotz DDR4 den doppelten IMC (Integrated Memory Controller) ausnutzen.
Die niedrigen Latenzen sind für DDR4 RAM immer noch ein sehr gewichtiges Argument. Außerdem ist die Technik schon lange im Einsatz und die Verfügbarkeit ist hoch. Wir bieten daher bis auf weiteres den fis Audio PC nur mit DDR4 RAM an.
In der Erstveröffentlichung hieß es:
„Am Beispiel Upsampling 16fache einer CD mit hoher Bittiefe: 705.600 x 32 Bit x 2 (Stereo) = 45.158.400 Bits = 45,16 Mbit/s = 0,0056 GByte/s. Für die Audioverarbeitung spielen die hohen Übertragungsraten nur bedingt eine Rolle. Der DDR4-Standard ist daher völlig ausreichend.“
Nach einem Informationsaustausch mit dem Entwickler vom HQPlayer Jussi Laako ist die Bandbreite für das Upsampling und DSD sehr wichtig. Danach ergibt sich für DSD1024 folgende Rechnung:
45158400 (DSD Samplingrate) x 262144 (256k tap filter) = 11838003609600 Bit/s = 14,798 GByte/s für einen Kanal. Der Wert erhöht sich mit 64 (Erhöhung Auflösung) x 2 (Stereo).
Eine hohe Bandbreite ist daher ebenso wichtig wie niedrige Latenzen. Wir haben das im Text korrigiert.
Nun kommen vermehrt DDR5-RAMs mit Latenzen von 10ns auf den Markt:
Arbeitsspeicher DDR5 mit geringen Latenzen
DDR5/on-die ECC
Kitgröße: ab 16GB
CL Latenz bis 10.1ns
Gehäuse: Heatspreader
Beleuchtung: keine
Ein Kunde machte uns auf die G.Skill Trident Z5 & Z5 RGB: Low-Latency-Kit mit 64 GB DDR5-5600 CL28 aufmerksam. Mit einer CS Latenz von 10ns und einem Stromverbrauch von niedrigen 1,4 Volt hört es sich vielversprechend an. Wir beobachten das.