La memoria a semiconduttore ha rivoluzionato l’informatica, e la Dynamic Random Access Memory (DRAM) ha svolto un ruolo di primo piano in questa rivoluzione. Ma cosa si nasconde dietro a queste sigle e come funziona esattamente la DRAM ?

DRAM: Memoria ad Accesso Casuale Dinamica

La DRAM è una tipologia di memoria a semiconduttore utilizzata nei computer e in altri dispositivi digitali per lo stoccaggio temporaneo dei dati. La peculiarità di questa memoria è il suo comportamento “dinamico“: i dati memorizzati devono essere costantemente aggiornati o “rinfrescati” per mantenere le informazioni, altrimenti le perde.

In ogni cella di memoria DRAM, i dati vengono memorizzati come una carica elettrica in un condensatore. Poiché questa carica tende a dissiparsi nel tempo, il sistema deve “rinfrescare” ogni cella di memoria migliaia di volte al secondo per mantenere i dati. Questo differenzia la DRAM da altre forme di memoria RAM, come la SRAM (Static Random Access Memory), che non richiedono un tale rinfrescamento.

Le diverse forme di DRAM

Nel corso degli anni, sono state sviluppate diverse forme di DRAM per soddisfare le crescenti esigenze dei dispositivi digitali. Ecco le più importanti.

FPM e EDO DRAM

La Fast Page Mode (FPM) DRAM e la Extended Data Out (EDO) DRAM sono le forme più primitive di DRAM. Entrambe utilizzavano tecniche di accesso ai dati che permettevano di velocizzare le operazioni di lettura dalla memoria. Nonostante ciò, erano significativamente più lente rispetto alle moderne forme di DRAM.

SDRAM

La Synchronous Dynamic Random Access Memory (SDRAM) rappresenta un passo avanti significativo rispetto alla FPM e EDO DRAM. Mentre queste ultime erano “asincrone” (operavano indipendentemente dalla velocità del processore), la SDRAM è “sincrona” e opera alla stessa velocità del bus di sistema del computer. Questo permette di allineare le operazioni di memoria con il ritmo del processore, migliorando l’efficienza e la velocità.

DDR SDRAM

Sono le RAM attualmente utlizzate nei nostri computer. La Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (DDR SDRAM) rappresenta un ulteriore miglioramento della SDRAM. Mentre la SDRAM standard può trasferire dati una volta per ciclo di clock, la DDR SDRAM può farlo due volte, raddoppiando efficacemente la velocità di trasferimento dei dati. Ci sono diverse generazioni di DDR SDRAM, ognuna con velocità e prestazioni superiori alla precedente: DDR, DDR2, DDR3, DDR4 e la più recente DDR5.

DDR SDRAM: La DDR SDRAM (spesso indicata semplicemente come DDR o DDR1) è la prima generazione di memoria DDR. Offre il doppio della velocità di trasferimento dei dati della precedente memoria SDRAM, grazie alla sua capacità di trasferire i dati sia sull’onda crescente che su quella discendente del segnale di clock (da qui il termine “double data rate”). La DDR ha una velocità di trasferimento di dati di 200-400 MT/s (mega trasferimenti al secondo) e una larghezza di banda di fino a 3,2 GB/s.

DDR2 SDRAM: La DDR2, introdotta nel 2003, offre velocità di trasferimento di dati superiori (400-800 MT/s) e una larghezza di banda fino a 6,4 GB/s. Anche se opera a frequenze di clock più basse rispetto alla DDR, la DDR2 può fornire una maggiore larghezza di banda grazie a miglioramenti nella tecnologia di trasferimento dei dati. La DDR2 è anche più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla DDR, grazie all’adozione di una tensione di alimentazione inferiore.

DDR3 SDRAM: La DDR3, lanciata nel 2007, raddoppia nuovamente le prestazioni rispetto alla DDR2, con velocità di trasferimento di dati di 800-1600 MT/s e una larghezza di banda fino a 14,9 GB/s. Come la DDR2, la DDR3 opera a una tensione di alimentazione inferiore rispetto alla generazione precedente, il che la rende più efficiente dal punto di vista energetico.

DDR4 SDRAM: La DDR4, introdotta nel 2014, offre velocità di trasferimento di dati ancora più elevate (2133-3200 MT/s) e una larghezza di banda fino a 25,6 GB/s. Offre anche miglioramenti nella gestione della potenza e nell’efficienza energetica rispetto alla DDR3, e supporta moduli di memoria di maggiore capacità.

DDR5 SDRAM: La DDR5 è l’ultima generazione di memoria DDR al momento, e offre un ulteriore incremento delle prestazioni rispetto alla DDR4. Sebbene le specifiche definitive della DDR5 non siano state ancora del tutto stabilite, si prevede che offra velocità di trasferimento di dati di almeno 4800 MT/s, con proiezioni che arrivano fino a 6400 MT/s o più. La DDR5 dovrebbe anche offrire una maggiore efficienza energetica e supportare moduli di memoria di maggiore capacità rispetto alla DDR4.

In ogni generazione, le tecnologie DDR SDRAM hanno continuato a evolvere per fornire prestazioni migliori e una maggiore efficienza energetica, consentendo ai computer e ad altri dispositivi digitali di diventare sempre più potenti e capaci.

I dissipatori di calore che vedi nei due moduli sopra, sono stati introdotti nelle memorie SDRAM tra il 2004 e il 2006. Questo è stato un risultato diretto del crescente consumo energetico e della conseguente produzione di calore dei moduli di memoria ad alta velocità. I dissipatori di calore aiutano a dissipare il calore generato durante il funzionamento del modulo di memoria, contribuendo a mantenerne le prestazioni ottimali e a prolungarne la durata.

Con le memorie DDR4 sono stati aggiunti anche effetti RGB, introdotti per la prima volta intorno al 2016. Gli effetti RGB sono diventati popolari tra gli appassionati di PC per la loro capacità di personalizzare l’aspetto del proprio sistema informatico. Questi moduli di memoria spesso includono software che permette agli utenti di personalizzare l’illuminazione RGB per adattarla al resto del loro sistema.

Tuttavia, è importante notare che sia i dissipatori di calore che gli effetti RGB sono in gran parte estetici o legati al marketing. La maggior parte dei moduli di memoria moderni non genera abbastanza calore da richiedere un dissipatore di calore per il normale funzionamento, anche se potrebbero avere un senso se si vuole fare overclocking sui moduli SDRAM.

Tipologie di DRAM : form factor

Le memorie DRAM, come la DDR e le sue successive generazioni, vengono tipicamente presentate in moduli DIMM (Dual In-line Memory Module) per l’uso nei computer desktop, mentre per i computer portatili si utilizzano moduli SO-DIMM (Small Outline DIMM) più piccoli.

Un modulo DIMM ha contatti su entrambi i lati del modulo e i pin su ciascun lato non sono connessi, il che significa che i moduli DIMM hanno un percorso separato, o “bus”, per i dati su ciascun lato del modulo. Ciò può aiutare a migliorare le prestazioni. I moduli DIMM per le varie generazioni di DDR hanno diversi numeri di pin: ad esempio, un modulo DDR DIMM ha 184 pin, DDR2 e DDR3 DIMM hanno 240 pin, e un modulo DDR4 DIMM ha 288 pin.

D’altra parte, un modulo SO-DIMM è una versione più compatta del modulo DIMM, progettata per l’uso in sistemi che hanno limiti di spazio, come i laptop. I moduli SO-DIMM per le diverse generazioni di DDR hanno anche diversi numeri di pin: un modulo DDR SO-DIMM ha 200 pin, DDR2 e DDR3 SO-DIMM hanno 204 pin, e un modulo DDR4 SO-DIMM ha 260 pin.

Infine, la DDR5 utilizza moduli DIMM progettati per avere 2 canali indipendenti di 40 bit in un singolo modulo, richiedendo quindi pinouts a 384 pin. In futuro la DDR6 potrebbe spingersi fino a 512 pin sui moduli per supportare frequenze e larghezza di banda ancora maggiori.

I moduli di memoria non sono retrocompatibili a causa delle differenze nel posizionamento dei pin, nel voltaggio, nel timing della memoria e nella tecnologia di memoria utilizzata. Ad esempio, non puoi inserire un modulo DDR3 in uno slot DDR2 sulla scheda madre, e viceversa.

Inoltre, è importante notare che la densità dei chip di memoria è aumentata nel corso delle diverse generazioni di DDR, permettendo di avere più memoria in uno spazio fisico simile. Questo ha contribuito all’aumento delle capacità di memoria disponibili nei moduli di memoria nelle generazioni successive. Ad esempio, mentre i moduli DDR3 possono supportare fino a 16 GB di memoria, i moduli DDR4 possono supportare fino a 128 GB di memoria o più.

Nuovo form factor CAMM2

Le memorie con form factor CAMM2 (Compression Attached Memory Module) rappresentano un’importante innovazione nel campo delle memorie per laptop e sistemi compatti.

Inizialmente la memoria CAMM2 è stato pensata soprattutto per i laptop, dove il suo design sottile e le dimensioni ridotte del 64% rispetto a configurazioni SO-DIMM tradizionali permettono di risparmiare spazio prezioso nei laptop.

Ma non è solo una questione di spazio. Ci sono molti laptop in circolazione che hanno la DRAM saldata sulla motherboard poiché è più veloce, consuma meno energia e occupa meno spazio delle SO-DIMM. I modoli di memoria CAMM sono veloci, a basso consumo quanto la memoria saldata, si adattano a spazi ristretti, e sono sostituibili. Uno dei primi notebook con memoria CAMM2 è il ThinkPad P1 Gen 7.

Tuttavia, lo standard CAMM2 è stato definito da JEDEC anche per l’utilizzo in sistemi desktop e server. Per l’uso desktop, dovrebbero comunque consentire una maggiore larghezza di banda della memoria standard e occupando molto meno spazio dovrebbero facilitare l’inserimento di grandi dispositivi di raffreddamento della CPU.

Vantaggi del form factor CAMM2

Rispetto ai tradizionali moduli DIMM e SO-DIMM, le CAMM2 offrono diversi vantaggi, tra cui un profilo più sottile (fino al 64% in meno), che consente di risparmiare spazio prezioso all’interno dei laptop e desktop, e la possibilità di raggiungere velocità più elevate grazie alle tracce più corte tra la memoria e la CPU.

Inoltre, le CAMM2 supportano capacità fino a 128GB per modulo, consentendo di avere grandi quantità di RAM anche in sistemi compatti. Tuttavia, ci sono anche alcuni svantaggi da considerare, come la necessità di sostituire l’intero modulo in caso di upgrade, poiché non è possibile aggiungere moduli aggiuntivi come avviene con i SO-DIMM e le DIMM.

Le memorie CAMM2 supportano nativamente il dual-channel anche con un singolo modulo, grazie al design innovativo del connettore e dei moduli stessi. Un singolo modulo CAMM2 può infatti integrare due canali di memoria indipendenti al suo interno, fornendo l’accesso dual-channel alla CPU e alla grafica integrata per prestazioni superiori.

Quindi a differenza delle tradizionali DIMM o SO-DIMM, che richiedono almeno due moduli per il dual-channel, le CAMM2 abilitano questa funzionalità anche con un singolo modulo, portando vantaggi in termini di capacità, prestazioni e ingombro.

JEDEC ha già pianificato il supporto per memorie DDR6 e LPDDR6 con velocità fino a 17600 MT/s tramite lo standard CAMM2. Inoltre, sono allo studio metodi per installare i moduli senza l’uso di viti, in modo tool-less. Le CAMM2 sembrano destinate a diventare il nuovo standard per le memorie nei prossimi anni, offrendo prestazioni e capacità superiori in un formato più compatto ed efficiente.

ECC RAM

Le ECC RAM (Error-Correcting Code RAM) sono importanti per determinate applicazioni e ambienti in cui l’integrità dei dati è di vitale importanza. Ecco alcune delle ragioni principali per cui le ECC RAM sono importanti:

1. Correzione degli errori: Le ECC RAM sono progettate per rilevare e correggere errori nella memoria. Questi errori possono essere causati da varie fonti, come radiazioni cosmiche, interferenze elettriche, difetti hardware o semplici guasti. La capacità di correggere gli errori aiuta a prevenire crash improvvisi e corruzione dei dati, fornendo una maggiore affidabilità del sistema.
2. Affidabilità dei dati: In ambienti in cui la perdita o la corruzione dei dati può avere conseguenze gravi, come nei server aziendali, nei data center, nei sistemi di controllo critici o nelle stazioni di lavoro per applicazioni scientifiche, le ECC RAM sono fondamentali. Garantiscono che i dati siano conservati in modo accurato e che le operazioni critiche siano eseguite senza errori.
3. Minimizzazione del downtime: Poiché le ECC RAM possono correggere automaticamente gli errori, riducono la necessità di riavvii o interruzioni del sistema dovute a problemi di memoria. Questo aiuta a mantenere i sistemi in esecuzione in modo più stabile, riducendo il downtime e i costi associati.
4. Conformità e standard: In alcuni settori, come l’industria aerospaziale, la sanità, la finanza e la ricerca scientifica, l’uso di ECC RAM è richiesto per conformarsi a standard di sicurezza e affidabilità.

Le ECC RAM sono più costose delle RAM non correttive degli errori (non ECC), consumano più energia e possono rallentare leggermente le prestazioni a causa delle operazioni di correzione degli errori. Pertanto, l’adozione delle ECC RAM è giustificata principalmente in ambienti dove la sicurezza e l’affidabilità dei dati sono fondamentali. Per un uso domestico o in situazioni in cui la perdita di dati non è critica, le RAM non ECC sono sufficienti.

Le frequenze delle memorie DRAM: da DDR a DDR6

La frequenza di clock è uno dei parametri chiave che determinano le prestazioni delle memorie RAM utilizzate nei computer. La prima DDR (Double Data Rate) approdò sul mercato nel 2000, raggiungendo una frequenza pari a 200 MHz. La DDR2 arrivò nel 2003 spingendosi fino a 1066 MHz. Nel 2007 la DDR3 alzò ulteriormente l’asticella con frequenze di partenza da 400 MHz e punte di 4266 MHz.

Nel 2014 la DDR4 potevano raggiungere velocità di 5600 MHz e oltre. La DDR5, introdotta di recente, è progettata per operare tra 4800 e 8400 MHz.

Infine, la futura generazione DDR6 secondo lo standard pubblicato nel 2020, spingerà le frequenze ancora più in alto, con un range previsto da 6400 a 12800 MHz, per una larghezza di banda massima di 102,4 Gbit/s.

Oltre alle frequenze di clock sempre più elevate, gli standard delle memorie RAM si sono evoluti introducendo parallelismo e tecniche di trasferimento dati ottimizzate per aumentare le prestazioni effettive. Partendo da picchi di 1,6 Gbit/s della DDR originale, con DDR6 si potranno superare i 100 Gbit/s.

Le frequenze di clock estreme richiedono soluzioni avanzate di raffreddamento e gestione termica. Inoltre, i segnali elettrici devono essere integrati nei PCB con estrema cura. Sfide tecnologiche per sfruttare appieno il potenziale delle RAM ad alta velocità.

DRAM in dual channel

Il dual channel è una tecnologia che è stata introdotta per la prima volta nei chipset delle schede madri nei primi anni 2000. Consiste nell’utilizzo di due canali di comunicazione tra la memoria e il controller di memoria del processore, anziché uno solo. Ciò permette di raddoppiare teoricamente la larghezza di banda disponibile per le operazioni di trasferimento dei dati tra la CPU e la memoria, migliorando le prestazioni del sistema.

Per utilizzare la modalità dual channel, è necessario installare due moduli di memoria identici (o molto simili) negli slot di memoria corrispondenti sulla scheda madre. In genere, gli slot di memoria che supportano la modalità dual channel sono colorati in modo diverso per facilitare l’installazione corretta. Le motherboard più recenti invece della colorazione usano indicazioni testuali. Per esempio sulla Motherboard Gygabyte Z790 AORUS XTREME ci sono queste indicazioni sui 4 slot
DDR5_A1, DDR5_A2, DDR5_B1, DDR5_B2. Il manuale riporta che se si hanno due moduli SDRAM, vanno inseriti negli slot DDR5_A2 e DDR5_B2 per poter aver il Dual Channel.

È importante notare che il beneficio effettivo della modalità dual channel può variare a seconda delle specifiche del sistema e dell’applicazione in uso. In alcune applicazioni che fanno un uso intensivo della memoria, come i giochi o i software di modellazione 3D, la modalità dual channel può portare a un notevole aumento delle prestazioni. In altre applicazioni, tuttavia, il miglioramento può essere meno evidente.

Tecnologia XMP Intel

XMP (Extreme Memory Profiles) è una tecnologia sviluppata da Intel che permette di aumentare automaticamente la velocità delle memorie RAM al di sopra delle specifiche standard. XMP consente agli utenti di sfruttare al massimo le capacità di overclocking delle loro memorie RAM, senza dover manualmente regolare le impostazioni nel BIOS del sistema.

Quando si acquista un modulo di memoria RAM compatibile con XMP, esso viene fornito con un profilo XMP preimpostato che contiene le impostazioni per l’overclocking, come la frequenza di clock, la tensione e i tempi di memoria. Queste impostazioni sono state testate e verificate dal produttore del modulo di memoria per garantire stabilità e prestazioni. Gli utenti possono quindi attivare il profilo XMP nel BIOS del loro sistema per applicare automaticamente queste impostazioni.

La tecnologia XMP è stata introdotta per la prima volta da Intel nel 2007 con il lancio delle sue piattaforme per processori Core 2. Da allora, è diventata una caratteristica comune in molte memorie RAM ad alte prestazioni, permettendo agli utenti di ottenere facilmente un miglioramento delle prestazioni senza dover avere una profonda conoscenza dell’overclocking della memoria.

Tecnologia AMD EXPO

Anche AMD ha creato dei profili overcloking per le DRAM. I profili EXPO di AMD sono dei preset di overclocking per le memorie RAM che possono essere attivati sulle schede madri AMD tramite il BIOS. EXPO è l’acronimo di “Extended Profiles for Overclocking”. Si tratta di profili testati e verificati da AMD per permettere di ottenere maggiori frequenze e prestazioni dalle RAM in modo semplice e sicuro.
I profili EXPO disponibili variano a seconda del modello di scheda madre. Alcuni esempi:

• EXPO: profilo standard che opera alle frequenze base supportate dalla RAM.
• EXPO Profilo 1/Profilo 2: preset con leggero overclocking della RAM.
• EXPO Profilo Max: spinge la RAM al massimo overclock validato come stabile.

Abilitando uno dei profili EXPO dal BIOS, le impostazioni di overclocking vengono applicate automaticamente alla RAM senza dover modificare manualmente timing o voltage.

I profili EXPO semplificano quindi il processo di overclocking delle DRAM in modo sicuro e testato, evitando di dover sperimentare setting potenzialmente instabili. Si ottiene un boost prestazionale con un click.

GDDR SDRAM

La Graphics Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory (GDDR SDRAM) è un tipo di memoria DRAM progettata specificamente per l’uso nelle schede grafiche dei computer. Ha una struttura più ampia e una maggiore velocità rispetto alla DRAM standard, permettendo di gestire le enormi quantità di dati richieste dalle operazioni di rendering grafico. Allo stesso modo della DDR SDRAM, ci sono diverse generazioni di GDDR, ognuna con prestazioni superiori rispetto alla precedente: GDDR, GDDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5, GDDR6 e la più recente GDDR7 in fase di sviluppo.

Vediamo una panoramica dell’evoluzione degli standard delle memorie RAM GDDR utilizzate nelle schede video, con un focus su velocità, frequenze e capacità massime:

• GDDR (Graphics Double Data Rate): la prima generazione, introdotta nel 2000. Velocità da 100 a 400 MHz. Capacità massima di 1 GB.
• GDDR2: arrivata nel 2002, raggiungeva i 1,2 GHz di frequenza. Capacità massima di 1 GB.
• GDDR3: lanciata nel 2004. Frequenza di 1,6 GHz. Capacità fino a 1,5 GB.
• GDDR4: utilizzata nel 2006-2009. Operava tra 0,8 e 2,0 GHz. Capacità massima di 2 GB.
• GDDR5: introdotta nel 2008, è arrivata fino a 9 GHz. Capacità di 8 GB.
• GDDR6: dal 2017, fino a 16 GHz. Consente capacità di 16 GB.
• GDDR7: annunciata di recente, prevede frequenze di 21 GHz e capacità per moduli singoli di 32 GB.

DRAM per dispositivi mobile

I dispositivi mobile come smartphone e tablet, montano una DRAM chiamata LPDDR.
La LPDDR è una DRAM a basso consumo per dispositivi mobili, inclusi smartphone e tablet, mirata a ridurre al minimo il consumo energetico e caratterizzata da funzionamento a bassa tensione.

Le LPDDR sono arrivate alla 7a generazione, da LPDDR1 a LPDDR4 per poi passare a LPDDR4X , LPDDR5 e LPDDR5X . LPDDR5X è appunto la 7a generazione ed è in grado di raggiungere un data transfer di 8,5 Gbps.
Ad Ottobre 2023 SK hynix , ha lanciato sul mercato una variante di 7a generazione, LPDDR5T (dove T è l’acronimo di Turbo). LPDDR5T è in grado di operare con un data rate di 9,6 gigabit al secondo, il 13% più velocemente rispetto alle LPDDR5X. Sono compatibili con il SoC Snapdragon 8 Gen 3.

LPDDR5T è una versione classificata da SK hynix come un prodotto DRAM aggiornato di settima generazione (5X), prima dello sviluppo dell’ottava generazione, ovvero le future LPDDR6.

L’importanza della DRAM

La DRAM svolge un ruolo fondamentale in quasi tutti i dispositivi elettronici che usiamo oggi, dai computer ai telefoni cellulari, dai server alle console di videogiochi. Permette a questi dispositivi di eseguire una vasta gamma di compiti, dal caricamento di un sistema operativo al rendering di immagini complesse in un videogioco.

Le diverse forme di DRAM sono progettate per sfruttare al meglio le caratteristiche specifiche dei diversi tipi di dispositivi e applicazioni. Ad esempio, la GDDR con la sua larghezza di banda molto alta è ideale per le schede grafiche, mentre la DDR SDRAM con la sua bassa latenza è più adatta come memoria di sistema generale.

La continua evoluzione della DRAM è quindi fondamentale per mantenere il passo con le crescenti esigenze di prestazioni dei dispositivi digitali. Con ogni nuova generazione di DRAM, i nostri dispositivi diventano più veloci, più efficienti e più capaci.

In conclusione, la DRAM è un componente chiave della tecnologia moderna. Con la sua capacità di memorizzare e recuperare rapidamente grandi quantità di dati, ha reso possibile l’era dell’informatica ad alta velocità in cui viviamo oggi. Dalle sue origini come FPM e EDO DRAM, alla DDR e GDDR attuali, la DRAM continua a evolversi e a migliorare, spingendo sempre più avanti i confini delle prestazioni digitali.

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