Arbeitsspeicher: Samsung baut ersten DDR5 mit HKMG-Isolation

Weniger Leckströme dank High-k-Dielektrikum: Samsungs DDR5-Speicher benötigt so weniger Energie, was wichtig für Server-CPUs ist.

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Symbolbild eines DDR5-Speicherriegels (R-DIMM) für Server
Symbolbild eines DDR5-Speicherriegels (R-DIMM) für Server (Bild: Samsung)

Samsung hat den laut eigenen Angaben den ersten DDR5-Arbeitsspeicher entwickelt, der ein High-k-Dielektrikum nutzt. Dadurch sollen die RAM-Bausteine weniger Leckströme aufweisen und sparsamer sein, was die Energie-Effizienz verbessert.

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Völlig neu sind High-k-Dielektrika bei DRAM nicht, Samsung verwendet solche bereits seit 2018 für den eigenen GDDD6-Videospeicher. Bei Logikchips wie Prozessoren ist HKMG, also High-k Metal Gate, seit über einem Jahrzehnt üblich - Intel hatte diese Materialien schon 2007 mit Penryn für 45 nm eingeführt, AMD nutzte sie zuerst 2011 mit Llano und Globalfoundries' 32 nm.

Bei Speicherchips wird HKMG bisher deutlich seltener eingesetzt, die Vorteile sind jedoch die gleichen: Das ansonsten übliche Material, oft Silizium-Dioxid, der Isolationsschicht wird durch ein High-k-Dielektrikum ersetzt. Dadurch verringern sich die Leckströme eines Transistors, was zu einer niedrigeren Leistungsaufnahme führt.

Sparsamer dank HKMG

Samsung zufolge benötigt der DDR5-7200-Speicher daher 13 Prozent weniger Energie als ein vergleichbarer RAM-Baustein mit ebenfalls 512 GByte. Hintergrund von HKMG ist, dass durch die immer feinere Fertigung die bisher verwendete Isolationsschicht nur noch aus wenigen Atomlagen besteht und Silizium-Dioxid nicht mehr genügt.

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Der neue Speicherchip weist eine Kapazität von 16 GBit auf, Samsung stapelt acht dieser Dies per Siliziumdurchkontaktierung (TSV) in ein Package, um mit 32 davon besagte 512-GByte-Riegel zu produzieren. Derzeit werden die ersten dieser DDR5-7200-Module an Partner ausgeliefert, die den Speicher mit kommenden Prozessoren testen. Konkret benannt wurde Sapphire Rapids SP, so heißt Intels Xeon-Generation für 2022.

DDR5 zuerst für Server

Der DDR5-Standard sollte ursprünglich bis zu DDR5-6400 erreichen, Samsung liegt bereits darüber. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bereits DDR5-3200 mehr effektive Bandbreite aufweist als DDR4-3200. Der neue Arbeitsspeicher unterstützt hierzu zwei voneinander unabhängige 32-Bit-Kanäle, ein Daten-Prefetching mit 16n statt 8n gleichzeitigen Zugriffen und doppelt so viele Speicherbankgruppen (8Gx4B statt 4Gx4B), zudem Same Bank Refresh für eine geringere Latenz. Die Burst Length verdoppelt sich von 8 auf 16.

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Ebenfalls wichtig sind gesunkene Betriebsspannungen von 1,1 Volt statt 1,2 Volt (VDD/VDDQ) respektive 1,8 Volt statt 2,5 Volt (VPP). Künftig wollen Micron und SK Hynix ihre DRAM-Verfahren auf einen 1A-nm-Node umstellen, Samsung hat dies bereits getan. Statt mit Immersionslithographie (DUV) werden die Speicherchips mit extrem ultravioletter Belichtung (EUV) gefertigt, was sie kompakter und sparsamer macht.

Bei aktuellen DRAM-Chips für DDR4-Speicher werden 16-GBit-Dies verwendet, für DDR5 hingegen sind Dies mit 64 GBit geplant. Die DIMM-Kapazität steigt daher von 32 GByte auf bis zu 128 GByte (Desktop) und von 256 GByte auf bis zu 1 TByte (Server).

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