Guide: Arbeitsspeicher

[JStiltskin]

Hallo liebe Community,

Die Bitte um Hilfe bzgl. des Nachrüstens/Aufrüstens von Arbeitsspeicher scheint ein kontinuierliches und primäres Anliegen der Menschen in unserer Community zu sein, denn die Anzahl der Anfragen bleibt im Mittel relativ konstant. Um diesen Menschen die Möglichkeit zu geben sich anhand eines kompakten Inhaltes schnell und zuverlässig selbst zu helfen, habe ich mich dazu entschlossen einen kleinen Guide zu schreiben.

Inhalt:

1. Was ist Speicher (Unterschied Festplatte/Arbeitsspeicher)

2. Wie berechnen wir die theoretische Geschwindigkeit unseres Arbeitsspeichers?

3. Single- /Dual- /Quad- Channel Betrieb

    3.1 Was ist Single- /Dual- und Quad-Channel Mode?

    3.2 Dual-Channel-Mode mit drei und vier Modulen

    3.3 Dual-Channel-Mode mit zwei Modulen unterschiedlicher Kapazität

4. Identische Arbeitsspeicher Module – ja oder nein?

5. Welcher Arbeitsspeicher ist bei mir verbaut?

6. DIMM /SO-DIMM und DDR3L

7. Tips and Tricks

1. Was ist Speicher?

Grundlegend besteht der Speicher eines Computers aus mindestens zwei Komponenten, der Festplatte (HDD/SSD/SSHD) und dem Arbeitsspeicher. Während Festplatten permanente Speichermedien repräsentieren (nicht flüchtiges Medium), verhält sich Arbeitsspeicher (technologisch bedingt) umgekehrt, er ist flüchtig. Arbeitsspeicher kann Daten nur solange beinhalten, wie eine Betriebsspannung anliegt. Fällt die Betriebsspannung weg, so „vergisst“ er alle auf ihm gespeicherten Informationen, er ist leer. Bzgl. der Kapazität liegt der Durchschnittswert von Festplatten bei HDDs = 2TB und SSDs = 256GB, der von Arbeitsspeicher zwischen 8GB und 32GB, weshalb Arbeitsspeicher auch hier noch nicht sinnvoll erscheint. Der Vorteil von Arbeitsspeicher liegt weder in seiner Bauart bedingten Struktur, noch in seiner Kapazität, er liegt in seiner Arbeitsgeschwindigkeit. Während moderne HDDs/SSDs Transferraten von knapp 200MB/s bzw. 550MB/S (bis 2GB/s bei PCIe) liefern, liefert Arbeitsspeicher Transferraten ab 12,8GB/s (DDR3-1600). Arbeitsspeicher ist demnach ein sehr schneller Speicher. Diese Geschwindigkeit wird auch benötigt, denn der Arbeitsspeicher muss die Zugriffe aller Komponenten des Computers verarbeiten.

2. Wie berechnen wir die theoretische Geschwindigkeit unseres Arbeitsspeichers?

Für die theoretische Arbeitsgeschwindigkeit eures Speichers gilt:

(Speicherzellentakt[MHz]*Bit pro Übertragung[Bit]*Prefetch)/8[Bit] =Transferrate in MB/s

Beispiel(DDR3-1600): (200MHz*64Bit*8)/8Bit = 12800MB/s = 12,8GB/s

Beispiel(DDR3-1866): (233MHz*64Bit*8)/8Bit = 14900MB/s = 14,9GB/s

Beispiel(DDR3-2133): (266MHz*64Bit*8)/8Bit = 17000MB/s = 17,0GB/s

3. Single- /Dual- /Quad- Channel Betrieb

3.1 Was ist Single- /Dual- und Quad-Channel Mode?

Als ich meinen ersten Computer bekam befand sich der Speichercontroller noch in der Northbridge des Mainboards. Dies war insbesondere für die CPU problematisch, denn die Daten mussten immer nach dem Schema CPUàNorthbridgeàArbeitsspeicher bzw. ArbeitsspeicheràNorthbridgeàCPU transferiert werden. Mit fortschreitender Technologie hat sich dies geändert. Der Speichercontroller sitzt heute in der CPU, so dass der Arbeitsspeicher direkt an die CPU angebunden ist. Diese Anbindung nennt man Bus bzw. Datenbus. Beim Betrieb eines Speichermoduls (Immer Single-Channel) ist der Datenbus 64Bit breit, es stehen 64 Datenleitungen zur Verfügung. Der Datenbus repräsentiert die zweite Komponente in unserer Formel zur Berechnung der theoretischen Geschwindigkeit des Arbeitsspeichers:

(DDR3-1600): (200MHz*64Bit*8)/8Bit = 12800MB/s = 12,8GB/s

Dual-Channel fähige Systeme sind von ihrer Architektur her so strukturiert, dass sie neben dem ersten Datenbus (Single-Channel 64Bit) einen zweiten, identischen Datenbus aufweisen, der parallel Betrieben werden kann. Während ein Speichermodul in einem Dual-Channel fähigen System also über einen Datenbus(64Bit) angebunden werden kann, können zwei Speichermodule über zwei parallele Datenbusse(je 64Bit) angebunden werden. In unserer Formel sieht dies wie folgt aus:

(DDR3-1600): (200MHz*[2*64Bit]*8)/8Bit = 25600MB/s = 25,6GB/s

Die Speicherbandbreite verdoppelt sich. Dies ist durchaus logisch, denn wenn ich eine Autobahn von 1-spurig auf 2-spurig ausbaue, können zwei Autos nebeneinander fahren, so dass die Autobahn doppelt so viele Autos gleichzeitig transportieren kann.

Bei Quad-Channel fähigen Systemen geht es noch einen Schritt weiter, denn dort haben wir vier parallele Datenbusse.

(DDR3-1600): (200MHz*[4*64Bit]*8)/8Bit = 51200MB/s = 51,2GB/s

Unsere Autobahn wird analog zum obigen Modell von 1-spurig auf 4-spurig ausgebaut, so dass vier Autos nebeneinander fahren können. Die Autobahn kann viermal so viele Autos gleichzeitig transportieren.

Die Fähigkeit Speichermodule im Dual- bzw. Quad-Channel betreiben zu können ist eine Eigenschaft des Mainboards und unabhängig von der Anzahl der verwendeten Speichermodule. Zwar benötigt man für Dual-Channel mindestens zwei Speichermodule, allerdings heißt der Einsatz von zwei Speichermodulen nicht, dass sie dadurch im Dual-Channel Mode betrieben werden. Verfügt ein System über einen Datenbus und es werden zwei Speichermodule verwendet, so gestaltet es sich wie folgt:

(DDR3-1600): (200MHz*[2*32Bit]*8)/8Bit = 12800MB/s = 12,8GB/s

Jedem Speichermodul steht die Hälfte des Datenbusses zur Verfügung. Unsere Autobahn wird zwar von 1-spurig auf 2-spurig ausgebaut, gleichzeitig wird die breite der Spur jedoch halbiert, so dass nur noch die Hälfte der Autos auf jeder Spur fahren kann. Die Anzahl der Autos die unsere Autobahn gleichzeitig transportieren kann bleibt somit gleich.

3.2 Dual-Channel-Mode mit drei und vier Modulen

Wie oben erläutert ist die Fähigkeit Speichermodule im Dual-Channel Mode betreiben zu können allein von der Systemarchitektur abhängig. In der Praxis ergeben sich bei der Konfiguration von 3 oder 4 Modulen bzw. unterschiedlichen Modulgrößen immer wieder Probleme auf die ich eingehen möchte.

Kann ich drei oder vier Module im Dual Channel Mode betreiben?

Grundlegend müssen wir hier 2 Fälle unterscheiden, den Betrieb mit gleichen Kapazitäten pro Channel (pro Datenbus) und den Betrieb mit unterschiedlichen Kapazitäten pro Channel.

Grundannahme: Wir haben einen Medion Desktop erworben, welcher Dual-Channel fähig ist und vier Banks (Slots für Speichermodule) besitzt. Dies bedeutet, dass jeder Datenbus 2 Banks mit der CPU verbindet.

Fall 1 (4GB+4GB+4GB+4GB):

Der Desktop hatte bereits 8GB Arbeitsspeicher in Form von 2 Modulen mit je 4GB verbaut und wir haben uns dazu entschlossen die Gesamtkapazität auf 16GB zu verdoppeln, weshalb wir zwei weitere Module mit je 4GB verbauen wollen. Zwei Banks sind belegt und zwei sind noch frei, weshalb wir die zusätzlichen Module in die beiden freien Banks stecken. Technisch sieht die Situation wie folgt aus: Wir haben eine Gesamtkapazität von 16GB (4*4GB) von denen je 8GB (2*4GB) über einen Datenbus angeschlossen sind. Wir haben 2 parallele Datenbusse weshalb für die gesamte Transferrate gilt:

(DDR3-1600): (200MHz*[4*32Bit]*8)/8Bit = 25600MB/s = 25,6GB/s

Fall 2 (4GB+4GB+8GB)

Wir haben ein besonders günstiges Angebot entdeckt bei dem wir ein 8GB Modul günstiger zu kaufen bekommen als zwei 4GB Module. Um Geld zu sparen haben wir natürlich gleich zugeschlagen, doch nun stehen wir vor dem Problem: Wie konfigurieren wir unser System am besten?

Fall 2.1

Wir stecken das 8GB Modul in einen der beiden freien Slots. Geht man davon aus, dass das System so konfiguriert war, dass die beiden Module vorher im Dual-Channel Mode betrieben wurden, so haben wir nun folgende technische Situation: Wir haben eine Gesamtkapazität von 16GB (2*4GB+8GB) von denen 12GB(4GB+8GB) über den einen Datenbus und 4GB über den anderen Datenbus angeschlossen sind. Für die gesamte Transferrate gilt dann:

(DDR3-1600): (200MHz*[2*64Bit]*8)/8Bit = 25600MB/s = 25,6GB/s !!für 8GB(4GB+4GB)!!

(DDR3-1600): (200MHz*[1*64Bit]*8)/8Bit = 12800MB/s = 12,8GB/s !!für 8GB!!

Nehmen wir auch hier eine Analogie zum Personentransfer an und stellen uns den Datenbus als realen Bus vor. Es ist ein sehr kleiner Bus, weshalb man immer nur eine Person pro Bus gleichzeitig befördern kann. Wir haben zwei Busse zur Verfügung und wollen insgesamt 16 Menschen von A nach B bringen. 12 Menschen schicken wir zu Bus Nr.1 und 4 Menschen zu Bus Nr.2. Die ersten 8 Menschen(4 pro Bus) können wir mit beiden Bussen befördern, während wir für die zweiten 8 Menschen lediglich Bus Nr.1 zur Verfügung haben. Bus Nr.2 steht in dieser Zeit still. Zeitlich bedeutet dies, dass wir die erste Hälfte der Menschen in der halben Zeit befördern können die wir für die zweite Hälfte der Menschen benötigen oder anders ausgedrückt, die Transferrate der ersten Hälfte ist doppelt so hoch.

Für die Hälfte der Zugriffe verwendet der Speichercontroller also den Dual-Channel Mode und für die andere Hälfte den Single-Channel Mode.

Das dies nicht sonderlich sinnvoll ist wird schnell ersichtlich, so dass wir uns eine bessere Alternative überlegen.

Fall 2.2

Wir wollen immer noch 16 Menschen befördern. Dieses Mal schicken wir aber 8 Menschen zu Bus Nr.1 und 8 Menschen zu Bus Nr.2. Als Resultat können wir alle 16 Menschen parallel mit beiden Bussen befördern(8*1*2=16). Bezogen auf unseren Desktop bedeutet dies, dass wir das 8GB Modul in die Bank des einen Datenbusses stecken und die zwei 4GB Module in die beiden Banks des anderen Datenbusses. Auf diese Weise können wir die vollen 16GB im Dual-Channel Mode betreiben.

An diesem Beispiel sieht man besonders gut, dass Dual-Channel lediglich vom Speichercontroller und nicht von den Modulen abhängt. Um die Gesamtkapazität der Module im Dual-Channel Modus betreiben zu können benötigen wir gleiche Kapazitäten auf beiden Datenbussen, da ansonsten, wie oben gezeigt, nur ein Teil des gesamten Arbeitsspeichers im Dual-Channel Modus läuft und der andere Teil eben im Single-Channel Modus.

3.3 Dual Channel Modus mit zwei Modulen unterschiedlicher Kapazität

Ein besonderer Fall ergibt sich hieraus für Notebooks, da diese meist nicht über vier, sondern über zwei Banks verfügen. Obige Regeln haben auch für 2 Banks ihre Gültigkeit. Um die gesamte Kapazität des Arbeitsspeichers im Dual-Channel Modus betreiben zu können benötigt man gleiche Kapazitäten auf beiden Datenbussen bzw. gleich „große“ Module in jeder Bank. Bei zwei 4GB Modulen sieht es wie folgt aus:

(DDR3-1600): (200MHz*[2*64Bit]*8)/8Bit = 25600MB/s = 25,6GB/s

Bei einem 4GB Modul und einem 8GB Modul verhält es sich entsprechend anders:

(DDR3-1600): (200MHz*[2*64Bit]*8)/8Bit = 25600MB/s = 25,6GB/s für 8GB(2*4GB)

(DDR3-1600): (200MHz*[1*64Bit]*8)/8Bit = 12800MB/s = 12,8GB/s für die anderen 4GB

Betreibt man unterschiedlich große Module in den beiden Banks, so steht in unserem Beispiel für 8/12 GB der Dual-Channel Modus zur Verfügung und für 4/12 GB der Single-Channel Modus. Die Folge ist, dass im Mittel jeder dritte Zugriff mit der einfachen Geschwindigkeit stattfindet.

4. Identische Arbeitsspeicher Module – ja oder nein?

Da wir mittlerweile gelernt haben sollten, dass Dual-Channel eine Controllereigenschaft ist die nicht von den verwendeten Modulen abhängt, wissen wir, dass wir keine identischen Module benötigen. Theoretisch können wir Module verschiedener Hersteller mischen und ein ordnungsgemäßer Betrieb sollte problemlos möglich sein. Bei einer sehr kleinen Schnittmenge der Speichermodule verschiedener Hersteller ergibt sich jedoch eine Bauart bedingte Inkompatibilität, so dass wir ein instabiles System erhalten werden. Ist dies der Fall, dann überprüft ob der Betrieb mit nur einem Speichermodul stabil ist (um einen generellen Defekt des Moduls auszuschließen) und verbaut anschließend ein Anderes. Um die Wahrscheinlichkeit für so einen Fall möglichst gering zu halten solltet ihr Speichermodule mit gleicher Frequenz(1333MHz; 1600MHz etc.) und Timing (9-9-9-24 etc.) verwenden.

5. Welcher Arbeitsspeicher ist bei mir verbaut?

Um dies rauszufinden verwenden wir das Tool „CPU-Z“ (einfach mal in die Suchmaschine eurer Wahl eingeben). Nachdem wir das Programm gestartet haben und oben auf die Registerkarte SPD gewechselt sind erhalten wir allerhand Informationen(hier: Beispiel):

Type: DDR3

Module Size: 2048MB

Max.Bandwith:PC-10700H(667MHz)

Manufacturer: A-Data Technology

Part-Number: DDR3 1333+

Timings Table (667MHz): 9-9-9-24

Voltage: 1,5V

Wenn wir uns ein zweites, identisches Modul zulegen wollen, finden wir hier alle Informationen die wir benötigen. In vielen Fällen ist die Part-Number eindeutig spezifiziert, so dass wir diese lediglich in eine Suchmaschine kopieren müssen um entsprechende Angebote zu erhalten. In meinem Fall ist dies nicht so, dass macht aber nichts, denn wir haben ja noch andere Informationen. Wir wissen, dass es ein DDR3 Speichermodul mit einer Größe von 2048MB(2GB) ist welches mit einer Frequenz von 667MHz (DDR3 1333) bei 1,5V betrieben wird. Generell wird Arbeitsspeicher immer mit einer Bezeichnung wie DIMM 8GB DDR3-1333 PC10700 oder mit ausgewiesenen Timings 9-9-9-24 vertrieben, so dass wir herstellerspezifisch nur das passende Modul raussuchen müssen.

6. DIMM /SO-DIMM und DDR3L

Bauart bedingt ist der wichtigste Unterschied wahrscheinlich der, dass in Desktops meist DIMM und in Notebooks meist SO-DIMM verwendet wird. Optisch kann man sie gut unterscheiden, denn DIMM Module sind lang, aber nicht sehr hoch, während SO-DIMM Module nur 2/3 so lang, aber mehr als doppelt so hoch sind. Auch diese Information erhaltet ihr mit CPU-Z. Falls sie nicht ausgelesen werden kann verwendet Sisoft Sandra. Es ist eine wichtige Information, denn DIMM Module passen nicht in SO-DIMM Banks und SO-DIMM Module nicht in DIMM Banks. Die Bauart kann auch durch die Bezeichnung DDR3L angezeigt werden, denn das L steht für Low Voltage und diese ist eine typische Charakteristik von SO-DIMM Modulen.

Während DDR3-DIMM Module mit 1,5Volt betrieben werden, benötigen DDR3-SO-DIMM Module meist lediglich 1,35V (Auch daran kann man die Bauart erkennen). Es ist wichtig, dass ihr nachguckt wie viel Volt das standardmäßig verbaute Speichermodul benötigt, denn es gibt leider auch SO-DIMM-Module die 1,5V und mehr benötigen. Bei Desktops ist dies kein Problem, denn die Versorgungsspannung kann dort einfach erhöht werden. Dies geht bei Notebooks nicht, weshalb ein 1,5V Modul in einer Bank die nur 1,35V bereitstellt wahrscheinlich nicht funktionieren wird.

7. Tips and Tricks

-- Platzhalter --

Der Guide erhebt natürlich keinen Anspruch auf Vollständigkeit und ist ohnehin stets als vorläufig zu betrachten. Alle Informationen können ergänzt und verändert werden, so dass wir zusammen einen unseren Bedürfnissen angemessenen Guide erarbeiten können.

Gruß

Stiltskin