De (on)zin van sneller werkgeheugen
Als het coderen van video’s op je pc traag gaat, games haperen of het lang duurt voordat programma’s laden, dan zal een snellere processor, een krachtige grafische kaart of een ssd het probleem wel oplossen. Maar hoe zit het eigenlijk met werkgeheugen? Is
Werkgeheugen voor moderne desktop-pc’s is in allerlei vormen en maten te krijgen Voor standaard platforms als Ryzen en Ryzen Threadripper van AMD en Core i-8000/9000 en Core X van Intel zijn talloze geheugenmodules verkrijgbaar – van DDR4-2133 helemaal tot aan DDR4-4800.
Naar aanleiding van onze pc-bouwvoorstellen uit c’t 3/2019 hebben we meerdere berichten van lezers gekregen met de vraag of er een reden is dat we alleen maar DDR4-2666 gebruiken en geen sneller geheugen met een hogere kloksnelheid en kortere latenties aanraden. Dat zou des te meer interessant kunnen zijn
omdat de prijzen van werkgeheugen de afgelopen zes maanden gehalveerd zijn. Daarmee wordt de hogere prijs van de overklok-DIMM’s minder belangrijk.
Daarom hebben we de bouwvoorstellen van onze Intel- en Ryzen-allround-pc van verschillende geheugenmodules voorzien en getest. Daarbij hebben we onder andere de prestaties bij renderingtoepassingen, bij het coderen van video’s, bij het comprimeren en bij 3D-games getest, en de snelheid en latenties van geheugenbenaderingen gemeten.
Als je zelf een eigen pc samenstelt of een bestaande pc upgradet, moet je opletten dat je een compatibel geheugentype kiest. RAM-modules heten ook wel DIMM’s, wat staat voor Dual Inline Memory Module. Vroeger had je ook nog SIMM-geheugen (Single Inline Memory Module), maar inmiddels zijn alle werkgeheugenmodules die je koopt DIMM’s. Het verschil is dat bij SIMM’s de contactpunten aan weerszijden dezelfde signalen doorgeven, terwijl bij DIMM’s de contactpunten aan beide zijden van de modules verschillende signalen doorgeven. In notebooks, mini-pc’s en
sommige mini-ITX-moederborden moeten SO-(Small Outline)DIMM’s. Die modules zijn met 6,8 cm ongeveer half zo lang als standaard DIMM’s (13,3 cm).
De huidige geheugentechniek die zowel bij desktop-pc’s, notebooks als servers wordt gebruikt is DDR4. In de winkel kom je heel soms nog pc’s tegen met goedkope processors uit de Celeron en Pentium J/Nseries Braswell-cpu’s waar DDR3-geheugen in moet. Voor de huidige desktop-pc’s kies je unbuffered-modules, ook wel UDIMM’s genoemd, die verkrijgbaar zijn met een capaciteit tot 16 GB per module. Registered DIMM’s (RDIMM’s) of Load-Reduced-DIMM’s (LR-DIMM’s) met capaciteiten tot 128 GB per module lijken op het eerste gezicht interessant, maar zijn alleen geschikt voor serverplatforms als AMD Epyc (SP3), Intel Xeon W (LGA2066) en Xeon SP (LGA3647). Op die modules zitten extra bufferchips die de elektrische belasting reduceren, waardoor de geheugencontroller in de processor per kanaal meer RAM-chips kan aansturen.
Dan zijn er ook modules met extra geheugenchips voor foutcorrectie. Officieel ondersteunen alleen server- en workstationplatforms zoals AMD Ryzen Threadripper, AMD Epyc en Intel Xeon dat ECC-RAM. In tegenstelling tot Intel blokkeert AMD het gebruik van dat geheugen bij consumentenprocessors niet. Dat betekent dat de geheugencontroller van Ryzen het geheugen wel ondersteunt. Dan moet de fabrikant van het moederbord wel ook de vereiste extra verbindingen van de DIMM-slots naar de AM4-socket hebben aangelegd en de foutcorrectie in de firmware hebben geïmplementeerd. Let dan op dat je ECC-UDIMM’s koopt, en geen ECC-RDIMM’s.
GEHEUGENSNELHEID
Wat de snelheid van het geheugen betreft moet je onderscheid maken tussen twee verschillende eigenschappen, die echter wel van elkaar afhankelijk zijn. Als er grote hoeveelheden gegevens worden overdragen, telt met name de transferrate. Die is het product van de breedte van de geheugeninterface, de I/O-klokfrequentie en de factor 2, aangezien bij Double-DataRate-geheugen (DDR) per klokcyclus twee datapakketten over de leidingen lopen. DDR4-2666 komt per kanaal uit op 64 bit × 1333 MHz × 2 = 21,3 GB/s. De gegevens van verschillende soorten werkgeheugen staan in de tabel op de volgende pagina.
Ryzen en Core i-processors werken in een dualchannel-modus, wat het doorgeven van data verdubbeld als er in beide kanalen ten minste één module zit. High-end platforms als Ryzen Threadripper en Core X hebben een quadchannel-interface, bij servers zijn er per cpu-socket zes kanalen (Xeon SP) of acht (AMD Epyc).
In de praktijk worden die hoge transferrates maar zelden gehaald omdat geheugenmodules even de tijd nodig hebben om de geheugencellen met de bus te verbinden. Die wachttijden, ofwel de latentie, hangen af van de manier waarop de benaderingen plaatsvinden en de benaderingen die eraan voorafgingen. Meestal noemen de fabrikanten van geheugenmodules de drie of vier belangrijkste timings van hun modules, bijvoorbeeld iets van 19-19-19-36. Vaak blijft het echter beperkt tot het eerste getal, de zogenaamde Column Address Strobe Latency, oftewel de CAS-latency of CL.
De opgegeven waarden zijn in relatie tot de cycle-duur. Bij DDR4-2666 is dat bijvoorbeeld 0,75 nanoseconden. Een CASlatency van 19 klokcycli komt bij die kloksnelheid dan absoluut gezien neer op 14,25 nanoseconden. Een module met het snellere DDR4-2933-21-21-21 heeft wel een hogere transferrate en een kortere cyclusduur van 0,68 nanoseconden, maar absoluut gezien zit de latentie met 14,32 nanoseconden door de 21 cycli maar minimaal hoger. Fabrikanten doen daarom hun best om bij modules voor overklokkers korte, agressieve timings te bereiken.
KWESTIE VAN PROFIEL
Geheugenmodules zelf zijn dom, de vastgesoldeerde chips bevatten uitsluitend geheugencellen. De logica waarmee ze worden aangestuurd zit in de processor. Om ervoor te zorgen dat de geheugencontroller in de cpu weet hoe snel hij het RAM mag benaderen, zit er op elke module de zogenaamd SPD-EEPROM (Serial Presence Detect). In die kleine read-only-chip staat wat de bedrijfsparameters voor de geheugenmodule voor verschillende frequenties zijn. Het UEFI-BIOS leest die waarden bij het booten automatisch uit en geeft ze door aan de geheugencontroller. Om ervoor te zorgen dat dit op alle computers goed werkt, legt de standaardisatieorganisatie JEDEC in de specificaties vast welke parameters geoorloofd zijn en hoe de gegevens in de SPD-EEPROM opgeslagen moeten worden.
Overklok-DIMM’s met hogere kloksnelheden werken buiten die specificaties en hebben bijvoorbeeld een hogere spanning nodig van 1,35 volt in plaats van de 1,2 volt die voor DDR4-RAM is vastgelegd. Indien die waarden in het JEDEC-deel van de SPD-chip zouden staan, zouden er bij veel systemen stabiliteitsproblemen optreden omdat het moederbord of de processor de snelle timings niet ondersteunen. Daarom heeft Intel een eigen uitbreiding van de gegevensvelden in de SPD-EEPROM ingevoerd, de Extreme Memory Profile (XMP). Die uitbreiding is inmiddels als quasi-standaard door alle geheugenfabrikanten en – na enkele opstartproblemen – op moederborden voor AMD-processors overgenomen.
XMP gebruikt daar lege geheugenbereiken van de SPD-EEPROM’s voor die de JEDEC-norm niet gebruikt. Elke overklokmodule bevat naast de XMP-profielen ook standaard JEDEC-parameters, waardoor ze ook bij pc’s en moederborden zonder XMP-ondersteuning werken – zij het met een lagere kloksnelheid zoals DDR4-2133. Pas als je in de set-up van het UEFI-BIOS de XMP-modus activeert, draait het overklokgeheugen op de maximale snelheid, bijvoorbeeld DDR4-3466.
PRAKTIJKPROBLEMEN
In de praktijk zijn er geen regels zonder uitzonderingen: bij de HyperX-modules van Kingston waarmee we getest hebben staan in de JEDEC-gegevensvelden ook dezelfde snelle instellingen voor DDR4-3466-20-23-23
als in het XMP-profiel. Daardoor werken die ook bij moederborden zonder XMP-ondersteuning met de maximale snelheid, tenminste theoretisch. Want onze Ryzen-allrounder crashte onder Windows regelmatig met die instellingen. Bij Memtest86 traden al na enkele minuten talrijke foutmeldingen op. Pas nadat we in de BIOS-set-up de kloksnelheid van het geheugen handmatig naar DDR4-3333 reduceerden, doorstond ons systeem het benchmarkparcours.
Bij overklokgeheugen dat sneller is dan de maximale waarden die de processorfabrikant heeft opgegeven (DDR4-2666 bij Intel Core i-3 en DDR4-2933 bij AMD Ryzen) geldt zoals altijd dat het misschien werkt, maar misschien ook niet … Dat hangt niet alleen af van de gebruikte DIMM’s, maar ook van het moederbord, de BIOS-versie en de processor.
Bij het gebruik van XMP-modules moet je bovendien rekening houden met bijwerkingen. In de loop van vorig jaar hadden zijn we bij tests van moederborden en bij het samenstellen van onze bouwvoorstellen vaker tegengekomen dat het UEFI-BIOS na het activeren van de XMP-profielen de turbotrappen van de processor manipuleerde of de ventilators sneller liet draaien. Bij XMP-modules met 1,35 volt geheugenspanning verhogen de moederborden bovendien ook andere I/O-spanningen in de cpu. Hoger dan 1,35 volt kun je het beter niet instellen, omdat dat niet alleen de RAM-modules, maar ook de processor kan beschadigen.
Een hogere kloksnelheid heeft niet alleen gevolgen voor de snelheid van de geheugeninterface, maar ook voor de overige onderdelen van de processor. Bij Ryzen-cpu’s zit in het gedeelte waar het RAM wordt geregeld bijvoorbeeld ook het L3-cachegeheugen en de Infinity Fabric. Dat verbindt de CPU Core Complexes (CCX), de I/O-hub en de geheugencontroller met elkaar.
VERMOGENSAANWAS?
Er bestaat software om de opgeslagen geheugenprofielen uit te lezen. Dat kan bijvoorbeeld met gratis diagnoseprogramma’s als CPU-Z en HWInfo voor Windows (zie link onderaan dit artikel). Die tools geven informatie over de latenties van de aparte snelheidstrappen van de modules. Bovendien documenteren de fabrikanten op de opdruk van de DIMM’s en op hun websites alleen de timings van de hoogste kloksnelheid die de modules ondersteunen.
In tegenstelling tot de kloksnelheid van een processor, kun je de kloksnelheid en latenties van het werkgeheugen niet wijzigen in een draaiend systeem. De Ryzen Master Tool van AMD en de Extreme Tuning Utility (XTU) van Intel bieden wel opties om de RAM-snelheid en -timings te wijzigen, maar je moet het systeem wel eerst opnieuw starten voordat die wijzigingen door het BIOS worden overgenomen.
De prestaties hebben we bij de Ryzen-allrounder en de verschillende programma’s in eerste instantie met de dualchannel-modus gemeten. De geheugensnelheid met de Memory Latency Checker (MLC) van Intel haalde bij DDR4-3333 een 25 procent snellere datadoorgifte dan met DDR4-2666. De tool benaderde daarmee maar liefst 93 procent van de maximaal haalbare transferrate. De tool meet ook de kortere latenties. De geheugenbenaderingen was met het overklokgeheugen in de DDR4-3333-16-16-16-modus ongeveer 20 procent sneller dan bij DDR4-2666 met JEDEC-timings.
Bij renderingtoepassingen als Cinebench en Blender vervloog de winst van het snellere geheugen volledig. De prestaties bij gecomprimeerde 7-Zip-bestanden was daarentegen maar liefst 9 procent sneller. Daar betreft het echter wel een benchmark die geheel in het werkgeheugen wordt uitgevoerd.
Video-encoders en 3D-games profiteerden met een verschil van nog geen drie procent van overklokte DIMM’s – wat nog maar net te meten is. We hebben daarbij bewust gekozen voor realistische grafische
instellingen zoals een Full-HD-resolutie en een hoge beeldkwaliteit. Daarbij was de gebruikte GeForce GTX 1060 de beperkende factor voor de framerate. Bij een lager resolutie van 720p, sterk gereduceerde kwaliteitsinstellingen en framerates boven de honderd zal het werkgeheugen een grotere invloed hebben, maar dat is niet representatief voor de instellingen die gamers voor ogen hebben.
Als extra test hebben we ook gemeten met de allrounder van Intel. In tegenstelling tot de AMD-pc draaide het systeem wel stabiel met de hoogste geheugeninstelling van het DDR4-3466-RAM. Vergeleken met de Ryzen is de benaderingsduur tot het werkgeheugen bij Core i-processors beduidend korter. De oorzaak daarvoor is waarschijnlijk de Ring Bus, die de cpu-cores met de geheugencontroller verbindt en die vergeleken met de Infinity Fabric van Ryzen een hogere kloksnelheid heeft.
Ook op het Intel systeem haal je hooguit in uitzonderingsgevallen meetbaar hogere snelheden met sneller geheugen. Naast de 7-Zip-benchmark was daar ook het onderdeel Solidworks 2012 van de professionele benchmark SPECviewPerf sneller. De overige acht onderdelen van SPECviewPerf toonden geen snelheidsverschillen.
GEÏNTEGREERDE GRAPHICS
We hebben bij wijze van test de Ryzen-allrounder ook in de singlechannel-modus bekeken. Daarvoor hebben we uitsluitend de twee poorten van het eerste kanaal van geheugenmodules voorzien. De hoeveelheid geheugen bleef daarbij gelijk. Opvallend weinig toepassingen toonden een verschil, ondanks de gehalveerde doorvoersnelheid. Het grootste effect had het op het coderen van video met Handbrake (-17 procent) en 7-Zip (-11 procent). De framerate van 3D-games liep iets terug met 3 tot 7 procent.
De geheugensnelheid heeft een groter effect op processors met geïntegreerde graphics omdat de cpu-cores en de gpu om het geheugen moeten concurreren. Bij de Ryzen-allrounder hebben we voor testdoeleinden de GeForce GTX 1060 verwijderd en de Ryzen 5 2600 vervangen door een Ryzen 5 2400G, waar Vega 11-graphics inzitten. In de dualchannel-modus verbeterden de prestaties in de graphics-benchmark 3DMark FireStrike door de overstap van DDR4-2666 naar DDR4-3400 met 13 procent. Bij de game Assassins Creed: Odyssey steeg de framerate zelfs met 19 procent. Wel moet gezegd worden dat de zwakke gpu ook bij een resolutie van 720p en lage kwaliteitsinstellingen dan maar 37 fps haalde.
Bovendien kost een kit van twee DDR4-3400DIMM’s met elk 8 GB geheugen zo’n 200 euro, terwijl je voor dezelfde hoeveelheid geheugen DDR4-2666 maar ongeveer 100 euro hoeft neer te tellen. Dat prijsverschil van 100 euro kun je dan beter steken in een grafische kaart als de GeForce GT 1030 of Radeon RX550 met een lokaal grafisch geheugen en betere prestaties.
CONCLUSIE
In reële situaties biedt snel werkgeheugen veel minder voordelen dan de theoretische prestatiemetingen doen vermoeden. Zelfs bij een krachtige pc merk je niets van de prestatiewinst en is het in veel gevallen ook niet meetbaar. Het is van veel groter belang dat er voldoende geheugen in de pc zit. Als de capaciteit te klein is voor zware applicaties en het besturingssysteem naar de veel tragere ssd of harde schijf moet gaan swappen, dan maakt ook het snelste overklokgeheugen niets uit. Als je een pc samenstelt, kun je uit prijs/prestatie-overwegingen dan ook het beste kiezen voor DDR4-2666-werkgeheugen. De geheugenprijzen zijn de afgelopen maanden bovendien flink gedaald. Snel werkgeheugen heeft nog het meeste effect op systemen met geïntegreerde graphics. Maar het is dan waarschijnlijk veel zinvoller om de hogere prijs van snel geheugen te investeren in een betere grafische kaart.