Dit gaat GDDR7 betekenen voor toekomstige videokaarten

Sam Berents - 31 januari 2024, 14:05

Samsung en SK Hynix zijn de eerste twee fabrikanten van halfgeleiders die dit jaar GDDR7 voor de volgende generatie grafische kaarten in productie gaan nemen.

Samsung en SK Hynix tonen in februari hun eigen versies van GDDR7-vram. Er zitten kleine verschillen tussen, maar beide moeten voor een flinke verbetering in bandbreedte van de toekomstige generatie videokaarten zorgen.

Voor goede gameprestaties is een krachtige videokaart onontbeerlijk. Die kracht wordt bepaald door twee factoren: de grafische processor, maar zeker ook de snelheid en de hoeveelheid videogeheugen. Dat verschilt van regulier werkgeheugen, qua techniek, maar ook qua naam. Bij videokaarten spreken we van GDDR, en Samsung en SK Hynix toonden onlangs een nieuwe generatie: GDDR7. Wat betekent dat voor de volgende generatie videokaarten?

GDDR7 tegenover GDDR6 - en verschillen tussen Samsung en SK Hynix

GDDR6 is al enige tijd de gedoodverfde keuze voor geheugen in videokaarten. Een concurrerende techniek, high bandwidth memory oftewel HBM, bleek niet kosteneffectief. AMD probeerde het enige jaren terug, maar stapte ook over naar GDDR6. Nu treffen we HBM alleen nog aan in de servermarkt. GDDR6 is daarmee de enige overgebleven opvolger van GDDR5. Dit type geheugen begint echter tegen de grenzen aan te lopen voor de krachtigste videokaarten. Zo introduceerden Nvidia en Micron al een variant die afweek van de JEDEC standaard, genaamd GDDR6X. Deze biedt 24 Gbit/s doorvoersnelheid, waar GDDR6 maximaal 16Gbit/s behaalt. AMD omzeilde de beperkingen van GDDR6 door de eigen grafische processors te voorzien van veel meer eigen cachegeheugen.

Waarom meer bandbreedte voor videogeheugen?

Waar is al die bandbreedte voor nodig? Simpel: om de steeds complexere, grotere hoeveelheden data van moderne games in te laden en snel voor de grafische processor beschikbaar te maken. Naarmate games meer details bevatten, die zeker op 4K gaming monitoren uitstekend zichtbaar worden, is meer en sneller geheugen nodig. De snelheid waarmee het geheugen werkt kan op twee manieren verhoogd worden. Ofwel door meer chips tegelijk aan te spreken, ofwel door snellere chips te gebruiken. De eerste techniek zie je vooral op duurdere videokaarten, met een zogenaamde bredere geheugenbus. Om ook hoge prestaties op kaarten met een eenvoudiger architectuur mogelijk te maken, is sneller geheugen nodig.

GDDR7: pakweg 50% sneller dan GDDR6

Daar komt dus een nieuwe generatie GDDR7 om de hoek kijken. Zowel Samsung als SK Hynix zullen een eigen variant van deze volgende generatie van videogeheugen tonen op de ISSCC 2024 beurs in februari. Samsung toonde eerder al GDDR7 geheugen, maar heeft de snelheid sindsdien nog verder opgevoerd. Deze nieuwe generatie moet, in het geval van Samsung, een verbetering van 54% opleveren in bandbreedte per pin. SK Hynix is iets terughoudender, met een nog altijd respectabele verbetering van ongeveer 47,5%. Deze variant moet wel energiezuiniger zijn. Micron heeft nog niets van zijn techniek laten zien of horen, maar zou ook in de eerste helft van 2024 met producten komen.

Verbeteringen in snelheid, maar (nog) niet in capaciteit

De bandbreedte (oftewel doorvoersnelheid) van de nieuwe GDDR7 chips gaat dus sowieso omhoog. De JEDEC standaard voor GDDR6 specificeerde zoals gezegd aanvankelijk 16 Gbit/s per pin. Deze is sindsdien verhoogd naar dezelfde 24 Gbit/s die aanvankelijk door GDDR6X werd geclaimd. Deze toename was mogelijk door verbeteringen in het productieproces. GDDR7 op zijn beurt lijkt een verbetering van ongeveer 50% te realiseren vergeleken met deze snelste, uitontwikkelde versie van GDDR6. Daarmee komt de bandbreedte per pin uit op 35,4 Gbit/s bij SK Hynix en 37 Gbit/s bij Samsung.

Hierdoor is GDDR7 sneller (en relatief zuiniger) dan GDDR6

Hoe deze verbetering bewerkstelligd wordt, is een technisch verhaal. Het komt erop neer, dat er meer informatie per kloktik verstuurd wordt. GDDR6 gebruikte de technieken NRZ en PAM-2. Dat staat respectievelijk voor Non-Return to Zero en Pulse Amplitude Modulation. Met beide is het mogelijk 1 bit per kloktik te verwerken. Een negatief voltage is daarbij een 0 en een positief voltage een 1.

Bij GDDR7 maakt gebruik van PAM-3. Deze techniek introduceert een derde voltageniveau, namelijk een spanning van 0. Dit maakt het mogelijk om per klokcyclus 1,5 bit te verwerken. En dat verhoogt de bandbreedte direct met 50%. Een bijkomend voordeel is dat het gebruik van dit derde spanningsniveau geen directe energie kost. Daarmee is GDDR7 ongeveer 20% efficiënter is dan GDDR6. GDDR6X maakte gebruik van PAM-4 voor een verhoging in bandbreedte. Dit werken met vier spanningsniveaus is in theorie sneller dan PAM-3, maar het is ook foutgevoeliger. Dat betekent dat duurdere onderdelen vereist zijn, terwijl de kloksnelheid omlaag moet om een stabiele werking te garanderen. In de praktijk kwam deze techniek dan ook niet verder dan de genoemde 24 Gbit/s per pin.

Vooralsnog 2 GB per chip

GDDR7 moet dus efficiënter en sneller zijn. Qua capaciteit lijken de fabrikanten vooralsnog een pas op de plaats te maken. Zowel Samsung als SK Hynix hebben alleen nog chips getoond met een grootte van 2 GB. Dat is dezelfde als van de GDDR6(X) chips. Tenzij de bedrijven ook hier een verbetering weten te maken, zal een volgende generatie videokaarten net als de huidige voorzien zijn van 12 tot 24 gigabyte aan videogeheugen. Mogelijk kunnen topmodellen wel een verhoging tegemoet zien, maar dat zal voornamelijk afhangen van de gebruikte geheugenbus. Op dit moment beschikken de topmodellen van zowel Nvidia als AMD over een 384 bit-geheugenbus. Dat levert een maximale capaciteit van 24 GB op.

Naar verluidt gaan zowel Nvidia als AMD in hun nieuwe generaties videokaarten GDDR7 gebruiken. Samsung en SK Hynix zullen naar verwachting in de eerste helft van 2024 met de massaproductie van deze chips te beginnen.