Das Performance-Paradox: Warum ist DDR4 3600 CL16 manchmal langsamer als CL18?

In der Welt der Computerhardware gilt oft die Faustregel: Eine niedrigere Zahl ist besser. Bei Arbeitsspeicher (RAM) bedeutet das in der Regel, dass eine niedrigere CAS Latency (CL) oder eine höhere Frequenz zu besserer Performance führt. Wenn es um DDR4-RAM geht, scheint 3600 MHz mit CL16 die „Sweet Spot”-Kombination zu sein, die eine hervorragende Balance aus Geschwindigkeit und Latenz bietet – zumindest auf dem Papier. Doch in der Praxis erleben manche Nutzer ein verblüffendes Phänomen: Ihr theoretisch schnellerer 3600 CL16-Speicher ist unter Umständen langsamer als ein 3600 CL18-Kit. Wie kann das sein? Dieses „Performance-Paradox“ ist tief in den komplexen Wechselwirkungen zwischen RAM-Timings, dem Speichercontroller der CPU und der Systemarchitektur verwurzelt. Lassen Sie uns dieses Mysterium gemeinsam lüften.

Die Grundlagen: Frequenz, CAS Latency und wahre Latenz

Bevor wir uns dem Paradoxon widmen, müssen wir die wichtigsten Kennzahlen des RAMs verstehen:

• Frequenz (MHz/MT/s): Die Frequenz gibt an, wie viele Datenzyklen pro Sekunde der Speicher verarbeiten kann. Eine höhere Frequenz bedeutet eine höhere Bandbreite, also mehr Daten, die pro Zeiteinheit übertragen werden können. DDR4-3600 bedeutet 3600 MegaTransfers pro Sekunde (MT/s).
• CAS Latency (CL): Die CAS Latency ist die Verzögerung in Taktzyklen, die vergeht, bis der Speichercontroller auf die angeforderten Daten zugreifen kann, nachdem der Befehl dazu gegeben wurde. Eine niedrigere CL-Zahl bedeutet weniger Taktzyklen und somit eine theoretisch schnellere Reaktion.

Es ist jedoch ein Fehler, nur die CL-Zahl isoliert zu betrachten. Die wahre Latenz, also die Zeit in Nanosekunden (ns), die tatsächlich vergeht, ist die relevantere Metrik. Diese berechnet sich wie folgt:

Wahre Latenz (ns) = (CL / (Speicherfrequenz in MHz / 2)) * 1000

Rechnen wir dies für unsere beiden Beispiele aus (da 3600 MT/s einer tatsächlichen Taktrate von 1800 MHz entspricht):

• DDR4 3600 CL16: (16 / 1800) * 1000 = 8,88 ns
• DDR4 3600 CL18: (18 / 1800) * 1000 = 10,00 ns

Anhand dieser Berechnung sollte 3600 CL16 immer noch die bessere Wahl sein, da die wahre Latenz geringer ist. Das Paradoxon muss also woanders liegen.

Jenseits der CAS Latency: Die Welt der Primär- und Sub-Timings

Die CL ist nur die Spitze des Eisbergs. Neben ihr gibt es eine Vielzahl weiterer Speicher-Timings, die die Leistung beeinflussen:

• tRCD (RAS to CAS Delay): Die Zeit in Taktzyklen, um von der Aktivierung einer Zeile (Row) zur Auswahl einer Spalte (Column) zu wechseln.
• tRP (Row Precharge Time): Die Zeit in Taktzyklen, um eine Zeile zu schließen und eine andere zu öffnen.
• tRAS (Row Active Time): Die Mindestzeit, die eine Zeile geöffnet bleiben muss.
• tRFC (Refresh Cycle Time): Die Zeit, die ein RAM-Modul benötigt, um alle seine Zellen aufzufrischen. Eine hohe Zahl kann hier zu Verzögerungen führen.

Diese primären Timings werden oft als Zahlenfolge (z.B. 16-18-18-38) angegeben. Aber selbst das ist noch nicht alles. Es gibt Dutzende weitere, sogenannte Sub-Timings, die im BIOS automatisch oder manuell eingestellt werden können (z.B. tCWL, tFAW, tRDRD_SG, tWRWR_DR). Diese Sub-Timings haben einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz des Datenaustauschs und damit auf die Gesamtperformance. Ein RAM-Kit mit einer niedrigeren CL kann unter Umständen mit „lockerer” eingestellten Sub-Timings arbeiten, die die Vorteile der niedrigeren CL wieder aufheben oder sogar ins Negative verkehren.

Hersteller von RAM-Modulen müssen einen Spagat zwischen maximaler Leistung und garantierter Stabilität finden. Ein CL16-Kit mag zwar theoretisch schnell sein, aber um dies stabil zu erreichen, könnten die Hersteller die Sub-Timings bewusst lockerer einstellen. Ein CL18-Kit hingegen könnte mit aggressiveren, sprich „engeren”, Sub-Timings laufen und dadurch in der Summe schneller sein, obwohl die CL-Zahl höher ist.

Der wahre Schlüssel: Der Speichercontroller der CPU und die Infinity Fabric (AMD Ryzen)

Der wohl wichtigste Faktor für das Performance-Paradox ist der Speichercontroller (IMC), der in die CPU integriert ist. Er orchestriert den gesamten Datenaustausch zwischen der CPU und dem RAM. Die Qualität und Leistungsfähigkeit des IMC variieren von CPU zu CPU, selbst innerhalb derselben Modellreihe.

AMDs Ryzen-Architektur und die Infinity Fabric

Besonders bei AMD Ryzen-CPUs ist der Zusammenhang zwischen RAM-Geschwindigkeit und Gesamtperformance komplex und entscheidend. Die Ryzen-Architektur verwendet eine interne Kommunikationsschnittstelle namens Infinity Fabric (IF), die verschiedene CPU-Komponenten (wie CPU-Kerne, Cache, Speichercontroller) miteinander verbindet. Der Takt der Infinity Fabric (FCLK) ist hier der Game-Changer.

Für eine optimale Leistung bei Ryzen-Prozessoren sollte der FCLK idealerweise im 1:1-Verhältnis zum Speichertakt (MEMCLK) laufen. Bei DDR4-3600 beträgt der MEMCLK 1800 MHz. Das bedeutet, der FCLK sollte ebenfalls bei 1800 MHz liegen. Dieser 1:1-Modus minimiert die Latenz bei der Kommunikation innerhalb der CPU und zwischen CPU und RAM.

Hier kommt das Paradoxon ins Spiel: Nicht jede CPU ist in der Lage, einen FCLK von 1800 MHz oder höher stabil zu halten. Wenn der Speichercontroller der CPU den gewünschten 1:1-FCLK nicht erreichen kann (z.B. weil die CPU „schlechter gebinnt” ist oder die Spannungen nicht ausreichen), schaltet das System in einen 2:1-Modus um. Im 2:1-Modus halbiert sich der FCLK (z.B. auf 900 MHz bei 3600 MT/s RAM), während der Speichertakt des RAMs selbst bei 1800 MHz bleibt. Dies führt zu einem massiven Anstieg der Latenz bei der Kommunikation innerhalb der CPU und zwischen CPU und RAM, was die Leistung des Gesamtsystems drastisch reduziert – oft sogar mehr, als ein geringfügig höherer CL-Wert es tun würde.

Ein 3600 CL16-Kit, das Ihren Ryzen-Prozessor zwingt, im 2:1-Modus zu laufen, wird daher langsamer sein als ein 3600 CL18-Kit, das einen stabilen 1:1-FCLK ermöglicht. Die theoretisch bessere CL16-Latenz wird durch die massiv höhere Infinity Fabric-Latenz vollständig zunichtegemacht.

Intel-Plattformen

Obwohl Intel-CPUs keine direkte Entsprechung zur Infinity Fabric im Sinne eines 1:1-Verhältnisses mit dem Speichertakt haben, hat auch ihr Speichercontroller Grenzen. Instabiler RAM, selbst wenn er theoretisch schnellere Timings hat, kann dazu führen, dass der Controller zu konservativeren Einstellungen (höhere Latenzen, niedrigere Frequenzen) gezwungen wird, um Stabilität zu gewährleisten. Ein Kit, das von Haus aus etwas höhere CL-Werte hat, aber dafür absolut stabil mit allen internen Timings läuft, kann in der Praxis die bessere Wahl sein.

Die Rolle der RAM-Chips (Dies) und des Binning

Nicht jeder RAM-Chip ist gleich. Es gibt verschiedene Hersteller (Samsung, Hynix, Micron) und Chip-Typen (z.B. Samsung B-Die, Hynix CJR/DJR, Micron E-Die), die sich in ihrer Qualität und ihren Übertaktungseigenschaften stark unterscheiden. Sogenannte „Samsung B-Die” Chips gelten beispielsweise als sehr hochwertig und sind bekannt für ihre Fähigkeit, enge Timings bei hohen Frequenzen stabil zu halten. Sie sind oft in den teureren, leistungsstärkeren RAM-Kits zu finden.

RAM-Hersteller kaufen diese Chips und testen (binning) sie dann. Die besten Chips werden für Kits mit aggressiven Timings (z.B. 3600 CL14 oder CL16) verwendet, während weniger leistungsfähige Chips für Kits mit höheren Timings (z.B. 3600 CL18 oder CL20) genutzt werden. Manchmal kann es aber vorkommen, dass ein vermeintlich „schlechter” gebinnter Chip in einem CL18-Kit dennoch sehr stabil läuft und durch die Gesamtheit seiner Timings eine bessere Leistung als ein „grenzwertiger” CL16-Chip erreicht, der bei geringsten Abweichungen instabil wird.

Stabilität geht vor: Der heimliche Performance-Killer

Ein oft übersehener, aber entscheidender Aspekt ist die Stabilität des RAMs. Ein theoretisch schnellerer RAM-Kit, das nicht 100%ig stabil läuft, ist wertlos. Instabilität kann zu folgenden Problemen führen:

• Systemabstürze und Blue Screens (BSODs).
• Datenkorruption.
• Automatische Herabsetzung der RAM-Frequenz oder Latenzen durch das BIOS, um Stabilität zu gewährleisten.
• Die Unfähigkeit, den optimalen FCLK (bei Ryzen) stabil zu halten, was den Wechsel in den 2:1-Modus erzwingt.

Ein CL16-Kit, das Schwierigkeiten hat, die spezifizierten Timings oder den optimalen FCLK stabil zu halten, wird in der Praxis eine schlechtere Leistung zeigen als ein CL18-Kit, das absolut rock-solid und im idealen Betriebsmodus läuft.

Messung der realen Performance: Benchmarks sind Ihr Freund

Um festzustellen, welches RAM-Kit in Ihrem spezifischen System wirklich besser ist, kommen Sie um Benchmarks nicht herum. Tools wie AIDA64 (Memory Latency und Bandwidth), Karhu RAM Test (Stabilität) oder Cinebench (CPU-Performance, die von RAM abhängt) können Aufschluss geben. Auch Gaming-Benchmarks, die die 1% und 0,1% Low-FPS messen, sind aufschlussreich, da diese oft von der Speicherlatenz beeinflusst werden.

Es ist wichtig, nach einer Installation des RAMs im BIOS das XMP-Profil (Extreme Memory Profile) zu aktivieren. Dies lädt die vom Hersteller hinterlegten optimalen Timings. Wenn das System damit instabil ist, kann es ein Zeichen dafür sein, dass entweder der Speichercontroller Ihrer CPU schwach ist oder das RAM-Kit selbst an seine Grenzen stößt.

Praktische Tipps für Anwender

1. Kompatibilitätslisten (QVL) prüfen: Schauen Sie auf der Webseite Ihres Motherboard-Herstellers nach der Qualified Vendor List für RAM. Dort sind Kits aufgeführt, die auf Ihrem Board getestet und als kompatibel befunden wurden.
2. Priorisieren Sie Stabilität: Ein perfekt stabiles System mit etwas höheren Latenzen ist immer besser als ein instabiles System mit theoretisch niedrigeren Latenzen.
3. Ryzen-Nutzer aufgepasst: Für AMD Ryzen-CPUs der Generationen 2000, 3000 und 5000 ist ein stabiler FCLK im 1:1-Verhältnis zum Speichertakt (MEMCLK) entscheidend. Versuchen Sie, 3600 MT/s RAM mit 1800 MHz FCLK zu erreichen. Wenn dies instabil ist, kann es besser sein, zu einem 3200 MT/s RAM mit 1600 MHz FCLK (immer noch 1:1) zurückzugreifen oder ein 3600 CL18 Kit zu wählen, das diesen FCLK stabil ermöglicht.
4. BIOS-Updates: Halten Sie Ihr Motherboard-BIOS auf dem neuesten Stand. BIOS-Updates enthalten oft Verbesserungen für die Speicherkompatibilität und -stabilität.
5. Nicht nur auf CL achten: Betrachten Sie das Gesamtpaket der Timings und die Stabilität.

Fazit: Das Performance-Paradox entmystifiziert

Das scheinbare Paradoxon, dass DDR4 3600 CL16 manchmal langsamer ist als CL18, löst sich auf, wenn man die Komplexität der Speicherarchitektur und die Rolle des Speichercontrollers der CPU versteht. Die CAS Latency ist nur ein Puzzleteil in einem viel größeren Bild, das Dutzende von Timings, die interne CPU-Kommunikation (insbesondere AMDs Infinity Fabric) und die grundlegende Systemstabilität umfasst.

Die Wahl des „besten” RAMs hängt nicht nur von den Zahlen auf der Verpackung ab, sondern davon, wie gut dieses RAM-Kit mit Ihrer spezifischen CPU, Ihrem Motherboard und seinen Fähigkeiten im Zusammenspiel harmoniert. In vielen Fällen ist ein stabil laufendes CL18-Kit, das alle internen Komponenten im optimalen Modus hält, der einem instabilen CL16-Kit überlegen, das Kompromisse in der Systemarchitektur erzwingt oder einfach nicht zuverlässig funktioniert. Am Ende zählt die reale Leistung und Stabilität, gemessen in Benchmarks und im täglichen Gebrauch, nicht nur die theoretischen Spezifikationen.