DDR4內(nèi)存全景解析
從SDRAM到DDR、再到DDR2、再到目前的DDR3，每一代內(nèi)存都要橫跨多代PC平臺(tái)。當(dāng)前主流的DDR3內(nèi)存規(guī)范于2007年6月由JEDEC確定，經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，DDR3已經(jīng)徹底取代了前代產(chǎn)品DDR2，成為市場主流。在5年后的2012年下半年，JEDEC又發(fā)布了新的DDR4規(guī)范，DDR4也將像DDR3取代DDR2那樣，慢慢走入我們的PC，成為未來PC的最主流內(nèi)存規(guī)范。那么DDR4有哪些優(yōu)異特性呢？它和當(dāng)前主流的DDR3又有什么不同呢？今天本文就將為你揭示其中的奧秘。 內(nèi)存算是目前PC中最沒有競爭性的部件。內(nèi)存和顯卡、CPU等有充分競爭的產(chǎn)品不同，業(yè)內(nèi)組織JEDEC是目前PC內(nèi)存規(guī)范的唯一制定廠商。JEDEC的內(nèi)存規(guī)范極其詳盡甚至事無巨細(xì)，包括芯片設(shè)計(jì)、PCB層數(shù)、頻率等重要參數(shù)，各家內(nèi)存廠商幾乎沒有太多的技術(shù)發(fā)揮空間。因此內(nèi)存無論是發(fā)展速度還是產(chǎn)品本身的規(guī)格、技術(shù)，都一直處于JEDEC的“強(qiáng)力控制”之下。在DDR3內(nèi)存還未全面成熟之時(shí)，JEDEC就開始考慮下一代DDR4內(nèi)存的規(guī)范情況，并在2010年就公布了部分DDR4的內(nèi)存資料，最終在2012年下半年發(fā)布了DDR4內(nèi)存的白皮書，并有部分內(nèi)存廠商進(jìn)入了DDR4內(nèi)存的試產(chǎn)階段。 DDR4的尺寸和DDR3看起來沒有太大差別。變彎了――DDR4的硬件外觀改進(jìn) 對大部分消費(fèi)者來說，內(nèi)存的技術(shù)升級是看不到也摸不著的，但是內(nèi)存外觀的變化卻是實(shí)實(shí)在在的。DDR4相比DDR3，在外觀上做出了很多改進(jìn)。 首先，DDR4內(nèi)存的金手指呈彎曲狀。在外觀上，傳統(tǒng)內(nèi)存的金手指都是平直的，沒有任何弧度。這樣的設(shè)計(jì)在生產(chǎn)和加工時(shí)比較方便。從結(jié)構(gòu)來看，內(nèi)存插入插槽后，除了依靠金屬彈片和本身所帶來的摩擦力固定外，插槽上還有兩個(gè)卡口將內(nèi)存卡緊。因此內(nèi)存插槽的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極為優(yōu)秀，在實(shí)際使用中，全部平直的內(nèi)存金手指插入內(nèi)存插槽后，受到的摩擦力較大，因此內(nèi)存存在難以拔出和難以插入的情況―甚至優(yōu)秀得有點(diǎn)“過分”，這也導(dǎo)致內(nèi)存的易用性表現(xiàn)存在一定的瑕疵。 來自JEDEC有關(guān)DDR4尺寸的詳細(xì)說明 來自JEDEC有關(guān)DDR4尺寸的詳細(xì)說明 為了解決這個(gè)問題，DDR4將內(nèi)存下部設(shè)計(jì)為中間稍突出、邊緣收矮的形狀。在中央的高點(diǎn)和兩端的低點(diǎn)以平滑曲線過渡。這樣的設(shè)計(jì)既可以保證DDR4內(nèi)存的金手指和內(nèi)存插槽觸點(diǎn)有足夠的接觸面，信號傳輸穩(wěn)定無虞，又可以讓中間凸起的部分和內(nèi)存插槽產(chǎn)生足夠的摩擦力穩(wěn)定內(nèi)存。唯一的問題在于圓弧形的設(shè)計(jì)增加了PCB加工的難度，在DDR4生產(chǎn)的早期有可能影響產(chǎn)品的價(jià)格和產(chǎn)量。 其次，DDR4內(nèi)存的金手指本身設(shè)計(jì)有較明顯變化。金手指中間的“缺口”也就是防呆口的位置相比DDR3更為靠近中央。在金手指觸點(diǎn)數(shù)量方面，普通DDR4內(nèi)存有284個(gè)，比DDR3的240個(gè)要多，每一個(gè)觸點(diǎn)的間距從1毫米縮減到0.85毫米，因此長度基本不變。筆記本電腦內(nèi)存上使用的SO-DIMM DDR4內(nèi)存有256個(gè)觸點(diǎn)，觸點(diǎn)間距從0.6毫米縮減到了0.5毫米，長度相比觸點(diǎn)只有204個(gè)SO-DIMM DDR3內(nèi)存也沒有太大的變化。 第三，標(biāo)準(zhǔn)尺寸的DDR4內(nèi)存在PCB、長度和高度上，也為未來的發(fā)展做出了一定調(diào)整。由于DDR4芯片封裝方式的改變以及高密度、大容量的需要，因此DDR4的PCB層數(shù)相比DDR3更多，PCB的厚度也略微增加了0.2毫米。至于在長度和高度上，為了在PCB上容納雙層芯片，因此高度略有增高，長和寬分別增加了0.9毫米和1毫米，達(dá)到了68.6毫米長和31.25毫米高。不過僅僅從外觀看，不經(jīng)過仔細(xì)對比的話，是不會(huì)發(fā)現(xiàn)DDR4和DDR3在長寬高上太過明顯的區(qū)別的。因此DDR4依舊可以使用DDR3的包裝材料，這為廠商節(jié)約了不少的費(fèi)用。 一切以速度為核心―DDR4新技術(shù)全面看 內(nèi)存發(fā)展的核心目標(biāo)就是不斷提升速度。DDR4需要在預(yù)取數(shù)沒有改變的情況下，將等效頻率從DDR4 1600起，短期內(nèi)提升至DDR4 3200，未來會(huì)進(jìn)一步發(fā)展到DDR4 4266及以上。當(dāng)然，從目前來看，DDR4 1600相比DDR3 1600來說，數(shù)據(jù)并不太好看，這是因?yàn)镈DR4標(biāo)準(zhǔn)制定比較早，當(dāng)時(shí)沒有預(yù)計(jì)到DDR3會(huì)如此迅速的發(fā)展到DDR3 1600乃至DDR3 1800和DDR3 2133，因此DDR4起點(diǎn)似乎有點(diǎn)低了。不過DDR3發(fā)展至DDR31866以上時(shí)，良率嚴(yán)重下降，功耗變高，進(jìn)一步提升頻率變得極為困難。DDR4需要徹底改變這種情況，讓頻率上升變得更容易。在工藝一定的情況下，頻率上升帶來的問題也很麻煩，主要是溫度變高、工作穩(wěn)定性降低、信號傳輸穩(wěn)定性變差等。這些都是DDR4在高頻率運(yùn)作時(shí)需要解決的問題。 目前DDR4成功使用了很多新技術(shù)來保證高頻率下的穩(wěn)定性，比如TCSE、TCAR等，此外，DDR4采用了全新的點(diǎn)對點(diǎn)總線，內(nèi)存設(shè)計(jì)上使用了3DS技術(shù)，隨著工藝的進(jìn)一步進(jìn)化，DDR4將能夠運(yùn)行在更高的頻率上，為未來的計(jì)算釋放出強(qiáng)大的數(shù)據(jù)帶寬。 內(nèi)部的“ 多通道”―Bank Group 在DDR4之前所有的DDR內(nèi)存中，都沒有使用如此大膽的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。DDR在發(fā)展的過程中，一直都以增加數(shù)據(jù)預(yù)取值為主要的性能提升手段。但到了DDR4時(shí)代，數(shù)據(jù)預(yù)取的增加變得更為困難，繼承于GDDR5的Bank Group設(shè)計(jì)就應(yīng)運(yùn)而生了 為了說清楚Bank Group的意義，還得說一些題外話。比如內(nèi)存的I/O速度和芯片存取速度（實(shí)際上這樣描述并不足夠嚴(yán)謹(jǐn)，但分開來說的確更容易理解）。 將內(nèi)存拆開來看，實(shí)際上內(nèi)存就是一個(gè)自帶運(yùn)輸能力的倉庫。倉庫本身的存儲(chǔ)能力和倉庫的運(yùn)輸能力是兩碼事。先定義倉庫的存儲(chǔ)能力，包含兩個(gè)方面：存儲(chǔ)容量和存取速度；倉庫的運(yùn)輸能力則定義為如何盡可能快地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠俊? 如果要建立一個(gè)高速的倉庫，需要同時(shí)滿足兩個(gè)方面的條件：首先是倉庫本身將貨物從庫房中存取的速度要足夠快，其次是這些貨物可以很快地運(yùn)輸?shù)酵獠?。在DDR上，使用了2bit預(yù)取，相當(dāng)于庫房每次可以存取2件貨物，同時(shí)DDR數(shù)據(jù)總線可以同時(shí)存或者取貨物（SDRAM同時(shí)間內(nèi)只能發(fā)或者收，因此相對速度慢了一倍）。在DDR3上，倉庫運(yùn)輸能力隨著頻率而大幅度提升，以DDR31600為例，倉庫的運(yùn)輸速度（I/O總線時(shí)鐘頻率）達(dá)到了800MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期可以同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，恰好滿足倉庫本身200MHz、8n預(yù)取帶來的1600MT/s數(shù)據(jù)流量。 繼續(xù)提升倉庫的存取速度遇到了難題，預(yù)取在已經(jīng)達(dá)到8 n的情況下難以進(jìn)一步提升。業(yè)內(nèi)專家想出了新的辦法：針對目前一個(gè)倉庫只配備一個(gè)內(nèi)部存取中心的做法，如果將一個(gè)大倉庫分拆開來，分為兩個(gè)或者四個(gè)小倉庫，為每個(gè)小倉庫都配備一個(gè)內(nèi)部存取中心的話，會(huì)怎么樣？當(dāng)數(shù)據(jù)來臨時(shí)，會(huì)被分為兩份或者四份分別存入這四個(gè)小倉庫，這相當(dāng)于直接將速度提升了兩倍到四倍之多。 GDDR 5就是這樣做的。它在內(nèi)部設(shè)計(jì)了Bank Group架構(gòu)，每個(gè)Bank Group可以獨(dú)立讀寫數(shù)據(jù)，這樣一來內(nèi)部的數(shù)據(jù)吞吐量大幅度提升，可以同時(shí)讀取大量的數(shù)據(jù)，內(nèi)存的等效頻率在這種設(shè)置下也得到巨大的提升。 如果內(nèi)存內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩個(gè)獨(dú)立的Bank Group，相當(dāng)于每次操作16bit的數(shù)據(jù)，變相地將內(nèi)存預(yù)取值提高到了16n，如果是四個(gè)獨(dú)立的Bank Group，則變相的預(yù)取值提高到了32n。與之而來的代價(jià)是內(nèi)存內(nèi)部設(shè)計(jì)上的復(fù)雜性增加，但好處也同樣明顯，那就是延遲不會(huì)有太明顯的提高。因?yàn)檫@樣的技術(shù)只是將內(nèi)存內(nèi)部的結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，并沒有直接提升最根本的數(shù)據(jù)預(yù)取值，相當(dāng)于組建了內(nèi)存內(nèi)部的多通道，預(yù)取值理論上和之前的設(shè)計(jì)完全一樣。 事情還沒結(jié)束，問題又來了：倉庫本身在拆分后，倉庫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力大大提高，那么運(yùn)輸速度呢？如果I/O總線的速度不能大幅度提升，空有倉庫的運(yùn)轉(zhuǎn)能力但運(yùn)輸跟不上也是一場空。在GDDR 4上，雖然提升了預(yù)取值到8n，但是I/O總線沒有徹底更新，和GDDR 3的總線相當(dāng)，因此最終存取速度沒有什么革命性的變化，還帶來了高頻率和高功耗的困擾，終究功虧一簣。GDDR 5在這方面做得很出色，一條路不夠就修兩條，GDDR5設(shè)計(jì)了兩條I/O總線，每時(shí)鐘周期可以同時(shí)收發(fā)4次數(shù)據(jù)，雙I/O總線帶來了GDDR 5傳輸能力和等效頻率的大幅提升。 言歸正傳，DDR4是怎樣做的呢？DDR4也采用了Bank Group技術(shù)，內(nèi)部可以支持2個(gè)或者4個(gè)Group，能夠同時(shí)對這些Group進(jìn)行操作。就像上文描述的那樣，Bank Group帶來了DDR4內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸能力的大幅度提升，讓DDR4在物理頻率沒有太大提升的情況下能大幅度提升數(shù)據(jù)存取能力。在I/O總線的配置上，目前暫時(shí)沒有資料說明DDR4是否使用了類似GDDR5的雙總線傳輸，不過很顯然的一點(diǎn)是，DDR4頻率提升的空間很大，如果沒有解決I/O總線的傳輸問題，肯定不會(huì)有如此幅度的性能提升。 總的來看，憑借Bank Group的設(shè)計(jì)，DDR4獲得了非常大的發(fā)展空間，這是技術(shù)型產(chǎn)品需要長期發(fā)展不可或缺的重要內(nèi)容。只有在未來有持續(xù)的發(fā)展空間，DDR4才能在3～5年中對未來計(jì)算帶寬提供足夠支持。?
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