DDR4內存全景解析
從SDRAM到DDR、再到DDR2、再到目前的DDR3，每一代內存都要橫跨多代PC平臺。當前主流的DDR3內存規(guī)范于2007年6月由JEDEC確定，經過長時間的發(fā)展，DDR3已經徹底取代了前代產品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的最主流內存規(guī)范。那么DDR4有哪些優(yōu)異特性呢？它和當前主流的DDR3又有什么不同呢？今天本文就將為你揭示其中的奧秘。 內存算是目前PC中最沒有競爭性的部件。內存和顯卡、CPU等有充分競爭的產品不同，業(yè)內組織JEDEC是目前PC內存規(guī)范的唯一制定廠商。JEDEC的內存規(guī)范極其詳盡甚至事無巨細，包括芯片設計、PCB層數(shù)、頻率等重要參數(shù)，各家內存廠商幾乎沒有太多的技術發(fā)揮空間。因此內存無論是發(fā)展速度還是產品本身的規(guī)格、技術，都一直處于JEDEC的“強力控制”之下。在DDR3內存還未全面成熟之時，JEDEC就開始考慮下一代DDR4內存的規(guī)范情況，并在2010年就公布了部分DDR4的內存資料，最終在2012年下半年發(fā)布了DDR4內存的白皮書，并有部分內存廠商進入了DDR4內存的試產階段。 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 對大部分消費者來說，內存的技術升級是看不到也摸不著的，但是內存外觀的變化卻是實實在在的。DDR4相比DDR3，在外觀上做出了很多改進。 首先，DDR4內存的金手指呈彎曲狀。在外觀上，傳統(tǒng)內存的金手指都是平直的，沒有任何弧度。這樣的設計在生產和加工時比較方便。從結構來看，內存插入插槽后，除了依靠金屬彈片和本身所帶來的摩擦力固定外，插槽上還有兩個卡口將內存卡緊。因此內存插槽的結構穩(wěn)定性極為優(yōu)秀，在實際使用中，全部平直的內存金手指插入內存插槽后，受到的摩擦力較大，因此內存存在難以拔出和難以插入的情況―甚至優(yōu)秀得有點“過分”，這也導致內存的易用性表現(xiàn)存在一定的瑕疵。 來自JEDEC有關DDR4尺寸的詳細說明 來自JEDEC有關DDR4尺寸的詳細說明 為了解決這個問題，DDR4將內存下部設計為中間稍突出、邊緣收矮的形狀。在中央的高點和兩端的低點以平滑曲線過渡。這樣的設計既可以保證DDR4內存的金手指和內存插槽觸點有足夠的接觸面，信號傳輸穩(wěn)定無虞，又可以讓中間凸起的部分和內存插槽產生足夠的摩擦力穩(wěn)定內存。唯一的問題在于圓弧形的設計增加了PCB加工的難度，在DDR4生產的早期有可能影響產品的價格和產量。 其次，DDR4內存的金手指本身設計有較明顯變化。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。在金手指觸點數(shù)量方面，普通DDR4內存有284個，比DDR3的240個要多，每一個觸點的間距從1毫米縮減到0.85毫米，因此長度基本不變。筆記本電腦內存上使用的SO-DIMM DDR4內存有256個觸點，觸點間距從0.6毫米縮減到了0.5毫米，長度相比觸點只有204個SO-DIMM DDR3內存也沒有太大的變化。 第三，標準尺寸的DDR4內存在PCB、長度和高度上，也為未來的發(fā)展做出了一定調整。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，達到了68.6毫米長和31.25毫米高。不過僅僅從外觀看，不經過仔細對比的話，是不會發(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)約了不少的費用。 一切以速度為核心―DDR4新技術全面看 內存發(fā)展的核心目標就是不斷提升速度。DDR4需要在預取數(shù)沒有改變的情況下，將等效頻率從DDR4 1600起，短期內提升至DDR4 3200，未來會進一步發(fā)展到DDR4 4266及以上。當然，從目前來看，DDR4 1600相比DDR3 1600來說，數(shù)據(jù)并不太好看，這是因為DDR4標準制定比較早，當時沒有預計到DDR3會如此迅速的發(fā)展到DDR3 1600乃至DDR3 1800和DDR3 2133，因此DDR4起點似乎有點低了。不過DDR3發(fā)展至DDR31866以上時，良率嚴重下降，功耗變高，進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在高頻率運作時需要解決的問題。 目前DDR4成功使用了很多新技術來保證高頻率下的穩(wěn)定性，比如TCSE、TCAR等，此外，DDR4采用了全新的點對點總線，內存設計上使用了3DS技術，隨著工藝的進一步進化，DDR4將能夠運行在更高的頻率上，為未來的計算釋放出強大的數(shù)據(jù)帶寬。 內部的“ 多通道”―Bank Group 在DDR4之前所有的DDR內存中，都沒有使用如此大膽的創(chuàng)新設計。DDR在發(fā)展的過程中，一直都以增加數(shù)據(jù)預取值為主要的性能提升手段。但到了DDR4時代，數(shù)據(jù)預取的增加變得更為困難，繼承于GDDR5的Bank Group設計就應運而生了 為了說清楚Bank Group的意義，還得說一些題外話。比如內存的I/O速度和芯片存取速度（實際上這樣描述并不足夠嚴謹，但分開來說的確更容易理解）。 將內存拆開來看，實際上內存就是一個自帶運輸能力的倉庫。倉庫本身的存儲能力和倉庫的運輸能力是兩碼事。先定義倉庫的存儲能力，包含兩個方面：存儲容量和存取速度；倉庫的運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? 如果要建立一個高速的倉庫，需要同時滿足兩個方面的條件：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輸?shù)酵獠?。在DDR上，使用了2bit預取，相當于庫房每次可以存取2件貨物，同時DDR數(shù)據(jù)總線可以同時存或者取貨物（SDRAM同時間內只能發(fā)或者收，因此相對速度慢了一倍）。在DDR3上，倉庫運輸能力隨著頻率而大幅度提升，以DDR31600為例，倉庫的運輸速度（I/O總線時鐘頻率）達到了800MHz，每個時鐘周期可以同時收發(fā)數(shù)據(jù)，恰好滿足倉庫本身200MHz、8n預取帶來的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，預取在已經達到8 n的情況下難以進一步提升。業(yè)內專家想出了新的辦法：針對目前一個倉庫只配備一個內部存取中心的做法，如果將一個大倉庫分拆開來，分為兩個或者四個小倉庫，為每個小倉庫都配備一個內部存取中心的話，會怎么樣？當數(shù)據(jù)來臨時，會被分為兩份或者四份分別存入這四個小倉庫，這相當于直接將速度提升了兩倍到四倍之多。 GDDR 5就是這樣做的。它在內部設計了Bank Group架構，每個Bank Group可以獨立讀寫數(shù)據(jù)，這樣一來內部的數(shù)據(jù)吞吐量大幅度提升，可以同時讀取大量的數(shù)據(jù)，內存的等效頻率在這種設置下也得到巨大的提升。 如果內存內部設計了兩個獨立的Bank Group，相當于每次操作16bit的數(shù)據(jù)，變相地將內存預取值提高到了16n，如果是四個獨立的Bank Group，則變相的預取值提高到了32n。與之而來的代價是內存內部設計上的復雜性增加，但好處也同樣明顯，那就是延遲不會有太明顯的提高。因為這樣的技術只是將內存內部的結構做出優(yōu)化設計，并沒有直接提升最根本的數(shù)據(jù)預取值，相當于組建了內存內部的多通道，預取值理論上和之前的設計完全一樣。 事情還沒結束，問題又來了：倉庫本身在拆分后，倉庫數(shù)據(jù)存儲能力大大提高，那么運輸速度呢？如果I/O總線的速度不能大幅度提升，空有倉庫的運轉能力但運輸跟不上也是一場空。在GDDR 4上，雖然提升了預取值到8n，但是I/O總線沒有徹底更新，和GDDR 3的總線相當，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設計了兩條I/O總線，每時鐘周期可以同時收發(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，內部可以支持2個或者4個Group，能夠同時對這些Group進行操作。就像上文描述的那樣，Bank Group帶來了DDR4內部數(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，肯定不會有如此幅度的性能提升。 總的來看，憑借Bank Group的設計，DDR4獲得了非常大的發(fā)展空間，這是技術型產品需要長期發(fā)展不可或缺的重要內容。只有在未來有持續(xù)的發(fā)展空間，DDR4才能在3～5年中對未來計算帶寬提供足夠支持。?
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