遠超DDR4,速度可達DDR5 6400 DDR5內存技術、產品解析

張平

內存是計算機技術的重要組成部分，經歷了長時間的競爭更替和路線選擇之后，PC內存技術被穩定在以DDR技術為基礎的發展路線上。從DDR到DDR2、DDR3，今天主流的內存已進化至DDR4。樂觀估計，DDR5將從2019年起降臨市場，成為全新一代內存技術方案。相比現有產品，DDR5帶來了更高的帶寬、更大的容量和更出色的安全性。正所謂“長江后浪推前浪”，在DDR5正式降臨之前，請跟隨本文一起來了解一下它的技術特點和產品特性吧！

什么是Bank（數據塊）和Bank Group（數據組）？

有關Bank和Bank Goup的設計，DDR5實際上是沿襲DDR4的設計方案，但是在內部并行程度和預取值、總線方面進行了深入的改進。本刊在2013年介紹DDR4內存時已經詳細解讀過Bank和Bank Goup的內容，在這里簡要回顧一下以饗讀者。

內存的物理頻率受制于其工作原理是基本沒有太大的提升空間的。從sDRAM時代到現在，內存的物理頻率一直都在100MHz-266MHz這個不大的范圍內運行。人們提升實際的數據帶寬，依靠的是頻率之外的手段。DDR內存采用的是在時鐘上下沿傳輸數據，預取值提升為2，數據傳輸頻率相當于達到了SDRAM的2倍，因此才有了DDR 266，DDR 400等經典型號（其實際頻率依舊運行在133MHz和200MHz這樣的水平）。在DDR2時代，預取值進一步提升到了4，數據傳輸頻率再度提升。在DDR3時代，內存的預取值就已經提升到了8n。一般來說，更大的預取值可以在一次傳輸中傳輸更多的數據，但是同時也帶來了更長的延遲。因此，在隨后的DDR4時代，預取值并沒有進一步提升到16n，而是繼續采用了8n的方式，但是通過全新設計的I/O總線和新的Bank Goup，也帶來了性能的翻倍提升。

那么，Bank Goup是如何帶來存儲能力提升的呢？舉例來說，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不同的，倉庫的存儲能力，包含存儲容量和存取速度;倉庫的運輸能力是指如何盡可能快地將數據傳輸到外部。以DDR3為例，在8n預取的情況下，一次存儲8bit數據，即使以100MHz的物理頻率來衡量的話，其名義的數據存儲頻率都提升到了800MHz。但是物理頻率上升總有限度，DDR3的規格在提升到DDR3 2133之后，就變得難以為繼了。

在DDR3時代，繼續提升倉庫的存取速度遇到了難題，尤其是預取在已經達到8n的情況下難以進一步提升。專家們的辦法是：針對目前一個倉庫只配備一個內部存取中心的做法，如果將一個大倉庫拆分開來，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？當數據來臨時，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。

對應到產品上來，從DDR4開始，DDR內存在內部設計了BankGroup架構，每個Bank Group可以獨立讀寫數據，也可以根據需求配置為不同的容量。這樣一來內部的數據吞吐量大幅度提升，可以同時讀取大量的數據，內存的等效頻率在這種設置下也得到巨大的提升。在DDR4中，一般會設置2個Bank Group，每個Bank Group都執行8n的預取讀寫，相當于變相實現了16n的預取值，大幅度提高了數據傳輸性能。

為什么需要DDR5內存

內存的帶寬一直是人們關注的重點話題。在之前單核心和多核心時代，人們只需要不斷地提升內存的數據傳輸帶寬就能夠提升CPU獲取數據的能力。不過隨著多核心和超多核心處理器的廣泛使用，CPU尤其是單個CPU核心的數據獲取能力難以增長，甚至陷入了停滯的地步。

美光科技公布了一些資料顯示，從2000年到2019年，內存的系統帶寬是大幅度提升的，大約從1GB/s迅速提升至目前的接近200GB/s，但隨之而來的是整個系統的處理器核心數量大幅度提升。系統從早期的單核心、雙核心系統，已經迅速發展至目前一個系統中最高可以超過60個處理器核心。值得注意的是，在超多核心處理器的系統中，每個處理器內核的可用帶寬是嚴重不足的。舉例來說，現有的DDR4內存速率極限大約在4200MT/s，即使使用8通道內存，其帶寬也不會超過270GB/s，如果系統有64個核心，那么每個核心可以分配到的內存帶寬大約是4GB/s左右。即使翻倍采用16通道的內存控制器，每核心內存帶寬僅為8GB/s。相比之下，目前主流的4核心桌面電腦在搭配雙通道DDR43200內存（總帶寬大約在50GB/s左右）時，每顆核心可以獲得約12GB/s的內存帶寬，高了約50%。

實際上，從2010年-2012年多核心處理器流行開始，每個處理器內核的平均內存帶寬數值是逐漸下降的。為了應對這樣的情況，廠商不得不采用更多的輔助技術來保證處理器在數據帶寬難以提升的情況下進一步提高性能，包括重新優化內存讀取機制，采用更大的緩沖區設計（更大的緩存）等，當然這些設計都只是治標不治本，內存帶寬的提升才是根本。

如果要進一步提升內存帶寬，目前的DDR4技術就顯然不夠看了。正如前文所說，DDR4技術的數據傳輸速率極限值大約是4200NT/s，一般可用的速率大約在3200MT/s左右。現在市場上已經有大量類似的產品出現，DDR4已經基本抵達了技術壽命末期，產品帶寬難以進一步提升。在這種情況下，采用更新的技術實現更大的帶寬，就顯得理所當然了。

基本不變的是外形——DDR5芯片和產品形態

JEDEC目前已經公開了有關DDR5的一些規范和信息，但是由于這些內容并非最終版本，因此可能和實際產品不同。不過部分廠商已經提前發布了DDR5內存的消息，后文還有具體的產品介紹。

首先來看產品外觀形態。已知消息顯示DDR5內存條的最終外觀和DDR4基本相同，只是在防呆口上有所差別。防呆口的差異化設計可以避免用戶將DDR5內存錯誤地插入其他類型的插槽。在針腳方面，DDR5的針腳數量依舊是288個，針腳寬度為0.85mm，和現在的DDR4維持一樣的水平。雖然針腳數量舊同，但是DDR5由于帶寬更高、數據的讀寫方式發生變化等原因，因此針腳定義和DDR4存在很大差異，無法做到向下兼容。

除了DIMM外觀外，JEDEC也給出了DDR5顆粒的引腳排布方式。目前JEDEC：展示的DDR5顆粒全部采用BGA的方式封裝，擁有三種數據寬度，分別是x4、x8和x16。所謂數據寬度，是指內存一次可以讀取的數據倍數，比如x8的產品擁有8個數據緩沖，可以一次性處理8組數據。在DDR5上，x4和x8類型的顆粒擁有13列觸點，每列觸點分為2組左右對稱排列，一組有3個觸點，總計13x3=39個觸點，觸點之間的間距為0.8mm。相比之下，x16類型的顆粒，擁有16列觸點，每列是6個共兩組。同時JEDEC也提到一些額外的觸點將用于保證芯片焊接后的力學性能，因此同為x16類型的顆粒，還有一種加強的版本，觸點列數會更多一些，達到了22列之多，不過第一列和最后一列一般用作機械固定，另外的第2、3、20、21四列空余。

徹底改變的是內心——DDR5的技術亮點

從上文介紹來看，DDR5的產品無論是顆粒還是最終的內存條，外觀上相比DDR4可能改進并不大。不過這并不意味著DDR5的技術亮點會減少。實際上，DDR5在技術上做出了很多重大變化，進一步提升了數據傳輸的性能。

從原理上來看，DDR5是一種高速動態隨機存儲器，由于其DDR的性質，依舊可以在系統時鐘的上升沿和下降沿同時進行數據傳輸。和DDR4一樣，DDR5在內部沒計了Bank（數據塊）和Bank Group（數據組）。以8Gb顆粒為例，可以被配置為16個數據塊和8個數據組（每個數據組由2個數據塊構成），此時能夠運行DDR5的x4或者x8配置。同時它也可配置為8個數據塊和4個數據組，實現DDR5的x16配置。當存儲顆粒密度變得更高時，比如單片顆粒16Gb，此時顆粒內部擁有32個數據塊，可以采用8個數據組、每組4個數據塊的方式實現x4和x8配置，或者4個數據組，每組8個數據組，實現x16的配置。

和DDR4相比，DDR5在數據塊和數據組的配置上更為寬裕。在DDR4產品上，數據組的數量最高限制為4組，一般采用2組配置。在DDR5上，數據組的數量可以選擇2組、4組到最高8組的設計以適應不同用戶的不同需求，并且還可以保證Bank數據塊的數量不變。這意味著整個DDR5的Bank數量將是DDR4的至少2倍，這將有助于減少內存控制器的順序讀寫性能下降的問題。

除了數據組翻倍外，在預取值方面，DDR4時代對16n預取帶來的高延遲擔憂終于在DDR5上得到徹底的解決。DDR5采用的預取值正是16n，比DDR4和DDR3采用的8n預取值翻倍。此外，DDR5還加入了不少新的設計，包括寫模式命令下，DDR可以轉換為不跨總線發送數據，在減少總線壓力的同時還節約電能;增強的PDA模式通過為每個DRAM分配唯一的PDA枚舉ID，可以僅使用CA接口對每個DRAM進行尋址，后續不再需要DQ信號來決定選擇哪個DRAM進行操作等。

除了上述有關DRAM顆粒的相關技術內容外，DDR5還存在一些其他的設計用于增加帶寬。其中比較重要的共點是DDR5 DIMM上能夠支持2個獨立的40bit（32bit+ECC）通道。簡單來說，這樣的設計相當于DDR5 DIMM內存本身就采用了雙通道傳輸，兩個通道可以同時讀寫數據。當然，由于CPU內存控制器的限制，其實際物理帶寬并沒有增加，但是靈活度的大幅度提升依舊可以在一些場景下帶來顯著的性能增益。比如DDR5 RAM中支持新的默認突發長度為16的BL16技術，可對內存中64Bit的數據進行直接訪問，這是典型的CPU高速緩存線的大小。當這類命令執行時，傳統情況下將徹底占據內存的所有帶寬直到結束。但是在DDR5上，這類命令現在只占據2個獨立通道中的一個如果數據存在在另一個通道控制的內存部分，依舊可以自由存取數據。另外，DDR5的ADD/CMD總線將采用片上終端設計這將使得信號更為清晰，并且在高速率下提高數據傳輸的穩定性。

根據美光的數據，在采用了上述設計之后，即使是相同的數據傳輸速率，比如同為3200MT/5的DDR4 3200和DDR5 3200、8通道配置下，后者的速度依舊達到了前者的1.36倍之多。在實際測試中，DDR4 3200在8通道配置下的有效數據帶寬為134.3GB/s，而DDR53200在同樣場景下則高達182.5GB/s。

能耗方面，DDR5電壓更低、更為節能。目前DDR5的產品主要采用10nm甚至7nm工藝生產，其電壓可低至1.1v。相比之下，DDR4產品的標準電壓為1.2v，但實際產品多為1.35v，甚至一些超頻版本的內存電壓為1.5V。DDR5在這方面的表現應該是值得期待的。

在電源穩定性方面，DDR5內存支持在DIMM上加入了穩壓器和電源管理IC。這主要是考慮到在服務器環境下大容量和高速度的DDR5顆粒對電源純凈度的需求。根據JEDEC的數據，DDR5的電壓波動范圍允許值不高于3%，也就是每次波動不得超出正負0.033V，這將考驗主板廠商的設計能力。對高端內存和敏感環境而言，JEDEC建議廠商在內存上集成自己的電源擭塊，這無疑會提高DDR5內存的成本，但是考慮到這類應用環境，這樣的設計還是值得的。不過，受成本所限，消費級產品上不太可能看到這樣的設計但在一些面向發燒友的頂級DDR5內存上，可能會出現自帶專用電源的解決方案。

單芯片32Gb、數據傳輸速度可超過6400MT/s——DDR5的容量和速度

內存的發展不僅僅關注的是速度，容量也是非常重要的話題。尤其是隨著AI計算、云計算等平臺的興起，大量數據的處理需要更大的內存容量才能更快速地完成。目前的服務器內的內存安裝空間有限，因此內存廠商往往需要生產更高容量的單條內存才能滿足用戶需求。在內存容量的擴大方面，DDR5在規范中就允許通過添加內部ECC來支持更大容量的內存顆粒。此外DDR5還允許用戶優化內部的分段設計和時序設計來實現更大容量、更高性能的內存，再加上全新的10nm以及以下工藝的使用，以及堆疊技術的應用，DDR5有可能帶來單片32Gb的DDR5顆粒，這樣單內存條支持的內存容量有可能提升至64-128GB。

容量之外來看規格，目前DDR5的內存規格從DDR5 3200起跳，最高可到DDR5 6400，典型型號包括DDR5 3200、DDR5 3600、DDR5 4000、DDR5 4400、DDR5 4800、DDR5 5200、DDR5 5600、DDR5 6000以及最高端的DDR5 6400。不過這個規格只是JEDEC的官方標準，考慮到DDR4目前已經有DDR4 3200乃至DDR4 4000的產品出現，因此DDR5內存突破標準應該只是時間問題。

在看了這樣繁花似錦的數據后，還是有一些壞消息傳出。美光對DDR5在8通道配置方案下不同核心數量處理器能夠分到的平均帶寬進行了研究，發現即使是DDR5 6400采用8通道配置，在目前的超多核心服務器產品上，處理器核心平均帶寬依舊受限。根據美光的數據，DDR4 3200內存8通道方案的實測帶寬為134.3GB/S，在24核心配置下，CPU平均帶寬只有5.6GB/s，更多的64核心配置時僅有2.1GB/s，基本上難以“喂飽”核心需求。在換用了DDR5 6400，并同樣采用8通道方案后，實測帶寬達到了298.2GB/s，對64核心處理器而言，單個核心平均帶寬依舊是4.66GB/s，還是很難滿足處理器幾乎無止境的性能需求。考慮到DDR5、8通道已經是目前單路系統可以做到的帶寬上限，因此內存的發展還是任重而道遠的。

百花齊放——多款DDR5產品釋出

目前JEDEC的DDR5最終規范還沒有釋出，但這也擋不住國際大廠的熱情。目前多家廠商都公布了自己的DDR5產品路線圖和規劃。考慮到DDR4內存價格的大幅度下跌，已經進入產品生命的末期，因此全新產品的上市、高昂售價帶來的豐厚利潤自然能讓廠商們興奮異常了。

根據路線圖來看，目前全球DRAM廠商中，包括三星、美光、SK現代、南亞等廠商都提出了DDR5產品規劃。其中三星、美光和現代已經展示了自家旗下的DDR5顆粒，并開始小批量出貨。業內估計DDR5相關產品將在2019年開始逐漸進入市場，一開始主要面向高端定制型客戶。DDR5產品真正的大規模爆發應該在2020-2021年，此時英特爾或AMD都應該推出了支持DDR5的全新平臺，消費級市場和高端市場在此時將全面切入DDR5時代。到2022年，DDR5應該占據大約25%的市場份額，超越DDR4成為市場主流。鑒于目前各大廠商都在積極推廣自家的DDR5內存，本文也將這些信息收集起來匯總給大家展示。

美光：最早展示DDR54400樣品

美光作為存儲芯片大廠，在技術展示上向來非常積極。在2018年5月，美光就聯合Cadence展示了DDR5內存和內存控制器的樣品。

Cadence是全球頂尖的EDA廠商，本次推出的DDR5相關IP產品也是配合JEDEC即將發布的DDR5內存而來。Cadence的DDR5內存控制器測試芯片采用了T5MC的7nm工藝制造，搭配的內存則是美光的DDR5 4400 8Gb顆粒。當然，在這里Cadence的主要目的是銷售DDR5的內存控制器的相關知識產權給那些計劃使用DDR5內存但是沒有開發能力的廠商，這也是長期以來EDA廠商的利潤來源之一。

由于展出時間過早，因此整個產品依舊是以開發板的形式完成，可看內容不算很多。美光和Cadence展示了一個紅色的主板，上面焊接了四顆圍繞著DDR5內存控制器布局的DDR5顆粒。由于是測試版本的原因，內存控制器上還覆蓋了小小的風扇。這類產品最終可能會被集成在CPU甚至手機SoC中，肯定是無需風扇登場的。在談及DDR5產品時，Cadence認為2019年DDR5產品的相關需求就開始出現，2020年相比2019年會翻倍，2022年就會超越DDR4。另外，Cadence還認為諸如HMB、GDDR6等芯片也會在未來被廣泛應用在GPU之外的產品上，這是一個新動向。

SK海力士：DDR5內存條搶先上線

SK海力士在2018年11月就推出了DDR5內存的樣品。這款內存采用的芯片容量為16Gb，SK海力士宣稱其完全按照JEDEC的DDR5規范開發（雖然現在也沒公開）。

SK海力士的這款DDR5產品規格為DDR5 5200，工作電壓為1.1v，采用了SK海力士的第二代10nm工藝制造（這個工藝也被稱為1Ynm），16Gb的芯片尺寸和功耗等參數沒有公開。SK海力士宣稱旗下還將推出8Gb、16Gb、32Gb等不同規格和頻率的DDR5顆粒，頻率范圍從3200MT/s到6400MT/s。

除了顆粒外，SK海力士還帶來了全球首款DDR5 DIMN內存。從外觀上來看，這款內存的外觀和DDR4極為相似，但是防呆口設計經過了改變，避免和DDR4內存混淆。插槽設計上依舊采用了彎曲邊緣設計這樣做可以減少插入和拔出的阻力，使得內存更容易插取。SK海力士宣稱這款DDR5 5200內存可提供41.6GB/s的帶寬，并且產品本身已經提交“主要芯片組制造商”測試和開發了。容量方面，SK海力士沒有表示，不過單面產品顯示出有左右各有5顆DDR5 DRAM顆粒。這款產品的具體容量未知，如果按照8Gb每顆粒計算，內存單片貼片，實際容量應該是10GB，雙面貼片的話則是20GB。內存中央還采用了一顆RCD芯片廠商未知。所謂RCD芯片，是指內存上使用的寄存器時鐘驅動器（RCD）芯片，其主要作用是作數據緩沖，起到內存數據和總線管理的作用。

除了2018年11月的展示外，在2019年2月，SK海力士又在國際固態電路會議上展示了旗下DDR5內存的相關開發進度。這次SK海力士帶來的是最高端的DDR5 6400芯片的相關情況。SK海力士展示的是一款容量為16Gb的DDR5顆粒，有32個Bank和8個Bank Group，其接口傳輸速率為6400MT/s，電壓依舊是1.1v，制造工藝也是之前介紹過的1Ynm，其內部具有四個金屬層，芯片封裝尺寸為76.22平方毫米。76.22平方毫米是什么概念呢？作為對比，SK海力士第一代21nm工藝的8Gb DDR4芯片的尺寸為76平方毫米，第二代21nm的產品尺寸則縮減至53.6平方毫米。對比之下可以看出，SK海力士在高密度DDR5芯片的制造上已經有了長足進步，這將幫助5K海力士在早期推出較低成本的DDR5芯片以獲得市場青睞。

在技術方面，SK海力士宣稱為了減少由于高頻率帶來的時鐘抖動和時鐘占空比失真，SK海力士設計了全新的延遲鎖相環DLL技術。此外，這款芯片還加入了經過改良的正向反饋均衡電路FFE和新的寫入級別訓練方法等，最終達到了如此高的傳輸頻率。

三星：另辟蹊徑展示LPDDR5

和5K海力士以及美光展示DDR5相關產品不同的是，三星在2018年7月展示了LPDDR5顆粒。相比DDR5內存而言，LPDDR5的基本技術原理和其類似，但是面向移動設備，在總線位寬、功能設計上做出了一些妥協，更注重高性能功耗比和低功耗、小尺寸。三星成功拿下了首個展示LPDDR5技術的桂冠。

三星展示的產品采用10nm工藝制造，容量為8Gb，其數據傳輸速率為6400Nb/s，是目前使用的LPDDR4X的大約1.5倍。另外，三星還加入了大量的能耗控制技術，包括深度睡眠模式等，根據三星的描述，這些新技術將LPDDR5的功耗降低到現有LPDDR4X“空閑模式”的大約一半。三星計劃在2019年就開始向市場推廣這款產品。

DDR5時代即將到來

從本文的介紹來看，DDR5內存目前發展已經萬事俱備，只欠東風了。在消費級市場，只要英特爾、AMD、高通等廠商準備完畢，DDR5家族的產品就可以正式上市，成為筆記本電腦、臺式電腦或者移動設備的重要數據存儲中心之一了。從技術角度來看，DDR5解決了DDR4上的諸多問題，將數據傳輸帶寬大大向前拓展了一步，甚至為未來DDR產品打下了基礎。從市場角度來看，2019年將是DDR5的誕生之年，2021到2022年DDR5產品將大量上市，2022年終將成為市場主流。技術一代換一代，江山各有人才出。我們希望伴隨著DDR5到來的是更好和更快的使用體驗，以及更令人振奮的計算時代。