明天今天的內在選擇

法定繼承人DDR5

要說到DDR5，必須首先明確一個問題。它與目前主流的DDR5顯存，即GDDR5并不是一回事雖有一定的血緣關系，但關系已經相當遠了。DDR5是從目前主流的DDR4發展而來。但GDDR5卻是從DDR3進化而來的。此外還有另一個發展路線上的低功耗產品LPDDR5。雖然技術有些關聯，但主要面向移動、集成市場（圖1）。

DDR5的規范其實在2016年就開始規劃，也就是說DDR4剛剛開始走上正軌。廠商們就在籌劃下一代內存了。這一規范主要由三星提出、美光參與。具體性能方面。規劃中的DDR5從3.2GHz等效頻率起跳，主流頻率會達到6.4GHz，容量則為16GB起跳電壓1.1V。而從目前公布的一些DDR5顆粒來看。似乎廠商有意直接出貨6.4GHz左右的高頻產品（圖2），與目前已經進入主流價位的DDR 43×00內存拉開檔次。

微小的進步和出色的兼容性

總體來看，DDR5其實就是等效頻率翻倍的DDR4，而其翻倍的方式也和之前的DDR2、3、4一樣，利用了每個時鐘周期內電平的不同來觸發（圖3），在保持基礎頻率的基礎上可以獲得數倍的等效運行頻率。這樣漸進式的發展兼容性更好，是DDR5成為下一代標準的主要原因之，。

當然，DDR5已經需要在一個時鐘周期內觸發驚人的32次動作，所以需要非常精確地測量時鐘脈沖和電平，并且維持非常高的運行速度和穩定性。為此DDR5顆粒和內存條中也增加了一些新模塊、電路和算法，比如用來修正時鐘相位、減小時鐘誤差的相位插值/旋轉器（PhaseRotator），用來調整均分時間的延遲鎖定回路（Delay-Locked Loop），以及注入鎖相振蕩器（Injection LockedOscillator）和前向反饋均衡電路（FFE）等。很顯然，雖然DDR5沒有進行架構大改，但更復雜的電路及元件以及早期的良品率問題還是會明顯提升成本，所以預計其上市價格將大幅高于DDR4內存。

DDR6緊隨其后

作為DDR5最有可能的后繼產品，DDR6也已經初露端倪。這次的先行廠商是SK海力士，其開發的DDR6內存預期速率12GHz，即DDR6-12000，正好又是主流DDR5速率的兩倍。DDR6還可能采用更高的每周期數據傳輸能力等技術進一步提升性能，使其成為一次性能跨越較大的內存升級。根據媒體采訪透露出的信息，SK海力士預計DDR6將在5年～6年內發展完成，正式進入主流市場。

需要注意的是，SK海力士在研的“后DDR5”產品仍為技術概念，目前成型的主要有兩種，其中一種是延續現有的數據傳輸規范，另一種則是將DRAM與CPU等片上系統的處理技術結合。很顯然，后一種其實和目前HBM內存的使用方式很類似。

GDDR顯存與LPDDR內存

在內存規范中，很多人經常會被GDDR和LPDDR搞糊涂。其實GDDR基本與同代DDR沒有什么關系，而是有著自己的發展路線，只是有時會有一些交叉。比如GDDR2是DDR2內存的優化版本，而GDDR3內存基本上是原封不動照搬了DDR3顆粒，后續的GDDR4、GDDR5（圖4）、GDDR5X都是進一步優化的GDDR3（DDR3）。GDDR6（圖5）的變化更大一些，每個芯片配置了兩條x8/x16通道，而GDDR5僅有一條通道，此外電壓下降到1.35V，耗能降低了35%左右，因此獲得了和HBM甚至HBM2顯存一較高下的能力。同時其針腳數量也比GDDR5X有所減少，生產、使用都更方便。

當然與DDR內存顆粒相比，GDDR還是有一些改變的，比如修改了外部接口，使用更高的集成度，可以用更少的顆粒提供足夠的帶寬，但在一定程度上犧牲了延遲，R寸也略大一些。GDDR還會盡量提升運行效率，獲得更高的等效頻率，同時降低功耗。當然這些能力除了對架構、工藝的修改外，也是因為顯存利潤較高，所以廠商也更傾向于在GDDR顆粒的制造中投入更新的技術、制程。

至于LPDDR系列，則是（Low Power Double DataRate SDRAM，低功耗DDR內存）的簡稱，它們的技術、架構與同代DDR內存基本相同（圖6），但使用非常低的電壓，如LPDDR4使用1.1V電壓，使其功耗大幅降低。

需要注意的是，LPDDR和低電壓DDR內存如DDR3L也不一樣，其電壓更低，功耗也更小，因此平臺定位就完全不同，前者主要用于手機、平板電腦等設備，而后者則和普通DDR內存的應用方式基本相同，主要用于筆記本電腦，也大量用于臺式電腦中。

蟄伏的HBM

除了DDR5，目前已經很成熟的內存技術還有HBM（高帶寬內存），它在高端顯卡上的表現也很搶眼。為什么來自CPU大廠AMD，并且早就宣布過要進軍PC內存市場的HBM，卻遲遲沒有真正的動作？它又會不會借著第二代產品HBM2的成熟和本次PC內存的升級進入內存市場呢？要理解這些問題，咱們先得了解HBM內存及其特點。

顧名思義，HBM內存最大的特色就是位寬特別高，可以在較低頻率下實現很高的數據傳輸率。如果以道路進行比喻，那么DDR內存就是通過不斷提高車速來換取更快的數據運輸速度，而HBM則是把路盡量拓寬，通過并行更多的車輛來換取更大的數據運輸量。HBM的封裝構造也和DDR內存完全不同，是多層顆粒層疊放置（圖7），所以體積可以做得很小（圖8）。

日日M內存的問題也恰恰在于它的工作方式，由于帶寬非常大但頻率相對較低，所以與核心連接的線路更復雜、對延遲的敏感度更高。要用HBM做PC內存的話，內存插槽與處理器接口間就必須盡量接近，而且線路非常復雜密集;而如果像GPU一樣把它直接做在CPU封裝內（圖9），就要放棄內存插槽，這都需要對主板結構進行大改。

另外的問題來自CPU，HBM能用于GPU的原因是現在GPU顯存位寬都很大，主流產品192bit起步，使用HBM內存的Vega 64（010）和Titan V更達到了2048bit和3072bit。但目前主流CPU的內存控制器只能使用128 bit雙通道，根本沒法充分利用HBM的高帶寬，甚至還限制了可用的內存容量。

HBM仍需機會

DDR內存終歸是一種改進式產品，速率一直加倍、加倍就需要越來越精細地控制、識別時鐘電平，稍微有一點波動就會造成頻率不穩，長遠看來必然難以為繼，這也是為什么在“后DDR5”時代的內存開發中，出現了類似HBM的與CPU集成的方案。

筆者認為，HBM或者更新架構的內存無疑是未來的發展方向，不過這需要處理器、主板甚至整個PC架構大改，因此仍需要等待機會。

目前看來，HBM的機會主要有兩種，一是遇到了非常強力的推手，例如支持HBM，同時具有劃時代意義的處理器及相應平臺。但在目前已知的下一代產品如第三代銳龍、Sunny Cove中，都沒有確認會支持HBM，而且它們似乎都沒有采用超高內存帶寬的設計，應該也無法發揮HBM的能力。

二是DDR模式的漸改方式出現問題，過高的頻率和過于精細的分頻讓DDR內存變得非常不穩定，或者需要添加更多額外的元件、電路，使得成本無限制地上漲。此時HBM或其他類型的內存，以及新的PC架構就會占有成本優勢，進而成為新的主流。

目前的內存選購策略

從目前的情況可以判斷，兩種淘汰DDR內存的機會最近都不會出現，所以DDR內存的生命還是相當長的。對準備裝機的用戶來說，并未商品化的DDR5也無需等待，從平臺支持和自身的成本來看，它大規模取代DDR4內存估計要到2022年了，近期公布的處理器如銳龍300和X570芯片組即使開始支持DDR5，也必然會保留對DDR4的支持，且主流主板肯定也會有DDR4插槽的。

徹底革命新的內在方式

作為目前電腦中的主力通信協議，PCle的歷史已經很長了，即使是PCle 3.0也有著近10年的歷史。這在電腦設備標準中是比較少見的長壽了。而從PCle 1.0到3.0，雖然每一代的帶寬只提升為兩倍（圖11），但實際體驗卻有很大的區別。

以顯卡為例，一代PCle可以很好地支持早期GPU，PCle 2.0時代可以讓顯卡配合處理器進行異構運算，PCle3.0足夠的帶寬讓雙顯卡并聯完全可以不用橋接器。另外比如現在流行的高速M.2 SSD，也只有在單通道達到1GB/s的PCle 3.0時代才能拉開與SATA接口的差距。

那么PCle 4.0呢？現在的RTX 2080 Ti已經把PCle 3.0×8的帶寬吃得干干凈凈，實際帶寬需求在PCle 3.0×10左右（圖12）。所以不用等下一代顯卡，現在RTX 2080 Ti SLI（8+8）或者RTX未來的頂級Titan型號就已經需要更大的帶寬了。此外使用PCle 4.0的SSD性能也非常強，傳輸速度已經可達到6.4GB/s級別（PCle 4.0×4），而且已經有用于服務器中的產品（圖13）。

然而這些傳統應用并不是PCle 4.0帶來的最大改變。其實我們計算一下就會發現，PCle4.0×16插槽的帶寬已經達到了32GB/s，接近雙通道DDR4 2400內存（38.4GB/s）的帶寬，完全是內存級別的傳輸速度。而在其上運行的3D Xpoint產品則擁有極強的潛力，目前已經可以提供遠超NAND，更接近內存的傳輸速度、相應延遲等指標（圖14）。

在目前已經大量使用PCle 4.0的服務器領域，英特爾已經推出了一種新形態的存儲架構，即將基于3D Xpoint技術的產品作為內存與SSD存儲之間的緩沖（圖15），可以大幅降低相應元件的壓力，同時大幅提升系統整體性能。甚至可以說英特爾最新的服務器芯片，在性能方面的提升已經開始依賴于這種新架構了（圖16）。

那么，與PCle 4.0搭配的3D Xpoint技術到底有何神奇之處，用于服務器的3D Xpoint產品與現在大家熟悉的用來加速硬盤的傲騰有什么不同呢？

改變格局的搭檔 3D XPoint

3D XPoint是一種由英特爾與美光（Micron）共同開發的存儲技術，雖然其具體原理和結構都仍在保密中，不過基本可以確定，它是一種使用電阻來標記數據狀態的新型存儲技術。由于電阻這種特性無需電荷來維持，所以其存儲的數據是“非易失性”的，也就是除非進行主動擦除，否則斷電之后數據仍然存在。