還能再快點DDR5來臨前這些你要懂

Overlord

很多年前，電腦裝機還是標準的十三大件，而現在很多設備都已經成為板載的形式存在，裝機的配件數量也大幅度減少了。除了CPU、主板、硬盤之外，仍必不可少的便是內存了——要知道即便是顯卡，也有CPU核顯可以替代，小小的內存卻一直獨立存在（部分筆記本帶有板載內存，但仍是物理上的獨立存在）。而且聽起來都是個“存”字，很多電腦用戶實際上并不是非常清楚內存和硬盤存儲的區別，所以有時候會有笑話“我的內存是128TB的，硬盤是16GB”。那么，內存究竟是什么，為何如此重要？這個小小的條狀物又是如何工作的呢？

“我”不是臨時工！

內存究竟是什么？恐怕很多讀者并沒有深究過它的作用和意義吧？內存的英文是Memory，也被稱為內存儲器和主存儲器，其作用是用于暫時存放CPU中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲器交換的數據。 只要計算機在運行中，操作系統就會把需要運算的數據從內存調到CPU中進行運算，當運算完成后CPU再將結果傳送出來，內存的運行狀態也決定了計算機的是否能穩定運行。

具體來說，我們都知道CPU處理數據、命令的能力非常出眾，但是需要不停地接收新的指令和“要求”才能有的放矢。而海量的數據又都存儲于硬盤之中，CPU在工作的時候就必須等待硬盤把數據“貢獻”給CPU。當然受限于硬盤自身的讀寫能力，其提供的數據量對比CPU的處理能力少之又少，哪怕是今天我們看到的PCIe 4.0規格的NVME固態硬盤，也遠遠不能滿足CPU的計算能力，這時就需要內存作為一個“協調者”的角色出現了。

CPU的工作流程大致分為三個步驟，第一個是讀取指令，即接收指令需求;第二個是翻譯指令，將發送過來的指令需求“翻譯”;第三步，則是發送信號執行翻譯過的這些指令。在第一步讀取指令的時候，CPU并非直接讀取硬盤發送過來的數據，因為那“太慢了”，CPU調取的是從硬盤發出并暫存于內存中的指令，這些指令會被寫入指令寄存器（CPU）中以供后續使用。

或者我們“調過頭”來看，硬盤存儲著我們的程序、數據，當我們雙擊某個程序圖標的時候，CPU首先接收到我們的命令，然后CPU就會告訴硬盤，運行你保存的程序1，并且把程序1發送到內存中。然后CPU又會和內存說，我已經“命令”硬盤把程序1送到你這里了，你要暫存一下，等程序1的必要數據命令被硬盤傳送到內存后，CPU會將其調入到自己的寄存器中，然后執行程序1。

內存遠沒有你想得那么簡單

我們剛剛了解了內存的基本作用，但是內存是不是因為是個“臨時工”，它沒那么重要呢？在厘清這個問題前，我們還需要了解一下內存究竟是什么。

談到存儲通常我們都會聽到這樣的英文簡稱“ROM、R AM”。所謂ROM，全稱為Read Only Memor y，即只讀存儲器，簡言之，它只能被讀取，而不能被寫入。但是，它在斷電后依舊可以“記住”信息，不會丟失任何數據。當然了，ROM其實是一個統稱，它也細分稱集中不同的類型。比如PROM，這是一種可編程的ROM，它可以通過特殊方式寫入數據，但是只是一次性的，寫入后就不可更改。

另一種則是EPROM，即可擦除可編程ROM，它的寫入原理是通過紫外光的照射擦出原先的程序。最后一種是EEPROM，它是EPROM的“升級版”，不同之處是采用電子擦寫的方式而不是紫外光照射，并且寫入時間很長，寫入速度也很慢。另外，我們熟知的NAND FLASH——就是固態硬盤使用的存儲顆粒，本質上也屬于ROM的一員。

而RAM則是隨機存取存儲器（Random Access Memory），它的作用是負責直接與CPU交換數據，能夠隨時讀寫，而且速度非?？臁５?，當電源關閉時RAM不能保留數據，如果需要保存數據，就必須把它暫存的數據寫入到一個存儲設備例如硬盤中。我們電腦上使用的睡眠功能，就是通過將內存暫存的數據寫入硬盤，用以喚醒后快速恢復狀態設計而成的。RAM和ROM相比，兩者的最大區別是RAM在斷電以后保存在上面的數據會自動消失，而ROM不會自動消失，可以長時間斷電保存。

同ROM有很多細分種類一樣，RAM大體也分為兩類，即SRAM（靜態隨機存儲器）和D R AM（動態隨機存儲器）兩種。SRAM（Static RandomAccess Memory，靜態隨機存儲器），它是一種具有靜止存取功能的內存，不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據。優點是速度快，不必配合內存刷新電路，可提高整體的工作效率。缺點是集成度低且功耗較大，相同的容量體積較大（需要靠超大規模集成電路解決），因而成本昂貴，只能少量用于關鍵性系統（例如CPU緩存）以提高效率。

前面我們也說到了內存的作用，某種程度上講它也算一種“緩存”，不過當它暫存的數據發送給CPU的時候，CPU內部也需要緩存來緩沖，這個緩存就是基于SRAM而生的。CPU的緩存和主內存之間信息的調度和傳送是由硬件自動進行的，不需要操作系統的干預和“指導”。除了超高的速度，CPU緩存的重要技術指標是它的“命中率”?？梢赃@樣理解：CPU的緩存作為內存局部區域的一個副本，用來存放當前最活躍的程序和數據，它利用程序運行的局部性，把局部范圍的數據從內存復制到緩存中，使CPU直接高速從緩存中讀取程序和數據，從而解決CPU速度和內存速度不匹配的問題——顯然，從硬盤保存的數據到CPU計算，為了協調匹配速度的一致性問題，就必須使用多重方式來緩沖保（暫）存數據、命令。

除了SRAM，RAM里的另一類就是我們的主角內存了。DRAM（DynamicRandomAccessMemory，動態隨機存儲器）是現今最為常見的系統內存，無論是DDR還是DDR5都屬于DRAM范疇。DRAM只能將數據保持很短的時間。為了保持數據，DRAM使用電容存儲，所以必須隔一段時間“刷新”一次，如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失，所以內存也有另一種稱謂“易失性存儲”。

從EDO講起

在中國普及電腦之時，EDO內存才是主角。EDO內存全稱是E x tended DateOut RAM，中文為擴展數據輸出存儲器，這其實是Micron公司的專利技術，而且這種內存分為72線和168線兩種規格，并且帶寬只有32Bit，因此必須成對使用，采用5V電壓（DDR4為1.2V電壓），速度為40ns（納秒），一般容量都在4MB至16MB之間。

它的出現實際是為了配合支持16Bit（現今電腦為64Bit）的80486、Pentium CPU而生——EDO的“前輩”FPM內存速度無法跟上時代，只能讓位于EDO內存。FPM全稱為Fast Page Mode，它的工作方式是每3個時鐘工作周期傳輸一次數據，效率自然是非常之低。不過也正是由于FPM的出現，人們才會有內存條這個概念，因為再此之前，內存還是依附于主板之上的（但不是集成）。

EDO內存的工作模式其實和FPM非常相似，它取消了擴展數據輸出內存與傳輸內存2個存儲周期之間的時間間隔，在把數據發送給CPU的同時去訪問下一個頁面，故而速度要比FPM快15%～30%。

無論是EDO還是更早的FPM內存，他們都采用SIMM（SingleIn-line Memory Modules）接口，即兩側金手指傳輸相同的信號，早期的內存頻率與CPU外頻是不同步的，屬于異步DRAM設備，EDO內存本身的金屬觸點看起來和我們現在的內存別無二致，但是內存插槽卻有差異——金屬彈片一樣的接插口看起來十分容易損壞。

在上世紀90年代，EDO內存的普遍裝機容量維持在4MB至8MB之間，鮮有16MB的配置（服務器版內存可達256MB），對比今天動輒16GB、32GB的內存容量來說（當時的硬盤容量也不過剛剛邁入GB門檻），真是少得可憐。

EDO內存的最大問題在于運行速度，而且受限于自己的技術規格，提升速度的能力也極為有限，很快，它便被SDRAM取代了。

天價內存的開端SDRAM

內存技術一直在升級，其中一個比較重要的跨越就是從EDO到SDRAM。SDRAM（SynchronousDynamicRandomAccessMemory，同步動態隨機存取存儲器）也稱“同步動態內存”，都是168線、帶寬64bit、3.3V電壓，其工作原理是將RAM與CPU以相同的時鐘頻率進行控制，使RAM和CPU的外頻同步，徹底取消等待時間。SDRAM是在DRAM的基礎上發展而來，也屬于DRAM的一種，這里的同步是指內存工作需要同步時鐘，內部命令的發送與數據的傳輸都以時鐘為基準;動態是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數據不丟失;隨機是指數據不是線性依次存儲，而是由指定地址進行數據讀寫。

由于內存頻率與CPU外頻同步，這大幅提升了數據傳輸效率，再加上64bit的數據位寬與當時CPU的總線一致，只需要一根內存就能讓電腦正常工作了，這降低了采購內存的成本，在此之后，除了R AMBUS內存短暫出現過需要成對安裝的情況后，再無其他了。

第一代SDR SDRAM的頻率是66MHz，通常大家都稱之為P C 6 6內存，后來隨著Intel與AMD的CPU的頻率提升相繼出現了PC100與PC133的SDRSDRAM，還有后續的為超頻玩家所準備的PC150與PC166內存，SDR SDRAM標準工作電壓3.3V，容量從16MB到512MB，相比于EDO內存的容量可謂呈幾何狀增長。

在SDRAM的時期還經歷了歷史上第一次內存天價事件——由于內存產能出現嚴重不足，原本只需要百余元的128MB SDRAM短時間內暴漲身價，達到了1300余元，要知道那還是在20世紀90年代末到21世紀初的時期，這個價格堪比今日顯卡的天價，而且這個周期長達近一年之久，很多當年的電腦無奈都只能配備64MB的內存作為標配，一如當前i9 CPU+GT730 GPU的搭配方式。

SDRAM的存在時間也相當的長，Intel從奔騰2、奔騰3到奔騰4（Socket 478），以及Slot 1、Socket 370與Socket 478的賽揚處理器，AMD的K6與K7處理器都可以使用SDRAM內存。當1999年AMD推出K7架構，2000年Intel推出奔騰4處理器，兩家處理器的前端總線都在不斷攀升，最高只有133MHz的SDRAM再也無法滿足帶寬需求了，換代在所難免，不過問題是，繼承者究竟是誰呢？

巨星的隕落RAMBUS

正如前文所述，隨著技術發展，CPU對內存帶寬的需求越來越大，SDRAMPC133規格可以提供1064MB/S的帶寬，但是遠遠不能滿足新的Pentium4處理器需求，內存的變革迫在眉睫。選擇什么樣的技術路線才合適呢？在當時，具有市場優勢地位的Intel權衡利弊，選擇了RAMBUSDRAM內存，簡稱RDRAM。

RDRAM是由Rambus公司推出的一種新型內存，它與SDRAM不同，采用了新一代高速簡單內存架構，基于一種類RISC（Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集計算機）理論，可以減少數據的復雜性，使得整個系統性能得到提高。

為何Intel會選擇一個擁有專利，門檻頗高的內存規格來作為下一代內存標準呢？這是由于在當時唯頻率取勝是不二法門，誰的CPU主頻高誰就具有更好的性能表現。比如Intel Pentium 4采用的超標量流水線設計，其最大的特點就是頻率奇高，雖然因此執行指令的周期會更長（性能不佳），但奈何唯頻率致勝的Intel一門心思要保證自己的頻率高于競爭對手AMD。為了配合超高頻率的CPU，高頻內存也必須跟上，所以RDRAM內存幾乎成為了唯一的可選項。這是因為RDRAM內存以高時鐘頻率來簡化每個時鐘周期的數據量，因此內存帶寬相當出色，如PC 1066 1066MHz 32bit帶寬就可達到4.2G Byte/s，RDRAM也因此一度被認為是Pentium 4 CPU的絕配。

從本質上講，RDR AM內存的設計極為超前，而且擁有廣闊的發展空間，奈何兩大“昏招”讓它迅速歸于沉寂。其一就是IntelPentium 4不爭氣，超標量流水線設計讓它的頻率攀升，但是性能卻不升反降，效率非常底下。作為捆綁的RDRAM非常尷尬，有點無用武之地的感覺，而且平臺僅僅限于Intel 820、840、850芯片組主板;其二是專利門檻過高，內存制造商想要制造RDRAM就必須繳納一筆不菲的專利金（制造成本也極為昂貴），這無論是在EDO內存還是SDRAM內存時代都是不存在的事情，甚至時至今日的DDR 1～ 5內存也沒有發生過，這就造成了RDRAM的價格極為昂貴;其三，限于技術，RDRAM內存也必須成對使用！甚至在主板上，如果有4條內存插槽，除了要1、3或2、4這樣成對安裝內存之外，空余的兩個內存槽位都需要安裝終結器，使用非常麻煩。

最終，Intel的Pentium 4+RDR AM內存組合被AMD的K7+DDR內存擊敗，Intel也迅速轉頭支持DDR內存，擁有先進技術特性的RDRAM就此迅速在消費級電腦平臺上銷聲匿跡。

DR內存的崛起

在Intel為自己的Pentium 4強行推廣RDRAM的同時，一眾消費級I T廠商（包括內存廠商）也在尋找新的“替代品”——SDRAM受限于自身技術天花板，必須找到一個“免費（沒有專利限制）”性能還不錯的技術路線，于是，DDR內存誕生了。

嚴格意義上，DDR內存應該被稱作DDR SDR AM，所謂的DDR是DoubleData Rate的縮寫，全稱就是雙倍速率同步動態隨機存儲器。本質上DDR內存就是延續了SDR AM的基本技術特征，這樣做的好處顯而易見，第一對于內存廠商來說，無需專利金，且針對普通制造SDR AM內存的設備稍加改進就可以繼續生產D DR內存，成本控制非常出色;第二也是非常重要的，DDR內存可以為新世代處理器提供足夠的內存大帶寬。例如DDR 266/DDR333/DDR 400所能提供的內存帶寬分別是2.1GB/sec，2.7GB/sec和3.2GB/sec，雖然比不上RDRAM內存，但是對比SDRAM已經是非常出眾的成績了。

SDRAM在一個時鐘周期內只傳輸一次數據，它是在時鐘的上升期進行數據傳輸，DDR內存則是一個時鐘周期內傳輸兩次數據，它能夠在時鐘的上行和下行時各傳輸一次數據，因此稱為雙倍速率同步動態隨機存儲器。DDR內存可以在與SDRAM相同的總線頻率下達到更高的數據傳輸率。 對比SDRAM，DDR內存運用了更先進的同步電路，使指定地址、數據的輸送和輸出主要步驟既能獨立運行，又可以保持與CPU完全同步。

外觀上，DDR與SDRAM內存“長得很像”，他們具有同樣的尺寸和同樣的針腳距離。但DDR為184針腳，比SDRAM多出了16個針腳，主要包含了新的控制、時鐘、電源和接地等信號，另外就是在電壓上，DDR內存的工作電壓為2.5V，比SDRAM使用的工作電壓3.3V要低不少。

另外，從DDR內存開始，雙通道的內存技術也被引入。普通的單通道內存系統具有一個64bit的內存控制器，而雙通道內存系統則有2個64bit的內存控制器，在雙通道模式下具有128bit的內存位寬，從而在理論上把內存帶寬提高一倍。雖然雙64bit內存體系所提供的帶寬等同于一個128bit內存體系所提供的帶寬，但是二者所達到效果卻是不同的。雙通道體系包含了兩個獨立的、具備互補性的智能內存控制器，理論上來說，兩個內存控制器都能夠在彼此間零延遲的情況下同時運作。比如說兩個內存控制器，一個為A、另一個為B。當控制器B準備進行下一次存取內存的時候，控制器A就在讀/寫主內存，反之亦然。兩個內存控制器的這種互補“天性”可以讓等待時間縮減50%。雙通道DDR的兩個內存控制器在功能上是完全一樣的，并且兩個控制器的時序參數都是可以單獨編程設定的。這樣的靈活性可以讓用戶使用兩條不同構造、容量、速度的DIMM內存條，此時雙通道DDR簡單地調整到最低的內存標準來實現128bit帶寬，允許不同密度/等待時間特性的DIMM內存條可以可靠地共同運作。

憑借著不錯的性能，低廉的制造成本和售價，加之沒有專利門檻的種種限制，DDR迅速占領市場，最終連支持RDRAM的Intel都不得不調頭轉而支持DDR內存，從此，DDR內存走上了高速發展的道路。

DDR2到DDR5我們一直在進步

從DDR2開始，每次升級的不僅僅是頻率，包括它同一時鐘內傳輸的數據都在成倍增長，工作電壓也在不斷降低。例如DDR2為雙信道兩次同步動態隨機存取內存，內存預讀取寬度提升至4bit，是DDR的兩倍，即DDR2內存每個時鐘能夠以4倍外部總線的速度讀/寫數據，并且能夠以內部控制總線4倍的速度運行，也就是說，在同樣133MHz的核心頻率下，DDR的實際工作頻率為133MHz×2≈266MHz，而DDR2則可以達到133MHz×4≈533MHz（最高為166MHz×4≈667MHz）。此外。DDR2采用FBGA封裝方式替代了傳統的TSOP方式，電氣性能與散熱性更佳。

到了DDR3則提升為雙信道三次同步動態隨機存取內存。DDR3內存預讀取寬度從4bit提升至8bit，核心同頻率下數據傳輸量更是DDR2的兩倍。同時，DDR3分別擁有1066MHz、1333MHz、1600MHz三種頻率。此外，DDR3的規格要求將電壓控制在1.5V，較1.8V的DDR2節省約30%的功耗。

到了DDR4內存時代功耗明顯降低，電壓達到1.2V。頻率上來看，共有2400MHz、2666MHz、3000MHz、3200MHz、3600MHz、4200MHz幾種規格，這也是目前我們最為普及的內存產品。

即將來臨的DDR5內存，最高內存傳輸速度能達到6.4Gbps，與之對比，在DDR4內存標準下最高內存傳輸速度只能達到3.2Gbps。此外，DDR5也改善了DIMM的工作電壓，將電壓從DDR4的1.2V降至1.1V，能夠進一步提升內存的能效表現。

簡言之，就是在同一個頻率下上下行的傳輸能力不斷拓寬，同時提升等效頻率，達到增加帶寬的目的。這種設計最大的優點就是迭代相對容易，設計生產的阻力也更小，普及起來沒有那么麻煩。

另類殺手：傲騰內存

我們之前提過，內存和存儲介質（機械硬盤或固態硬盤），無論如何也遠遠達不到CPU所需的帶寬需求。而有這么一款產品，它兼具了內存的高速和存儲介質的存儲能力，非常有特點，缺點自然還是一個字：貴，這便是傲騰內存。

傲騰是英文Optane的音譯詞，而這個Optane則是類似一種品牌的名詞，實際是指英特爾發明的3D XPoint存儲技術。3DXPoint與NAND Flash完全不同，它接近于內存的性能（但是可以掉電保存，也就是非易失性存儲，而不是內存的易失性存儲），延遲、耐擦寫性、介質速度等幾個關鍵指標也大大優于NAND Flash。

傲騰現在分成了傲騰SSD和傲騰內存兩種，分別是面向企業市場的傲騰SSD和面向主流消費市場的傲騰內存。其實，傲騰的誕生不僅是英特爾為了單純提升磁盤/內存性能，未來的發展說不定就能將內存、硬盤二合為一，畢竟3D XPoint現在具備了接近內存的性能和磁盤的讀寫數據保存功能。

3D XPoint是由Intel和美光聯合研發的一種全新架構非易失性存儲技術，Intel宣稱3D XPoint擁有遠超NAND的容量和接近DRAM的性能，讀寫性能是NAND的1000倍以上，壽命是NAND的1000倍以上，數據密度則達到了DRAM的十倍以上。更為厲害的是3D XPoint顆粒可以做成多種形式產品，比方說內存、存儲硬盤等。

目前，這個產品已經推出了4年有余，不過受到了成本因素和專利因素的限制，還沒有看到普及的可能。但這終歸是一個新的嘗試，畢竟對于電腦而言，即便現在發展到PCIe 4.0版本的NVMe硬盤，其帶寬速度也遠遠不能滿足我們的需求，可以說依舊是電腦性能組成元素中的一個短板。如果能讓一個設備擁有內存的速度，還能夠進行存儲，這才是電腦解決系統瓶頸的一個最好選擇。