芯耀
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2020 年 7 月，JEDEC 固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)正式發(fā)布了新的主流內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn) DDR5 SDRAM 的最終規(guī)范，這意味著新一輪的內(nèi)存升級(jí)換代又要開(kāi)始了！
自上一代 DDR4 內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)世到現(xiàn)在，已經(jīng)歷了 9 年，有數(shù)據(jù)顯示目前 DDR4 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品在服務(wù)器和 PC 領(lǐng)域的滲透率都已經(jīng)超過(guò)了 95%，按照摩爾定律或者其他技術(shù)預(yù)測(cè)，新一代的 DDR 內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)早該駕到了，由此足見(jiàn)在內(nèi)存領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的邊際成本是越來(lái)越高。
好在 DDR5 這把“磨”了近十年的“劍”并沒(méi)有讓大家失望，從 JEDEC 協(xié)會(huì)公布的信息來(lái)看，與上一代標(biāo)準(zhǔn)相比，DDR5 將主電壓從 1.2 V 降低至 1.1 V，最大芯片密度提高了 4 倍，最大數(shù)據(jù)速率提高一倍，突發(fā)長(zhǎng)度增加一倍，存儲(chǔ)單元組數(shù)增加一倍。可以說(shuō)在速度、容量、能耗和穩(wěn)定性等方面，DDR5 都來(lái)了一次全面的提升。
圖 1：不同 DDR 內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)之間的比較 (資料來(lái)源：JEDEC）
DDR5 標(biāo)準(zhǔn)推出之后，Micron 等內(nèi)存及模塊制造商都已經(jīng)積極行動(dòng)起來(lái)，陸續(xù)推出了相關(guān)的樣品，為即將到來(lái)的新一波內(nèi)存升級(jí)潮積極備戰(zhàn)。按照以往的經(jīng)驗(yàn)，2021 年 DDR5 將最先進(jìn)入服務(wù)器市場(chǎng)，之后伴隨著工藝穩(wěn)定和產(chǎn)能爬坡，再逐漸向 PC 和消費(fèi)電子等領(lǐng)域滲透。但不管怎么說(shuō)，這個(gè)進(jìn)程已經(jīng)啟動(dòng)。
當(dāng)然，在一輪技術(shù)熱潮到來(lái)之際，在做出“追不追，以及怎么追”等決定之前，既要做到知其然，還要知其所以然，因此今天我們就來(lái)看看，DDR5 這性能提升背后，究竟暗藏著哪些技術(shù)玄機(jī)。
DDR5 升級(jí)背后的技術(shù)玄機(jī)
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和速率是衡量 DDR 標(biāo)準(zhǔn)代際之間差異的核心指標(biāo)，在提升此核心性能方面，DDR5 放出了以下這些大招兒：
增加整體 Bank 數(shù)量
當(dāng)存儲(chǔ)器密度增加時(shí)，需要擴(kuò)展 Bank 的數(shù)量來(lái)應(yīng)對(duì)。DDR5 標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè) Bank 組中的 Bank 數(shù)量(4 個(gè))保持不變，而將 Bank 組的數(shù)量增加一倍，達(dá)到了 4 或 8 個(gè)。通過(guò)允許在任意指定時(shí)間開(kāi)啟更多分頁(yè)，并增加高頁(yè)面點(diǎn)擊率的統(tǒng)計(jì)概率，來(lái)提高整體的系統(tǒng)效率。增加的 Bank 組通過(guò)提高使用短時(shí)序的可能性來(lái)減輕內(nèi)部時(shí)序限制。
增加數(shù)據(jù)突發(fā)長(zhǎng)度
DDR5 將缺省的數(shù)據(jù)突發(fā)長(zhǎng)度(Burst Length)從 DDR4 標(biāo)準(zhǔn)的 BL8 增加到了 BL16，這樣就提高了命令 / 地址和數(shù)據(jù)總線(xiàn)的效率。也就是說(shuō)，相同的 CA 總線(xiàn)讀寫(xiě)事務(wù)可以在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)兩倍的數(shù)據(jù)量，同時(shí)限制在同一 Bank 內(nèi)受到 IO/ 陣列時(shí)序限制的風(fēng)險(xiǎn)。突發(fā)長(zhǎng)度的增加也可減少相同的 64B 緩存線(xiàn)數(shù)據(jù)負(fù)載存取所需的 IO 數(shù)量，減少存取特定數(shù)據(jù)量所需的命令，這對(duì)于功耗的控制十分有利。
特別值得一提的是，數(shù)據(jù)突發(fā)長(zhǎng)度的增加可以讓 DDR5 DIMM 模塊實(shí)現(xiàn)雙子通道的架構(gòu)，提高整體的通道并行能力、靈活性和數(shù)量，進(jìn)而優(yōu)化內(nèi)存整體的能效。
增加新的命令
在以往 DDR SDRAM 標(biāo)準(zhǔn)的 ALL-BANK REFRESH 命令(REFab)基礎(chǔ)上，DDR5 增加了 SAME-BANK REFRESH (REFsb) 命令。SDRAM 在刷新 (REFRESH)之前，需要準(zhǔn)備刷新的 Bank 處于 idle（閑置）狀態(tài)，且這些 Bank 在刷新命令期間無(wú)法繼續(xù)后續(xù)的寫(xiě)入和讀取活動(dòng)。因此在執(zhí)行 REFab 刷新命令前，必須確保所有 Bank 均處于閑置狀態(tài)，以 3.9μs 一次計(jì)算，一個(gè) 16Gb DDR5 SDRAM 器件，其持續(xù)時(shí)間為 295ns。
而新增加的 REFsb 在發(fā)出命令之前，每個(gè) Bank 組中只需一個(gè) Bank 閑置即可，其余的在發(fā)出 REFsb 命令時(shí)不需閑置，對(duì)非更新 Bank 的唯一時(shí)序限制為 same-bank- refresh-to-activate 延遲。REFsb 命令以細(xì)粒度刷新 (FGR) 模式發(fā)出，每個(gè) Bank 平均每 1.95μs 接收一次 REFRESH 命令，這樣一個(gè) 16Gb DDR5 SDRAM 器件的 REFsb 持續(xù)時(shí)間僅 130ns。
有模擬分析數(shù)據(jù)顯示，使用 REFsb 系統(tǒng)效能處理量比使用 REFab 時(shí)提高 6%至 9%；REFsb 將刷新對(duì)平均閑置延遲時(shí)間的影響從 11.2ns 縮短到了 5.0ns。
基于上述這幾個(gè)方面的優(yōu)化，DDR5 在性能上實(shí)現(xiàn)了明顯的提升。圖 2 展示了，在規(guī)定的測(cè)試條件下，DDR5 與 DDR4 相比在數(shù)據(jù)速率上的優(yōu)勢(shì)。
圖 2：DDR5 與 DDR4 相比的性能優(yōu)勢(shì)（資料來(lái)源：Micron）
除了在核心性能上的突破，DDR5 還在可靠性、可用性與服務(wù)性 (RAS)上，以及可操作性上做了諸多優(yōu)化。
芯片內(nèi)建錯(cuò)誤校正碼 (ECC)：通過(guò) DDR5 器件輸出數(shù)據(jù)之前在 READ 命令期間執(zhí)行校正，減輕系統(tǒng)錯(cuò)誤校正的負(fù)擔(dān)。在 DDR4 內(nèi)存上實(shí)現(xiàn) ECC 功能，需要額外增加一顆芯片，而 DDR5 原生支持片上 ECC，對(duì)于提升系統(tǒng)可靠性大有幫助。
PPR 強(qiáng)化功能：包括 hPPR (硬) 和 sPPR (軟)兩個(gè)獨(dú)立的修復(fù)功能。主要的優(yōu)化在于減少了執(zhí)行 sPPR 修復(fù)之前需要 Bank 中備份的列，這樣可以將備份和儲(chǔ)存大量信息所需的系統(tǒng)時(shí)間縮至最短，通常每列數(shù)據(jù)約 2μs。
多用途命令 (MPC)：DDR5 時(shí)鐘頻率的提高，也給初始化和訓(xùn)練之前的操作執(zhí)行帶來(lái)挑戰(zhàn)。為此，DDR5 使用多用途命令 (MPC) 來(lái)執(zhí)行介面初始化、訓(xùn)練和定期校正等功能，提升操作的效率。
從上文可以看出，一方面 DDR5 通過(guò)增加 Bank 組、增加突發(fā)長(zhǎng)度、引入新的 REFsb 刷新命令等舉措，提升核心性能，降低用戶(hù)總體擁有成本；另一方面通過(guò)優(yōu)化 RAS 和可操作性為開(kāi)發(fā)和應(yīng)用帶來(lái)更大便利，這樣雙管齊下，為 DDR5 標(biāo)準(zhǔn)打造了穩(wěn)固的根基。
表 1：DDR5 產(chǎn)品特色與功能優(yōu)化（資料來(lái)源：安富利）
DDR5 內(nèi)存條的變化
當(dāng)然，想要最大程度上釋放出一個(gè)全新內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)的威力，DIMM 內(nèi)存模塊的設(shè)計(jì)也十分重要。DDR5 標(biāo)準(zhǔn)的順利升級(jí)，也必然需要內(nèi)存模塊方案的變化，為其提供助力。從 Micron 提供的技術(shù)文檔中我們可以看到，這樣的變化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
首先，DDR5 模塊與 DDR4 模塊最大的差別就在于，標(biāo)準(zhǔn)的 DDR5 模塊中有兩個(gè)獨(dú)立的子通道，每個(gè)子通道最多有兩個(gè)實(shí)體封裝的存儲(chǔ)器區(qū)塊 (rank)。每個(gè) DRAM 封裝都可設(shè)為主要 / 輔助拓?fù)?，進(jìn)而增加邏輯存儲(chǔ)器區(qū)塊以提高密度。獨(dú)立子通道能提高并行性，并支持存儲(chǔ)器控制器更有效率地安排時(shí)序，進(jìn)而打破數(shù)據(jù)傳輸量的限制，滿(mǎn)足服務(wù)器等應(yīng)用中日益增加的運(yùn)算需求。
其次，DDR5 中增加了本地的 PMIC 進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，由于將電源管理的功能從主板轉(zhuǎn)到更靠近內(nèi)存芯片的模塊上，因此這種電源架構(gòu)可降低主板的復(fù)雜性、提升電源轉(zhuǎn)換的效率、增加更多電源管理的功能。
再有，DDR5 模塊上引入了基于 MIPI I3C 通訊協(xié)定的邊帶存取功能，能夠更好地支持模塊上越來(lái)越多的主動(dòng)器件，提高可用性，并監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)以掌握模塊工作時(shí)與功率、散熱等相關(guān)的詳細(xì)信息。
此外，在 L/RDIMM 模塊上，還放置了一對(duì)溫度傳感器 IC，對(duì)模塊表面溫度梯度變化進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，并以此為依據(jù)調(diào)整流量變化，或者改變風(fēng)扇速度，通過(guò)調(diào)優(yōu)來(lái)最大化系統(tǒng)的處理能力。
最后，DDR5 模塊設(shè)計(jì)的改變，也催生了 CAI、MIR 和擴(kuò)展接地等其他新功能，以利于改善設(shè)計(jì)配置、電源噪聲和模塊信號(hào)隔離等特性。命令和地址上的 ODT 及增強(qiáng)的 DQ/DQS/CA/CS 訓(xùn)練等新功能，也可提供更好的信號(hào)處理能效、更快的時(shí)鐘速率，最終實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。?
表 2：DDR5 與 DDR4 性能比較與優(yōu)化（資料來(lái)源：安富利）
用 DDR5 開(kāi)始一個(gè)新設(shè)計(jì)
可以想見(jiàn)，在即將到來(lái)的 2021 年，如何將計(jì)算存儲(chǔ)方案升級(jí)到 DDR5，將成為很多開(kāi)發(fā)者——特別是數(shù)據(jù)中心等計(jì)算密集型應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者——案頭上的一個(gè)重要課題。為了加速這個(gè)進(jìn)程，DDR5 的核心技術(shù)供應(yīng)商在快馬加鞭推出新產(chǎn)品之外，也紛紛推出了開(kāi)發(fā)者支持計(jì)劃，比如 Micron 的 DDR5 技術(shù)支持計(jì)劃 (TEP)中，就為經(jīng)過(guò)核準(zhǔn)通過(guò)的合伙伙伴提供了豐富的技術(shù)資源，如：
- 產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)、電氣模型、熱模型和仿真模型等技術(shù)資源，以幫助其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和平臺(tái)搭建
選擇可用的 DDR5 元件與模塊樣品
與其他生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴建立聯(lián)系，以助其進(jìn)行 DDR5 可用平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建
技術(shù)支持和培訓(xùn)資料
簡(jiǎn)言之，在需求發(fā)展的大趨勢(shì)下，面對(duì) DDR5，除了“升級(jí)”跟上技術(shù)進(jìn)步的節(jié)奏，實(shí)際上我們沒(méi)有其他的選擇?，F(xiàn)在的關(guān)鍵就在于，如何在升級(jí)的這條路上走得更快、更順暢。為此，安富利作為全球領(lǐng)先的技術(shù)分銷(xiāo)商，也會(huì)為你提供全面和專(zhuān)業(yè)的支持。
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