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2020 年 7 月，JEDEC 固態(tài)技術(shù)協(xié)會正式發(fā)布了新的主流內(nèi)存標準 DDR5 SDRAM 的最終規(guī)范，這意味著新一輪的內(nèi)存升級換代又要開始了！
自上一代 DDR4 內(nèi)存標準的問世到現(xiàn)在，已經(jīng)歷了 9 年，有數(shù)據(jù)顯示目前 DDR4 標準產(chǎn)品在服務(wù)器和 PC 領(lǐng)域的滲透率都已經(jīng)超過了 95%，按照摩爾定律或者其他技術(shù)預(yù)測，新一代的 DDR 內(nèi)存標準早該駕到了，由此足見在內(nèi)存領(lǐng)域技術(shù)進步的邊際成本是越來越高。
好在 DDR5 這把“磨”了近十年的“劍”并沒有讓大家失望，從 JEDEC 協(xié)會公布的信息來看，與上一代標準相比，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)長度增加一倍，存儲單元組數(shù)增加一倍。可以說在速度、容量、能耗和穩(wěn)定性等方面，DDR5 都來了一次全面的提升。
圖 1：不同 DDR 內(nèi)存標準之間的比較 (資料來源：JEDEC）
DDR5 標準推出之后，Micron 等內(nèi)存及模塊制造商都已經(jīng)積極行動起來，陸續(xù)推出了相關(guān)的樣品，為即將到來的新一波內(nèi)存升級潮積極備戰(zhàn)。按照以往的經(jīng)驗，2021 年 DDR5 將最先進入服務(wù)器市場，之后伴隨著工藝穩(wěn)定和產(chǎn)能爬坡，再逐漸向 PC 和消費電子等領(lǐng)域滲透。但不管怎么說，這個進程已經(jīng)啟動。
當(dāng)然，在一輪技術(shù)熱潮到來之際，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，因此今天我們就來看看，DDR5 這性能提升背后，究竟暗藏著哪些技術(shù)玄機。
DDR5 升級背后的技術(shù)玄機
數(shù)據(jù)存儲容量和速率是衡量 DDR 標準代際之間差異的核心指標，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)存儲器密度增加時，需要擴展 Bank 的數(shù)量來應(yīng)對。DDR5 標準中每個 Bank 組中的 Bank 數(shù)量(4 個)保持不變，而將 Bank 組的數(shù)量增加一倍，達到了 4 或 8 個。通過允許在任意指定時間開啟更多分頁，并增加高頁面點擊率的統(tǒng)計概率，來提高整體的系統(tǒng)效率。增加的 Bank 組通過提高使用短時序的可能性來減輕內(nèi)部時序限制。
增加數(shù)據(jù)突發(fā)長度
DDR5 將缺省的數(shù)據(jù)突發(fā)長度(Burst Length)從 DDR4 標準的 BL8 增加到了 BL16，這樣就提高了命令 / 地址和數(shù)據(jù)總線的效率。也就是說，相同的 CA 總線讀寫事務(wù)可以在數(shù)據(jù)總線上實現(xiàn)兩倍的數(shù)據(jù)量，同時限制在同一 Bank 內(nèi)受到 IO/ 陣列時序限制的風(fēng)險。突發(fā)長度的增加也可減少相同的 64B 緩存線數(shù)據(jù)負載存取所需的 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)長度的增加可以讓 DDR5 DIMM 模塊實現(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，進而優(yōu)化內(nèi)存整體的能效。
增加新的命令
在以往 DDR SDRAM 標準的 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 在刷新命令期間無法繼續(xù)后續(xù)的寫入和讀取活動。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 一次計算，一個 16Gb DDR5 SDRAM 器件，其持續(xù)時間為 295ns。
而新增加的 REFsb 在發(fā)出命令之前，每個 Bank 組中只需一個 Bank 閑置即可，其余的在發(fā)出 REFsb 命令時不需閑置，對非更新 Bank 的唯一時序限制為 same-bank- refresh-to-activate 延遲。REFsb 命令以細粒度刷新 (FGR) 模式發(fā)出，每個 Bank 平均每 1.95μs 接收一次 REFRESH 命令，這樣一個 16Gb DDR5 SDRAM 器件的 REFsb 持續(xù)時間僅 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 時提高 6%至 9%；REFsb 將刷新對平均閑置延遲時間的影響從 11.2ns 縮短到了 5.0ns。
基于上述這幾個方面的優(yōu)化，DDR5 在性能上實現(xiàn)了明顯的提升。圖 2 展示了，在規(guī)定的測試條件下，DDR5 與 DDR4 相比在數(shù)據(jù)速率上的優(yōu)勢。
圖 2：DDR5 與 DDR4 相比的性能優(yōu)勢（資料來源：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)建錯誤校正碼 (ECC)：通過 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)錯誤校正的負擔(dān)。在 DDR4 內(nèi)存上實現(xiàn) ECC 功能，需要額外增加一顆芯片，而 DDR5 原生支持片上 ECC，對于提升系統(tǒng)可靠性大有幫助。
PPR 強化功能：包括 hPPR (硬) 和 sPPR (軟)兩個獨立的修復(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存大量信息所需的系統(tǒng)時間縮至最短，通常每列數(shù)據(jù)約 2μs。
多用途命令 (MPC)：DDR5 時鐘頻率的提高，也給初始化和訓(xùn)練之前的操作執(zhí)行帶來挑戰(zhàn)。為此，DDR5 使用多用途命令 (MPC) 來執(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 通過增加 Bank 組、增加突發(fā)長度、引入新的 REFsb 刷新命令等舉措，提升核心性能，降低用戶總體擁有成本；另一方面通過優(yōu)化 RAS 和可操作性為開發(fā)和應(yīng)用帶來更大便利，這樣雙管齊下，為 DDR5 標準打造了穩(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全新內(nèi)存標準的威力，DIMM 內(nèi)存模塊的設(shè)計也十分重要。DDR5 標準的順利升級，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)在以下幾個方面：
首先，DDR5 模塊與 DDR4 模塊最大的差別就在于，標準的 DDR5 模塊中有兩個獨立的子通道，每個子通道最多有兩個實體封裝的存儲器區(qū)塊 (rank)。每個 DRAM 封裝都可設(shè)為主要 / 輔助拓撲，進而增加邏輯存儲器區(qū)塊以提高密度。獨立子通道能提高并行性，并支持存儲器控制器更有效率地安排時序，進而打破數(shù)據(jù)傳輸量的限制，滿足服務(wù)器等應(yīng)用中日益增加的運算需求。
其次，DDR5 中增加了本地的 PMIC 進行電壓調(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越多的主動器件，提高可用性，并監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)以掌握模塊工作時與功率、散熱等相關(guān)的詳細信息。
此外，在 L/RDIMM 模塊上，還放置了一對溫度傳感器 IC，對模塊表面溫度梯度變化進行持續(xù)監(jiān)測，并以此為依據(jù)調(diào)整流量變化，或者改變風(fēng)扇速度，通過調(diào)優(yōu)來最大化系統(tǒng)的處理能力。
最后，DDR5 模塊設(shè)計的改變，也催生了 CAI、MIR 和擴展接地等其他新功能，以利于改善設(shè)計配置、電源噪聲和模塊信號隔離等特性。命令和地址上的 ODT 及增強的 DQ/DQS/CA/CS 訓(xùn)練等新功能，也可提供更好的信號處理能效、更快的時鐘速率，最終實現(xiàn)更高的帶寬。?
表 2：DDR5 與 DDR4 性能比較與優(yōu)化（資料來源：安富利）
用 DDR5 開始一個新設(shè)計
可以想見，在即將到來的 2021 年，如何將計算存儲方案升級到 DDR5，將成為很多開發(fā)者——特別是數(shù)據(jù)中心等計算密集型應(yīng)用的開發(fā)者——案頭上的一個重要課題。為了加速這個進程，DDR5 的核心技術(shù)供應(yīng)商在快馬加鞭推出新產(chǎn)品之外，也紛紛推出了開發(fā)者支持計劃，比如 Micron 的 DDR5 技術(shù)支持計劃 (TEP)中，就為經(jīng)過核準通過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、電氣模型、熱模型和仿真模型等技術(shù)資源，以幫助其產(chǎn)品開發(fā)和平臺搭建
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，以助其進行 DDR5 可用平臺的設(shè)計與搭建
技術(shù)支持和培訓(xùn)資料
簡言之，在需求發(fā)展的大趨勢下，面對 DDR5，除了“升級”跟上技術(shù)進步的節(jié)奏，實際上我們沒有其他的選擇?，F(xiàn)在的關(guān)鍵就在于，如何在升級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)分銷商，也會為你提供全面和專業(yè)的支持。
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