DDR5升級背后的技術(shù)玄機

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)品在服務器和PC領域的滲透率都已經(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?？梢哉f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和消費電子等領域滲透。但不管怎么說，這個進程已經(jīng)啟動。

當然，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

當存儲器密度增加時，需要擴展Bank的數(shù)量來應對。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。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)兩個獨立的修復功能。主要的優(yōu)化在于減少了執(zhí)行sPPR修復之前需要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，滿足服務器等應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可用平臺的設計與搭建

技術(shù)支持和培訓資料

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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