了解DDR5相對(duì)DDR4的優(yōu)勢(shì)與可能的影響

2020 年7 月14 日，半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化組織JEDEC（JointElectron Device Engineering Council）發(fā)布了JESD79-5 DDR5 SDRAM 標(biāo)準(zhǔn)，帶來(lái)許多關(guān)鍵性性能強(qiáng)化。隨英特爾近期正式發(fā)布第12 代Core 處理器（代號(hào)Alder Lake），意味2021 年是DDR5 存儲(chǔ)器啟航元年。下載鏈接：《內(nèi)存技術(shù)：內(nèi)存測(cè)試和測(cè)量挑戰(zhàn)》

此文盡量設(shè)法排除高深莫測(cè)的DRAM相關(guān)技術(shù)名詞，讓各位迅速了解DDR5相對(duì)DDR4的優(yōu)勢(shì)與可能的影響，最后再同場(chǎng)加映英特爾Atom x6000系列引進(jìn)的「In-Band ECC」技術(shù)，讓大家瞧瞧英特爾如何在沒(méi)有ECC模組下提供類(lèi)似糾錯(cuò)功能。

「理所當(dāng)然」的提升數(shù)據(jù)傳輸率

初期DDR5可提供超過(guò)DDR4 50%數(shù)據(jù)傳輸率，最終預(yù)期可達(dá)2.6倍8.4Gbps。回顧JEDEC SDRAM歷代演進(jìn)，提升幅度還算驚人，但到頭來(lái)也只是充分反應(yīng)相隔八年累積的制程技術(shù)成長(zhǎng)。

至于「一定會(huì)膨脹」的容量看似沒(méi)什么好提，但后面會(huì)提到DDR5強(qiáng)化數(shù)據(jù)可靠性的手段。

更低電壓與嶄新電源架構(gòu)

持續(xù)降低工作電壓也是歷代JEDEC SDRAM的傳統(tǒng)，從20年前DDR2.5V一路調(diào)降到DDR5 1.1V，讓存儲(chǔ)器運(yùn)作「理論上」更節(jié)能省電。

但當(dāng)DDR5基礎(chǔ)工作電壓降到1.1V時(shí)，意味更小信號(hào)容限，所以過(guò)去由主機(jī)板負(fù)責(zé)的電源管理功能，就轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器模組本身，因此DDR5會(huì)多一顆PMIC，直接控制存儲(chǔ)器電源，提供更佳信號(hào)辨識(shí)能力。

不過(guò)多了這顆PMIC也就抬高了成本，都將轉(zhuǎn)嫁給制造商成本和消費(fèi)者帳單，以及更高的缺料風(fēng)險(xiǎn)。

兩倍的Bank群組、通道架構(gòu)與突發(fā)存取長(zhǎng)度

Bank意指DRAM顆?？蓡为?dú)運(yùn)作的儲(chǔ)存單元。DDR5采用八個(gè)Bank群組而成的32Bank，是DDR4兩倍。DRAM因儲(chǔ)存原理是需定時(shí)刷新（Refresh）數(shù)據(jù)的電容，DDR4與前代刷新時(shí)無(wú)法執(zhí)行其他操作，但DDR5可透過(guò)Same Bank Refresh （REFsb）命令，允許系統(tǒng)刷新某些Bank時(shí)，可存取其他Bank的數(shù)據(jù)。

換言之，DDR5存取可用性起碼是DDR4兩倍。

DDR5另一個(gè)規(guī)格面重大變化（也許是最重要者），在于將雙通道實(shí)作于單模組。過(guò)去DDR都是72位元（64位元數(shù)據(jù)＋8位元ECC），但DDR5變成兩組40位元（32位元數(shù)據(jù)＋8位元ECC）。兩個(gè)較小獨(dú)立通道可提高存儲(chǔ)器存取效率，特別是縮短存取延遲。分而治之的結(jié)構(gòu)，也可便于提高信號(hào)完整性。

看起來(lái)似乎好棒？但對(duì)服務(wù)器會(huì)用到的ECC模組就不是這樣了，因拆成兩邊都需要完整ECC，會(huì)增加額外顆粒數(shù)量，例如原本18個(gè)顆粒的ECC模組就可能變成20顆，意味更高成本。

再來(lái)就是跟以上雙通道結(jié)構(gòu)息息相關(guān)的突發(fā)存取長(zhǎng)度（Burst Length）了，這數(shù)字決定單一讀寫(xiě)指令可存取的數(shù)據(jù)量。DDR5的BL從DDR4八倍增到16，這對(duì)時(shí)下的主流處理器是個(gè)「魔術(shù)數(shù)字」。為何？DDR5的雙通道結(jié)構(gòu)讓單次數(shù)據(jù)存取寬度變成32位元（4 Byte），BL16就代表「可一次填充處理器的64 Byte快取存儲(chǔ)器區(qū)塊」。

換句話(huà)說(shuō)，一條DDR5模組可同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)64 Byte快取區(qū)塊的需求，是DDR4兩倍。

更高的存儲(chǔ)器有效帶寬比例

一般來(lái)說(shuō)，JEDECSDRAM的存儲(chǔ)器有效帶寬比例，多半是約定俗成的80%（理論和實(shí)際畢竟有差距），但DDR5結(jié)合這么多架構(gòu)改進(jìn)，按某些存儲(chǔ)器模組廠商估算，這次有機(jī)會(huì)達(dá)85%~90%，很接近Rambus水準(zhǔn)（號(hào)稱(chēng)90%以上）。搞了這么多年，JEDEC SDRAM「總算」看到Rambus的車(chē)尾燈，值得大書(shū)特書(shū)一下。

筆者不得不先談?wù)凴ambus這個(gè)英特爾芯片組發(fā)展史的黑歷史了。Rambus發(fā)展出一系列所謂「Protocol-Based DRAM」將傳統(tǒng)總線(xiàn)的定址、控制與數(shù)據(jù)，都包在類(lèi)似網(wǎng)絡(luò)封包的Packet內(nèi)，然后DRAM內(nèi)部整合大多數(shù)控制單元功能，每顆DRAM如同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)裝置，連接一條超高速序列（Serial）總線(xiàn)。也因此，Rambus DRAM不能有空存儲(chǔ)器模組，未使用存儲(chǔ)器模組須安裝「假的」CRIMM（Continuity RIMM）當(dāng)終端。

Protocol-Based DRAM可用更少數(shù)據(jù)線(xiàn)就達(dá)成更高存儲(chǔ)器頻寬，也會(huì)有更高存儲(chǔ)器有效帶寬。Rambus的缺點(diǎn)也很明顯，更長(zhǎng)存取延遲、高昂制造成本、更高發(fā)熱量，以及Rambus惡名昭彰的授權(quán)費(fèi)。與PC133 SDRAM相比，同容量Rambus價(jià)格多達(dá)2~3倍。日后FB-DIMM（Fully-Buffered DIMM）也繼承類(lèi)似Rambus的精神，終究難逃相同的命運(yùn)。

更高的數(shù)據(jù)可靠度

以電容為儲(chǔ)存原理的DRAM，顆粒容量及儲(chǔ)存密度成長(zhǎng)，背后藏著諸多潛在風(fēng)險(xiǎn)，如像構(gòu)成地球低強(qiáng)度背景輻射的帶電粒子，引起位元翻轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)器軟錯(cuò)誤（Soft Error)，這也成為潛在安全攻擊目標(biāo)。這也是為何高效能非揮發(fā)性存儲(chǔ)器一直視為遲早取代DRAM的主因之一（雖然遲遲沒(méi)有發(fā)生）。

為了強(qiáng)化穩(wěn)定性，DDR5支持晶粒內(nèi)建糾錯(cuò)（On-DieECC）機(jī)制，每128位元數(shù)據(jù)就附帶8位元糾錯(cuò)碼。不過(guò)筆者并不認(rèn)為這能取代標(biāo)準(zhǔn)ECC模組，只能說(shuō)確保容量更大的DDR5顆?？删S持和過(guò)去同等級(jí)的數(shù)據(jù)可靠度。

這會(huì)增加多少潛在顆粒成本，只有原廠自己心知肚明?？傊勫X(qián)傷感情，就干脆不談了。

同場(chǎng)加映：英特爾Atom x6000系列的In-Band ECC

既然全文提到這么多次ECC，筆者就同場(chǎng)加映談?wù)動(dòng)⑻貭栃乱淮鶤tom x6000處理器（代號(hào)Elkhart Lake）導(dǎo)入的In-Band ECC（或稱(chēng)In-Line ECC）技術(shù)，不需要ECC存儲(chǔ)器模組也能達(dá)到相似數(shù)據(jù)可靠度。

針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的相關(guān)應(yīng)用，英特爾Atom x6000系列補(bǔ)強(qiáng)不少新功能，如工業(yè)級(jí)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TimeSensitive Networking，TSN）和時(shí)間協(xié)調(diào)運(yùn)算（Time Coordinated Computing，TCC），安全性和管理性也絲毫不含糊?；旧?，論針對(duì)特定生態(tài)系統(tǒng)的解決方案完整度，也是現(xiàn)階段AMD依舊不及英特爾的先天弱點(diǎn)。

說(shuō)穿了，In-BandECC藉由DRAM內(nèi)分割一塊特定區(qū)域，存放存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的ECC碼。以Atom x6000為例，每64 Byte數(shù)據(jù)分配到2 Byte ECC，存儲(chǔ)器容量預(yù)留1/32放置后者。處理器存儲(chǔ)器控制也勢(shì)必多出相關(guān)后繼處理步驟。

但天底下沒(méi)有免費(fèi)的午餐，In-Band ECC固然達(dá)成「低成本的高可靠度」，但前提是犧牲存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)性能。照英特爾官方說(shuō)法，啟動(dòng)In-Band ECC后，存儲(chǔ)器讀取效能劇降至原本一半，存儲(chǔ)器寫(xiě)入更下探到三分之一。話(huà)說(shuō)回來(lái)，這對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，或許的確是值得的代價(jià)。

最后，終于是升級(jí)存儲(chǔ)器的好時(shí)機(jī)了嗎？

秉持勤儉持家的原則，筆者死守DDR3多年，連現(xiàn)在用的主機(jī)板都刻意選支持DDR3的華碩Z170M-3 D3，死撐活撐，直到最近微軟Windows 11判了確定無(wú)法升級(jí)的死刑。看在遲早得面對(duì)現(xiàn)實(shí)升級(jí)整臺(tái)桌機(jī)的份上，看到DDR5明顯演化，說(shuō)不想直奔DDR5絕對(duì)是騙人的。

但時(shí)下世界正處于史上前所未見(jiàn)的「萬(wàn)物缺料」，什么都漲，DDR5價(jià)格何時(shí)才能降到可負(fù)擔(dān)的水準(zhǔn)，筆者實(shí)在毫無(wú)樂(lè)觀的理由，只能繼續(xù)看硬件測(cè)試網(wǎng)站的效能測(cè)試數(shù)據(jù)過(guò)過(guò)干癮了。

審核編輯 ：李倩