社区编辑申请
注册/登录
DDR内存技术更迭20年
存储
不知不觉间,从最初KB到GB的跃进,DDR内存已经走过了5代,开始向第6代进发。“百转千回”的内存市场

在DDR5内存刚成为主流不久,如今三星又已经率先开始了下一代DDR6内存的早期开发,并预计在2024年之前完成设计。据悉,在近日召开的研讨会上,三星负责测试和系统封装(TSP)的副总裁透露,随着未来内存本身性能的扩大,封装技术也需要不断发展。经证实,三星已经处于下一代DDR6内存的早期开发阶段,将采用MSAP技术。目前,MSAP已经被三星的竞争对手(SK海力士和美光)用于DDR5中。

据介绍,下一代DDR6内存不仅将利用MSAP来加强电路连接,而且还将适应DDR6内存中增加的层数。就规格而言,DDR6内存的速度将是现有DDR5内存的两倍,传输速度可达12800 Mbps(JEDEC),超频后的速度可超过17000 Mbps。

预计三星将在2024年之前完成其DDR6设计,2025年之后才会有商业化的可能。

不知不觉间,从最初KB到GB的跃进,DDR内存已经走过了5代,开始向第6代进发。

“百转千回”的内存市场

什么是DDR?

在回顾DDR发展历程之前,先来了解下DDR是什么。

存储分为ROM和RAM。

ROM是Read Only Memory的缩写,即只读存储器,是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器,其特性是一旦储存资料就无法再将其改变或删除,资料并不会因为电源关闭而消失。

RAM是Random Access Memory的缩写,即随机存储器 ,随机是指数据不是线性依次存储,可以以任何顺序访问,而不管前一次访问的是哪一个位置,RAM在掉电之后就会丢失数据。

而对于RAM,又分为SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)两大类。

SRAM是一种具有静止存取功能的内存,不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据,也就是说加电情况下,不需要刷新,数据不会丢失。SRAM是早期读写最快的存储设备,但其缺点是集成度较低,功耗大,相同的容量体积较大,而且价格较高,少量用于关键性系统以提高效率,譬如CPU的一级缓存,二级缓存。

DRAM是最为常见的系统内存,只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。

后续的SDRAM和DDR SDRAM都是在DRAM的基础上发展而来,同时也属于DRAM中的一种。SDRAM(Synchronous DRAM,同步动态随机存储器),同步是指内存工作需要同步时钟,内部命令的发送与数据的传输都以时钟为基准。

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM,双倍速率SDRAM ) 的不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据,这样就使得数据传输速度得以加倍。在性能和成本优势下,DDR SDRAM成为了目前电脑和服务器中用的最多的内存,这也就是我们今天要讨论的DDR内存。

DDR的演进之路

和其他硬件一样,内存遵循着摩根定律,从古老的SIMM到DDR的出现,再以DDR为基础进行迭代,内存标准和规格发生了很大变化。

从最初KB到GB的跃进,从单条1GB到单条16GB、32GB的进化,内存容量的发展经历了漫长的过程。

在最初的个人电脑上,内存是直接以DIP芯片的形式安装在主板的DRAM插座上面,需要安装8到9颗这样的芯片,容量只有64-256KB,想要扩展十分困难,但这内存容量对于当时的处理器以及程序来说已经足够。不过随着软件程序和新一代80286硬件平台的出现,程序和硬件对内存性能提出了更高要求,为了提高速度并扩大容量,内存必须以独立的封装形式出现,因而诞生了“内存条”的概念。

在80286主板刚推出的时候,内存条采用了SIMM接口,容量为30pin、256kb,必须是由8片数据位和1 片校验位组成1个bank。因此,我们见到的30pin SIMM一般是四条一起使用。自1982年PC进入民用市场一直到现在,搭配80286处理器的30pin SIMM 内存是内存领域的开山鼻祖。

时间来到上世纪90年代前后,PC技术迎来了新的发展高峰——386和486时代,此时CPU 已经向16bit发展,30pin SIMM 内存已经无法满足需求,其较低的内存带宽已经成为亟待解决的瓶颈,并且其8位的数据总线导致采购成本一点都不低,还会增加故障率。此时,72pin SIMM内存出现了。

72pin SIMM支持32bit快速页模式内存,内存带宽得以大幅度提升。72pin SIMM内存单条容量一般为512KB-2MB,而且仅要求两条同时使用,386、486以及后来的奔腾、奔腾Pro、早期的奔腾II处理器多数会用这种内存。由于其与30pin SIMM 内存无法兼容,因此30pin SIMM内存被时代淘汰出局。

早期的内存频率与CPU外频是不同步的,是异步DRAM,细分下去的话包括FPM DRAM(Fast Page Mode DRAM,快速页模式动态存储器)与EDO DRAM(Extended data out DRAM,外扩充数据模式存储器),常见的接口有30pin SIMM与72pin SIMM,工作电压都是5V。

FPM DRAM是从早期的Page Mode DRAM上改良过来的,当它在读取同一列数据时,可以连续传输行位址,不需要再传输列位址,可读出多笔资料,这种方法在当时是很先进的。

EDO DRAM内存是1991-1995年之间盛行的内存条,是72pin SIMM的一种,它拥有更大的容量和更先进的寻址方式,读取速度比FPM DRAM快不少,工作电压为一般为5V,带宽32bit,速度在40ns以上,主要应用在当时的486及早期的奔腾电脑上。

在1991到1995年EDO内存盛行的时候,凭借着制造工艺的飞速发展,EDO内存在成本和容量上都有了很大的突破,单条EDO内存容量达到4MB-16MB。由于奔腾及更高级别的CPU数据总线宽度都是64bit甚至更高,所以EDO RAM与FPM RAM基本都成对使用。

EDO的盛行时间大概是在奔腾到奔腾3之间,之后被SDRAM取代。

随着CPU的持续升级,Intel Celeron系列以及AMD K6处理器以及相关的主板芯片组的相继推出,EDO DRAM已经不能满足系统的需求,内存技术也发生了大革命,插座从原来的SIMM升级为DIMM,而内存也迎来了经典的SDR SDRAM时代。

SDRAM为内存带来了新生机,其64bit带宽与当时处理器总线宽度保持一致,这就表示一条SDRAM就能够让电脑正常运行,大大地降低了内存的购买成本。由于内存的传输信号与处理器外频同步,所以在传输速度上,DIMM标准的SDRAM要大幅领先于SIMM内存。

在这个迭代时期,由于Intel和AMD的频率之争,SDRAM内存由早期的66MHz,发展后来的100MHz、133MHz,内存规范也跟着从 PC66 发展到 PC100、PCIII、PC133 以及不太成功的 PC600、PC700、PC800。

尽管没能彻底解决内存带宽的瓶颈问题,但此时CPU超频已经成为DIY用户永恒的话题。在Intel与AMD的频率竞备时代,Intel为了达到独占市场的目的,与Rambus联合在PC市场推广Rambus DRAM内存,Rambus DRAM内存以高时钟频率来简化每个时钟周期的数据量,因此内存带宽相当出色。Rambus DRAM曾一度被认为是奔腾4的绝配。

尽管如此,曲高和寡的Rambus DRAM内存终究是生不逢时,后来被更高速度的DDR“掠夺”其宝座地位。在当时,PC600、PC700的Rambus RDRAM 内存因出现Intel820 芯片组“失误事件”、PC800 Rambus RDRAM因成本过高无法获得大众用户拥戴,种种问题让Rambus RDRAM胎死腹中,最终拜倒在DDR内存面前。

DDR时代来临

DDR

DDR SDRAM(简称DDR),可以说是SDRAM的升级版本,DDR在时钟信号上升沿与下降沿各传输一次数据,这使得DDR的数据传输速度为传统SDRAM的两倍。由于仅多采用了下降缘信号,因此并不会造成能耗增加。至于定址与控制信号则与传统SDRAM相同,仅在时钟上升沿传输。此外,由于DDR采用了SSTL2标准的2.5V电压,低于SDRAM的LVTTL标准下的3.3V电压,因此功耗更低。

DDR内存是作为一种在性能与成本之间折中的解决方案,其目的是迅速建立起牢固的市场空间,继而一步步在频率上高歌猛进,最终弥补内存带宽上的不足。

初代DDR内存的频率是200MHz,随后慢慢的诞生了DDR266、DDR333和那个时代主流的DDR400,至于那些500MHz、600MHz、700MHz的都算是超频条了。DDR内存刚出来的时候只有单通道,后来出现了支持双通道的芯片组,让内存的带宽直接翻倍,容量则是从128MB增加到1GB。

DDR2

随着CPU处理器前端总线带宽的不断提高和高速率局部总线的出现,DDR的性能成了制约处理器性能的瓶颈。因此 2003年Intel公布了 DDR2 SDRAM的开发计划。

与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是,虽然同是采用了在时钟的上升/下降沿同时进行数据传输的基本方式,但DDR2内存却拥有两倍以上于上一代DDR内存预读取能力。

DDR2能够在100MHz 的发信频率基础上提供每插脚最少400MB/s的带宽,而且其接口将运行于1.8V电压上,从而进一步降低发热量,以便提高频率。从JEDEC组织者阐述的DDR2标准来看,针对PC等市场的DDR2内存将拥有400、533、667MHz等不同的时钟频率,高端DDR2内存拥有800、1000、1200MHz频率。

此外,值得注意的是,DDR2舍弃了传统的TSOP,开启了内存FBGA 封装之门,减少了寄生电容和阻抗匹配问题,增加了稳定性。

DDR3

2007年,JEDEC协会正式推出 DDR3 SDRAM规范,DDR3开始走向舞台。

相比于DDR2,得益于生产工艺的精进,DDR3的工作电压从1.8V降到1.5V和1.35V(DDR3L),进一步降低了功耗,减少了发热量,并采用了根据温度自动自刷新、局部自刷新等功能,在一定程度弥补了DDR3延迟时间较长的缺点。

同时,因为DDR3可以在1个时钟周期输出8bit的数据,而DDR2是4bit,因此其单位时间内的数据传输量是DDR2的2倍。DDR3的速度从800MHz起跳,最高可以达到1600MHz。DDR3内存与DDR2一样是240Pin DIMM接口,不过两者的防呆缺口位置是不同的,不能混插。常见的容量是512MB到8GB,当然也有单条16GB的DDR3内存,只不过很稀少。

Intel酷睿i系列(如LGA1156处理器平台)、AMD AM3主板及处理器的平台都是其“支持者”。

时至今日,DDR2和DDR3陆续开始退出市场。

三星已在2021年末Q4确定停产DDR2;同时三星及海力士计划逐步退出DDR3市场。根据DDR3市占率顶峰期2014年的数据(市占率达84%)显示,三星及海力士市场份额达67%,短期内,两大内存厂商退出市场将在供给端造成显著空缺。

DDR4

早在遥远的2007年,有关DDR4内存标准的一些信息就被公开。

在美国旧金山2008年8月举行的英特尔开发者论坛上,一位来自奇梦达的演讲嘉宾提供了更多关于DDR4的公开信息。在当年关于DDR4的描述中,DDR4将使用30nm制程,运行1.2V的电压、常规总线时钟频率速率在2133MT/s,“发烧”级别将达到3200MT/s,于2012年推出市场,到2013年时运行电压将改进至1V。

然而到了2011年1月,三星电子宣布完成DDR4 DRAM模块的制造和测试,采用30nm级工艺,数据传输率为2133MT/s,运作电压在1.2V,这也是史上第一条DDR4内存。在此之前,三星电子40nm制程的DRAM芯片的成功流片,成为DDR4发展的关键。

三个月之后,SK海力士宣布2400MT/s速率的2GB DDR4存储器模块面世,运作电压同样在1.2V,同时宣布预计在2012年下半年开始大批量生产。此后的2012年5月,美光宣布将在2012年后期使用30nm制程生产DRAM及闪存颗粒。

然而直到2014年,DDR4内存才首次得到应用,首款支持DDR4内存的是英特尔旗舰级x99平台。2014年底,起跳频率为2133MHz的DDR4内存产品陆续开始纷纷上市,随着2015年8月,英特尔发布Skylake处理器和100系列主板,DDR4开始真正走向大众,也标志着DDR4时代的到来。

与DDR3相比,DDR4的工作电压从1.5V降到1.2V和1.05V(DDR4L),这意味着功耗更低,发热量更小了。速度方面,DDR4从2133MHz起跳,最高速度可达4266MHz,接近DDR3的三倍。

原因在于,一方面DDR4除了可支持传统SE信号外,还引入了差分信号技术,即进化到了双向传输机制阶段;另一方面,DDR4采用了点对点的设计,简化了内存模块的设计,更容易实现高频化;此外,DDR4还采用了三维堆叠封装技术,增大了单位芯片的容量的同时,还采用了温度补偿自刷新、温度补偿自动刷新和数据总线倒置技术,在降低功耗方面起到了很好的效果。

另外DDR4增加了DBI、CRC、CA parity等功能,让DDR4内存在更快速与更省电的同时亦能够增强信号的完整性、改善数据传输及储存的可靠性。

从DDR到DDR3,每一代DDR技术的内存预取位数都会翻倍,前三者分别是2bit、4bit及8bit,以此达到内存带宽翻倍的目标。不过DDR4在预取位上保持了DDR3的8bit设计,因为继续翻倍为16bit预取的难度太大,DDR4转而提升Bank数量,一个rank单元内的Bank单元数量增长至16个,每个DIMM模块最高拥有8个rank单元。

DDR5

内存技术的发展与PC市场始终相辅相成。

Intel和AMD的处理器竞争越演愈烈,内存的性能成为新的瓶颈。早在2017年,负责计算机内存技术标准的组织JEDEC就宣称将在2018年完成DDR5内存的最终标准,美光、三星等内存厂商在2018年也就开始研发16GB的DDR5产品,甚至在2019年几个厂商都已经开始逐渐量产DDR5内存。但是直到2020年7月,JEDEC才正式发布了DDR5内存的标准,而且起跳就是4800MHz,这比原先想象的要高出不少。

据JEDEC介绍,DDR5标准将提供两倍于上代的性能并大大提高电源效率。在DDR5内存标准下,最高内存传输速度能达到6.4Gbps。此外,DDR5也改善了DIMM的工作电压,将电压从DDR4的1.2V降至1.1V,能够进一步提升内存的能效表现。

DDR5可以使系统通道数再翻倍(图源:Mircon)

在内存密度方面,DDR5内存标准将允许单个内存芯片的密度达到64Gbit,这比DDR4内存标准的16Gbit密度高出4倍。如此高的内存密度,再结合多芯片封装技术,可以实现最高40个单元的堆叠,如此堆叠的LRDIMM有效内存容量可以达到2TB。

据DIGITIMES报道,三星电子、SK海力士和美光科技均已扩大其DDR5芯片产量,旨在加速行业从DDR4向DDR5的过渡。消息人士称,将2022年视为DDR5的预热年,2023年DDR5渗透率将大幅提升。

从1998年三星生产出最早的商用DDR SDRAM芯片到现在,已经过去了20多年,DRAM内存市场一直在发展,从DDR到DDR2、DDR3、DDR4、DDR5,然后是正在研发的DDR6。

从DDR技术和JEDEC规范的演进过程中,我们可以看到,为了配合整体行业对于性能、内存容量和功耗的不断追求,规范的工作电压越来越低,芯片容量越来越大,IO的速率也越来越高。

从最早的128Mbps的DDR发展到了当今的6400Mbps的DDR5,每一代DDR的数据速率都翻倍增长。

根据Yolle分析,两代内存之间的过渡时间大概只需要两年。这意味着到2023年,DDR5 内存的市场份额将高于DDR4的情况,到2026年,DDR4份额应降至5%以下。整个DRAM市场预计到2026年将达到2000亿美元。

DRAM的分支与演进

按照应用场景,DRAM分成标准DDR、LPDDR、GDDR三类。JEDEC定义并开发了这三类标准,以帮助设计人员满足其目标应用的功率、性能和尺寸要求。

标准型DDR:针对服务器、云计算、网络、笔记本电脑、台式机和消费类应用程序,允许更宽的通道宽度、更高的 密度和不同的外形尺寸;

GDDR:Graphics DDR,一般称之为显存,“G”代表Graphics,顾名思义,GDDR就是针对图形显示卡所特化的一种DDR内存。2000年后电脑游戏的发展和火爆,人们对于显卡性能需求日益增长。运行电脑游戏对显卡GPU有高速数据交互需求,而且GPU与显存之间的数据交换非常频繁,特别是3D游戏的纹理贴图对显存带宽和容量的要求更高。因此,GDDR应运而生,GDDR适用于具有高带宽需求的计算领域,例如图形相关应用程序、数据中心和AI等,与GPU配套使用;

LPDDR:Low Power DDR,是DDR SDRAM的一种,又称为 mDDR(Mobile DDR SDRAM),是JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的通信标准,以低功耗和小体积著称,提供更窄的通道宽度,专门用于移动式电子产品。

DDR、GDDR、LPDDR,分别作为电脑、显卡、手机的内存,都有各自耕耘和专攻的领域,尽管类型多种多样,但万变不离其宗,都是基于DDR的一些原理演变而来。

但从不同类型内存发情况来看,它们目前包括以后的关系将不再是继承发展而是平行发展的关系。DDR将继续稳步的走性能路线,而GDDR也更加专注对带宽和容量的优化,至于移动端的扛把子LPDDR近年来市场需求旺盛,技术迭代压力大,有望继续领跑。同时,三种内存上所采用的新技术也可反哺DDR家族,为它们各自的的发展提供借鉴和技术验证。

另外,对于迫切需要高带宽的应用,比如游戏和高性能计算,高带宽内存(HBM)成为绕过DRAM传统IO增强模式演进的优秀方案。

高带宽内存(HBM)

HBM直接和处理器封装的方式不再受限于芯片引脚,突破了IO带宽的瓶颈。另外DRAM和CPU/GPU物理位置的接近使得速度进一步提升。

在尺寸上,HBM也使整个系统的设计大大缩小成为可能。目前,HBM2在很大程度上是GDDR6的竞争对手。不过从长远看,因为2D在制造上接近天花板,DRAM仍有很强的3D化趋势。

DDR市场格局与国产进展

高资金壁垒、高技术壁垒促使DRAM供应端形成寡头垄断市场。存储芯片的设计与制造产业具备较高的技术壁垒和资本壁垒,早期进入存储器颗粒领域的头部企业具备显著的竞争优势。同时随着晶圆制程的不断提升芯片设计和研发的难度持续提升,晶圆制造产线的投资额也随之增长,IDM 模式的存储芯片企业资本支出高企。

历经几十年间的多轮行业周期与技术变革后,存储芯片市场形成了寡头垄断格局,市场被韩国和美国的龙头企业主导。从DDR内存芯片市场来看,三大巨头三星、SK海力士、美光技术存在领先优势,据统计数据,三大巨头2021年市占率合计占比超90%。中国台湾存储企业华邦及南亚科技,大陆存储企业长鑫存储为技术追赶者。

目前市场上具备DDR5/LPDDR5量产能力的仅为三星、海力士、美光。国内存储龙头合肥长鑫存储计划于2022Q1进行DDR5的试量产。长鑫存储于2016年成立,为业内追赶者,发展较为迅速。长鑫存储于2019年9月发布自主研发的8Gb DDR4芯片正式量产,采用19纳米工艺打造。2020年长鑫存储的DDR4及LPDDR4(X)已入市,主要用于国产的PC/手机端,性能获得市场的认可、价格具备市场吸引力。

有消息称,长鑫存储今年还将投产17nm工艺的DDR5内存,未来还会有10G5工艺和DDR6的升级,可见我国在内存芯片领域正在加速追赶,未来在这一领域或将不再受限于国外垄断。

此外,芯动科技近日也在LPDDR5X领域率先突破10Gbps,以先进FinFet工艺量产全球最快LPDDR5/5X/DDR5 IP一站式解决方案。除了速度的提升,延迟也降低了15%,非常适合5G通信、汽车高分辨率AR/V、AI边缘计算等应用场景。

除了LPDDR5/5X/DDR5,近期芯动科技还正式发布了全球首款GDDR6X高速显存技术,首发的GDDR6/6X Combo IP,单个DQ能达到21Gbps超高速率,已经在多个先进FinFet工艺成功量产出货。芯动科技还率先推出自主研发物理层兼容UCIe标准的IP解决方案Innolink Chiplet,这是首套跨工艺、跨封装的Chiplet连接解决方案,且已在先进工艺上量产验证成功。

值得一提的是,今年5月,国内又一家科技公司澜起科技正式宣布,已成功首发试产面向DDR5内存的第二代RCD芯片。RCD芯片是一种缓冲器,位于内存控制器和DRAM IC之间,可以重新分配模块内的命令/地址信号,从而提升信号完整性并将更多内存设备连接到一个DRAM通道。

另外,澜起科技还发布了全球首款CXL内存扩展控制器芯片MXC,该芯片可大幅扩展内存容量和带宽。之后不久,三星电子发布首款512GB内存扩展器DRAM模组,该内存模组的CXL内存扩展控制器芯片就是采用了澜起科技的MXC。

财信证券表示,高流量应用场景的逐步落地要求更高的服务器性能,而处理器厂商陆续推出新平台标志DDR5开始取代DDR4,这将带来内存接口芯片单价的提升,同时配套芯片的引入也会带来增量空间。

从1971年英特尔发明第一块DRAM开始,这个产业起起伏伏发展了50多年。DRAM行业领头羊也从美国换到日本,如今花落韩国。

毫无疑问,随着国产DDR5内存的诞生,市场竞争还会进一步加强。

在过去十几年,韩国统治了内存市场,但对未来的情况谁都无法预测。长鑫存储用6年追到只差三星1-2代,也许再用5年就能完全追平三星。

毕竟,所有燎原的大火都起源于一粒火种。

责任编辑:未丽燕 来源: 半导体行业观察
相关推荐

2022-04-07 09:50:07

DDR5内存CPU

2022-06-06 13:59:26

2021-12-29 19:33:53

2022-03-17 16:16:32

DDR5DDR4软件

2021-11-30 21:27:02

2020-02-03 13:55:49

技术研发指标

2020-09-16 19:30:29

内存

2020-07-16 10:48:42

DDR5内存宽带

2021-11-24 10:02:50

2021-06-15 15:02:52

2009-03-24 17:31:50

2018-11-19 09:47:04

2018-05-21 12:02:22

同话题下的热门内容

面向高性能计算场景的存储系统解决方案为大数据而生 潮数推出专业归档系统产品西部数据以创新存储方案,突破数据存储边界,赋能开放计算潮数科技推进重庆江北卫健委“平安卫健”工程致态TipPlus5000高性能助力NAS高效运行解析分布式存储选型和应用九个典型问题认清企业数字化转型的四个层次,走出属于自己的数字化转型成功之路小红书KV存储架构:万亿级数据与跨云多活不在话下

编辑推荐

恢复时间目标(RTO)和恢复点目标(RPO)的理解差异有关RAID 5磁盘阵列数据恢复的问题集锦Redis集群方案怎么做?大牛给你介绍五种方案!Rancher Labs CEO梁胜:简化操作,让技术真正用起来NAS与SAN架构:如何比较这两个存储系统
我收藏的内容
点赞
收藏

51CTO技术栈公众号