內存的新時代到來：DRAM內存升級之路漫漫

內存的新時代要來了。

從最早的作為焊接在主板上的IC電子元件，到更為人性化的“插拔式”內存條，內存條的發展也經歷了從SIMM(單列直插式內存模塊)、EDO DRAM(擴展數據輸出內存)、SDRAM(同步動態隨機存取內存)到DDR(雙倍速率同步動態隨機存儲器)這幾個階段的技術革新，DDR作為一種在性能與成本之間折中的解決方案，從一出生就占據著明顯優勢，并經歷了DDR2、DDR3、DDR4的更迭，但與此同時也迎來了新的問題。

DRAM內存升級之路漫漫

從本質上講，內存分為作為程序運行的空間(DRAM)和存儲數據的空間(NAND)兩個用途，但在現階段，單位價格的增長容量緩慢和速度跟不上CPU、由于在每個時鐘周期內要給小電容重新放電造成的能耗過高的問題，成為了商業用戶的心頭之痛，無論是數據中心、高性能計算還是運營商網絡，DRAM的這些問題都帶來了不小的麻煩。DRAM的技術瓶頸無法滿足日益增長的容量速度功耗需求。

基于DRAM本身的局限性，DDR的進步也比較緩慢，從DDR3到DDR4的進步足足花了5年有余，而市面上“最新”的DDR4，也是在2012年開始發布第一版的。得益于半導體工藝的進步，在今年7月份，JEDEC固態技術協會也是發布了下一個主流存儲器標準DDR5 SDRAM的最終規范，這可謂是千呼萬喚始出來，同時也標志著存儲器開發的又一個重要里程碑。

JEDEC發布DDR5規范

雖然按照JEDEC原本的計劃，DDR5的最終規范本應該在前年推出，但絲毫沒有影響DDR5最終規范的重要性，與之前的每次迭代更新一樣，DDR5的內存密度和速度再次得到了更新。單個存儲芯片達到了64Gbit的密度，相較DDR4的最大16Gbit密度提升了3倍;最大內存速度為6.4Gbps，是DDR4的兩倍;Burst Length從8n增加到16n這樣在時鐘頻率不變的情況下可以實現帶寬翻倍。

DDR5可以使系統通道數再翻倍

與此同時，DDR5也有一些新特性，例如I/O和CA通道的訓練模式、DFE、On-die ECC等功能，都是對服務器、數據中心等等的重大利好，但這些這也將帶來更多的設計、測試和兼容挑戰。預計到2023年上半年，DDR5將成為主流的DRAM技術，基于新標準的硬件將在服務器級別開始采用，然后再推廣到客戶端PC和其他設備。美光首席架構師、高級技術成員、JEDEC理事會成員Frank Ross表示，DDR5標準為業界提供了主存性能方面的關鍵進步，使下一代計算能夠將數據轉化為對云、企業、網絡、高性能計算和人工智能應用的洞察力。

美光首席架構師、高級技術成員、JEDEC理事會成員Frank Ross

而上文曾提到的能耗過高的問題也有望在DDR5時代得到解決，DDR5的Vdd從DDR4的1.2V降低到了1.1V，性能得到了翻倍，從而降低了每bit的功耗。IT行業不斷增長的能源需求是一個日益嚴重的問題。之前曾有數據預測到2030年，IT 技術和通信技術將消耗全20%的電力，而這會隨著人工智能、區塊鏈和大數據等高性能應用消耗越來越多的能量而不斷增加。例如，訓練一個人工智能模型，其碳排放量是美國普通汽車平均壽命期內(包括制造過程)排放的5倍。對于那些注重氣候和預算的企業來說，DDR5不僅可以節省數據中心的運營成本，同時也讓他們無需擔心能耗過高的問題。

相比DDR4，DDR5的VDD降低到了1.1V

作為一家創新內存和存儲解決方案的廠商，美光在今年1月份宣布將開始出貨DDR5寄存型 DIMM (RDIMM)，以第三代的10納米級1z納米制程打造(1z納米制程大概位于12到14nm節點之間)，ECC DIMM規格，頻率DDR5-4800，相較DDR4-3200存儲器性能提升了87%，從而應對下一代服務器負載。

如同以往一樣，每次制定新的DRAM標準時，必須要克服很多挑戰才能開發出性能過硬的解決方案，美光從一組與性能、功耗和特性相關的目標開始入手，將每個目標與其他目標進行對比分析，以找到架構的“最佳應用點”。同樣地，在設計復雜性、功耗和性能方面，美光的設計和驗證團隊、架構專家和產品工程團隊在DDR5的定義和開發過程中，通過加強協作來設計電路和系統，并進行全面的仿真和數據分析，最終得到了相對完善的設計。

為了實現較高的目標寬帶，美光結合了DFE等新特性，目的是使系統能夠在所要求的信號和時序余量下工作。為了提高可靠性并支持將來的DRAM擴展，美光在設計過程中增加了硅片糾錯碼，從而可以對很多不同的方案進行評估以促進最優實現。而一些其他從DDR4升級到DDR5的新特性，例如使用單周期對比雙周期命令，以及增加命令總線帶寬等，則需要在功耗和復雜性之間進行權衡，最終采用了新的刷新模式來提高數據總線的利用率，但增加了復雜性。

美光年初出貨DDR5寄存型DIMM

當前快速擴展的數據集和計算密集型應用程序導致的高級工作負載促進了處理器內核數量的增長，而當前的DRAM技術難以滿足其帶寬需求。DDR5對由指數級數據增長驅動的下一代應用，例如大數據、高性能計算、人工智能和機器學習應用十分有利。在Frank Ross看來，為了處理流經這些應用的大量數據，服務器和數據中心基礎設施需要更大的內存帶寬，而這是前幾代DRAM做不到的。隨著數據的爆炸式增長，從這些數據中心工作負載中實現價值并提取價值的關鍵在于DDR5可以提供性能更高、密度更大、質量更好的內存。

DDR5與前幾代DDR內存性能對比

為了確保合作伙伴能夠隨時獲得他們所需的技術信息和產品來消除采用DDR5時可能遇到的障礙，今年7月美光啟動了一項綜合的技術賦能計劃(Technology Enablement Program, TEP)，在該項計劃中，之前采用DDR4的企業可以隨時獲得過渡到DDR5時所需要的的資源。隨著商用DDR5支持平臺的推出，美光也將提供DDR5顆粒和模組的指南，從而幫助企業根據實際需求選擇和驗證合適的美光DDR5產品。

美光啟動DDR5賦能計劃

加入到賦能計劃的合作伙伴，除了可以得到美光提供的物理樣片之外，還可以得到電氣和熱模型、行為/功能模型、信號完整性模型和生態系統支持。從而提升服務器平臺和嵌入式系統的開發。美光計算與網絡事業部業務發展總監Jim Jardine稱：“在DDR5生命周期的這一階段，我們不僅重視為合作伙伴提供美光產品相關的信息和資源，更重視在合作伙伴與生態系統之間建立聯系，這些生態系統的合作伙伴可以幫助設計DDR5接口和控制器，例如Cadence、Montage、Rambus、Renesas和Synopsys等企業。”

美光計算與網絡事業部業務發展總監Jim Jardine

與任何新生技術一樣，DDR5整個的生態系統也需要時間并整合產品和解決方案。美光方面認為其專長、知識和帶頭作用有助于指導合作伙伴采用 DDR5。其TEP計劃和全球布局規模使得合作伙伴更容易參與其中。美光的賦能計劃旨在為這些合作伙伴提供一種智能的方式來實現自助服務，例如方便的獲取電氣和熱模型、數據手冊和培訓材料，以便他們能夠以適合自己的速度向前推進。

作為DDR4的后繼者，DDR5是下一代同步動態隨機存取存儲器。從DDR4到DDR5的跨越是一個更大的飛躍，在需要更多帶寬的驅動下，DDR5性能更強、可擴展性更高、支持密度更高，在引領大數據和AI時代方面，牢固地占據了一席之地。美光作為較早做出DDR5規劃的廠商，不僅早早將DDR5納入路線圖，并在今年推出了1z納米制程DDR5寄存型 DIMM，并計劃在未來陸續推出1α和1β納米制程。在可預見的未來數年來，無論是技術還是產品方面，DDR5的成熟終將為存儲市場再次注入新的生命力。