2020年12月11日 | 新一代内存DDR5在设计中所面临的挑战

双数据速率DDR DRAM经过几次迭代后，其速度有着明显的进步。这也为设计者构建内存设备创造了新的可能性，甚至也会带来一些奇怪的问题。

为了满足包括客户机系统和高性能服务器在内的各种应用程序对高效性能日益增长的需求，JEDEC固态技术协会发布了JESD79-5 DDR5 SDRAM标准。其中，后者正面临来自密集云计算和企业数据中心应用程序的越来越多的性能压力。总的来说，与DDR4相比，DDR5规范为开发人员提供了两倍的性能，大大提高了功耗。

先讲一下JEDEC 大体定义类别，JEDEC 定义了应用广泛的三类 DRAM 标准，以满足各种应用的设计要求：

1、标准 DDR 面向服务器、云计算、网络、笔记本电脑、台式机和消费类应用，支持更宽的通道宽度、更高的密度和不同的形状尺寸。DDR4 是这一类别目前最常用的标准，支持高达 3200 Mbps 的数据速率。DDR5 DRAM 的运行速度高达 6400 Mbps，预计将在 2020 年问世。

2、移动 DDR （LPDDR） 适用于对面积和功耗非常敏感的移动和汽车应用。LPDDR 提供更窄的通道宽度和几种低功耗工作状态。LPDDR4 和 LPDDR4X 支持高达 4267 Mbps 的数据速率，是该类别中的常用标准。最大数据速率为 6400 Mbps 的 LPDDR5 DRAM 预计将于 2020 年问世。

3、图形 DDR （GDDR） 面向需要极高吞吐量的数据密集型应用程序，例如图形相关应用程序、数据中心加速和 AI。GDDR 和高带宽存储器（HBM）是这一类型的标准。

再转到DDR5上面，相比上一代内存技术，全新的DDR5内存技术究竟带来哪些升级？细节如下

从 JEDEC DDR 协会的标准来看，DDR5 主电压从 1.2 V 降低至 1.1 V，将最大芯片密度提高了 4 倍，最大数据速率提高一倍，突发长度增加一倍，存储单元组数增加一倍。当然，随着以上特性的提升，内存成本和售价有望进一步拉升。简而言之，JEDEC DDR 规范可允许在 DDR5-6400 上完成 128 GB 的无缓冲 DDRM 模块。在电源允许的情况下，RDIMM 和 LRDIMM 能够做到更高。

具体来说，DDR5标准的架构是为了在不降低信道效率的情况下提高可伸缩性性能，并在更高的速度下提高信道效率，这是通过将突发长度增加一倍至BL16并将内存数量Bank增加到32来实现的。JEDEC将DDR5架构描述为“革命性”，因为它提供了更好的信道效率和更高的应用级性能，这将使下一代计算系统能够继续发展。为了提高可靠性和效率，DDR5 DIMM在同一个模块上拥有两个40位完全独立的子通道。

此外，可以看到DDR5再次提高了内存带宽，内存频率相较DDR4更快。我们知道，目前笔记本市场DDR4内存产品普遍频率为2666MHz、2933Mhz、3200MHz，甚至某些机型应用更高端的3733MHz高频内存。而JEDEC表示DDR5内存频率预计将以4800MHz频率推出，比DDR4官方3200Gbps速度提升50%，总传输带宽提升38%，最高有望达到6400MHz频率。性能大幅升级背后，是因为DDR5内存芯片Bank数量升级到32，自刷新速度提升到16Gbps，VDD工作电压从DDR4的1.2V降到1.1V，进一步降低功耗。因为功耗上限低关系，DDR5低功耗在笔记本上表现会尤为明显。

另外，相比上代产品DDR5内存密度更大，芯片堆叠次数更多。官方数据表明DDR5单个内存芯片密度可达到64Gbit，最大UDIMM容量为128GB，相比DDR4高出4倍。意味着DDR5单个内存芯片密度大幅增加，加上8个Die堆叠为一个芯片，那么40个内存芯片组成的LRDIMM可以达到2TB有效内存容量。

Objective Analysis公司首席分析师Jim Handy表示，尽管DDR4取得了重大进步，但DDR5对设计师来说并不意味着彻底的改变。“自从第一个DDR参考设计被用于所有的主板设计以来，从连接器到调光器，每个部分的内存子系统都必须通过验证。 所以从设计的角度来看，DDR4和DDR5之间没有什么太大区别。”

他介绍，不是所有设计师需要在两者之间做出选择。这个决定是由处理器制造商做出。一个处理器可能需要使用DDR4，而另一个处理器可能需要使用DDR5。除了处理器架构师，唯一可以选择的是那些设计自己的FPGA和ASIC的人。“这些设计中使用DRAM的并不多。”

Handy表示，DDR5最值得注意的方面是它比DDR4要快，“但事实上DDR4已经快得惊人了。”

DRAM制造商Micron Technology首席设计师Frank Ross表示，DDR5没什么大的挑战，不过将电压调节从系统转移到DIMM还需要一些时间来适应。对我们来说，在DIMM上安装这些设备、简化主板和改善电力传输网络都有很大的优势。”

DDR4和DDR5之间的差异带来的挑战并不大。“每次测试DDR5的速度时，将会有一些新挑战，以确保信号良好，这来自于系统设计和主板设计方面。因此，需要开发很多新的训练算法。

Ross介绍，将DRAM的速度从进行迭代，将会涉及很多的内容，但所有提高DDR5的工作都是为了确保该规范能够在未来长期运行，这就是为什么可靠性是至关重要的。例如，密度从16Gb开始，最终是32Gb，中间可能是24 Gb。“由于这将持续很长一段时间，对我们来说最重要的是要确保我们将解决DRAM的扩展问题，所以我们真的必须非常密切地关注可靠性。”

从用例场景来看，因为大量DRAM需求来自支持企业级私有和公共云的数据中心，这些云将快速增长，DDR5的初始更新也将在这些数据中心进行。“我们必须确保高可靠性的DRAM可以提供大规模操作。Ross表示，带宽翻倍只是性能提升的一部分;效率(比如更好的总线利用率)也是DDR5的一个优点。“我们希望保持数据总线的持续使用。通过为系统提供更多的bank来刷新并发的数据访问操作，DDR5提供的是比DDR4更大的性能提升。

名词解释：

1.RDIMM即Registered DIMM，表示控制器输出的地址和控制信号经过Reg寄存后输出到DRAM芯片，控制器输出的时钟信号经过PLL后到达各DRAM芯片。

2. UDIMM：无缓冲双信道内存模块 (Unbuffered Dual In-Line Memory Modules，UDIMM).(一般常用的内存条，用于一般家商用)，UDIMM 表示控制器输出来的地址和控制的信号直接到达DIMM的DRAM芯片上。它不支持服务器内存满配，就是最高容量了，因为使用UDIMM内存时最大使用每通道只能用2个插槽，但支持3通道，所以只能每边插6条，一共12条内存，不能插满18个插槽，虽然性能会有所下降，但是对于预算比较有限的用户来说，是个很好的方案。