2020年7月,，JEDEC固態(tài)技術協(xié)會正式發(fā)布了新的主流內存標準DDR5 SDRAM的最終規(guī)范,，這意味著新一輪的內存升級換代又要開始了！
自上一代DDR4內存標準的問世到現(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預測,，新一代的DDR內存標準早該駕到了,，由此足見在內存領域技術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內存標準之間的比較 （資料來源：JEDEC）
DDR5標準推出之后,，Micron等內存及模塊制造商都已經(jīng)積極行動起來,，陸續(xù)推出了相關的樣品，為即將到來的新一波內存升級潮積極備戰(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玄機,。
DDR5升級背后的技術玄機
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,，提高整體的通道并行能力,、靈活性和數(shù)量，進而優(yōu)化內存整體的能效,。
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內存條的變化
當然,，想要最大程度上釋放出一個全新內存標準的威力，DIMM內存模塊的設計也十分重要,。DDR5標準的順利升級,，也必然需要內存模塊方案的變化，為其提供助力,。從Micron提供的技術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進行電壓調節(jié),，由于將電源管理的功能從主板轉到更靠近內存芯片的模塊上,，因此這種電源架構可降低主板的復雜性、提升電源轉換的效率,、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)控關鍵參數(shù)以掌握模塊工作時與功率,、散熱等相關的詳細信息,。
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)調整流量變化,，或者改變風扇速度,，通過調優(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資源，如：
1．產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊,、電氣模型,、熱模型和仿真模型等技術資源，以幫助其產(chǎn)品開發(fā)和平臺搭建
2．選擇可用的DDR5元件與模塊樣品
3．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
4．技術支持和培訓資料
簡言之,，在需求發(fā)展的大趨勢下，面對DDR5,，除了“升級”跟上技術進步的節(jié)奏,，實際上我們沒有其他的選擇。現(xiàn)在的關鍵就在于,，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分銷商,，也會為你提供全面和專業(yè)的支持。