性能、容量和功耗上大幅度提升的DDR5想要成为市场的主流还要多久?

自1946年以来,范纽曼型架构以“存储程序”的计算机设计理念,奠定了计算机科学软件与硬件分离的基础。在范纽曼型架构中,运算与存储可谓是计算机发展的核心驱动。直到如今,内存仍然在计算机中扮演着非常重要的角色。

随着巨量资料爆发式增长,对算力的要求日益提高,内存也随之朝向更高容量、更快速度、更低能耗、更小尺寸等方向不断发展。为满足日趋复杂多样的市场需求,业界始终在寻求DDR内存性能、容量与功耗等方面的平衡。从DDR到DDR5,DDR内存标准及规格发生了“翻天覆地”的变化,工作电压逐渐降低,芯片容量和资料速率不断提升,内存带宽也得到大幅度的提升。

纵观DDR内存演进过程,其反复运算升级与处理器的性能提升息息相关。发展初期,处理器算力和资料量还不算很大,内存直接以DIP芯片形式存在。随后,处理器对内存容量的需求不断增大,内存进入SIMM时代。从30pin到72pin的反复运算过程中,单个内存带宽从8位元增加到32位元,内存容量也从256KB增长至512KB甚至更大。

随着处理器算力和性能不断提高,对内存的容量和性能也提出了更高的要求,DIMM内存应运而生。DIMM标准SDR SDRAM带宽提高至64位元,与处理器总线带宽一致,大幅降低了系统成本。而后,Intel与Rambus联合推出Rambus DRAM,但由于成本高昂、频率高、效率低等问题尚未全面普及开来。

最终成功走进市场的是DDR SDRAM,即双倍数据率同步动态随机访问内存。与SDR SDRAM相比,DDR SDRAM在时钟周期内,遇正缘与负缘都将触发信号传输,功耗并未增加,但资料传输速率却提升了一倍。同时,为了平衡内存控制器兼容性与性能,寻址和控制信号仅遇正缘传输。

对于最新的DDR5标准,与DDR4相比,DDR5在性能、容量和功耗上都有着大幅度提升。可以直观地看到,DDR4资料传输速率最大能达到3.2Gbps,而在全新的DDR5标准下,首次便以4.8Gbps为基准,最高资料传输速率能够达到8.4Gbps,比DDR4资料速率提升了50%以上。从内存电压来看,DDR5内存电压也从DDR4的1.2V降低至1.1V,信号源则更新为PODL信号。

DDR5性能指标(图片来源:JEDEC)

在信道架构方面,DDR5每个DIMM上有两个信道,且每DIMM提供两个独立的40位元资料信道(包含8位元ECC),缓存内存行仍为64字节。虽然内存接脚数量并没有改变,仍然是288个,但单个接脚定义不同,因而并不能向下兼容。因此,内存运行延时降低,内存效率得到大幅提升。此外,DDR5 SDP提升至64GB,DIMMs容量也提升至256GB。通过全新的堆栈技术,DDR5做到了16个DRAM堆栈。

DDR5内存结构(图片来源:Rambus)

在JEDEC固态技术协会于2017年宣布DDR5内存标准的发布计划之后,三星、美光、SK海力士等诸多龙头厂商纷纷开始押注DDR5内存,企图以反复运算速度争夺市场发言权。然而,直至2020年7月,DDR5内存标准才正式发布,这比JEDEC预计的时间要晚了整整两年,但内存频率起步4800MHz,比预想中要高得多。

对于DDR5内存标准,JEDEC固态技术协会将其视为具有革命意义的内存架构。随着数据中心、边缘运算等迅速发展,对于低延迟、低功耗、大带宽和高速率的需求进一步提高。据Yole预测,2022年开始,DDR5内存市场将从服务器市场切入,不断扩展至手机、笔记本和PC等主流市场。预计至2023年,DDR5将广泛应用于这些领域,出货量也将持续提高,并逐步完成从DDR4到DDR5的应用过渡。

在芯片供应商和模块厂商不断加大DDR5内存布局的趋势下,Intel、AMD等厂商也陆续推出支持DDR5内存的产品及平台。前段时间,Tom’s Hardware消息指出,三星和SK海力士已经有计划停止DDR3内存的生产。这也意味着,DDR3内存即将退场,而DDR5内存将进入放量增长的黄金发展期,生态系统统也将进一步完善。

DDR5内存的真正普及需要两到三年时间,而据市场调研机构Omdia预测,在整个DRAM市场中,2022年DDR5内存市场占有率将达到10%,而在2024年,这一占有将进一步提升至43%。