基于云計(jì)算和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的興起將現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)的界限推向了極限。這正是 DDR5 旨在滿足高性能服務(wù)器需求的原因。

2025年全球存儲(chǔ)芯片行業(yè)進(jìn)入新一輪技術(shù)迭代與市場(chǎng)格局重塑的關(guān)鍵階段。隨著云計(jì)算、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心等新興領(lǐng)域的爆發(fā)式增長(zhǎng)，存儲(chǔ)芯片的需求呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)性分化，高帶寬、低功耗、大容量的產(chǎn)品成為市場(chǎng)主導(dǎo)。全球市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)突破2000億美元。

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DRAM和NAND Flash繼續(xù)占據(jù)市場(chǎng)核心地位。中國(guó)在長(zhǎng)江存儲(chǔ)、長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)等企業(yè)的推動(dòng)下，NAND與DRAM產(chǎn)能占比分別達(dá)到18%和12%，但在128層以上3D NAND領(lǐng)域與國(guó)際頭部廠商存在1-2代技術(shù)差距。

本文將主要從內(nèi)存趨勢(shì)、DDR5相對(duì)DDR4的七個(gè)優(yōu)勢(shì)來(lái)探討DDR5在新一輪技術(shù)迭代中的先進(jìn)性。

Part 1

內(nèi)存趨勢(shì)：遵循與CPU開(kāi)發(fā)的類(lèi)似方向

在各種大趨勢(shì)匯合的推動(dòng)下，全球數(shù)據(jù)流量正以近乎指數(shù)級(jí)的速度增長(zhǎng)。例如，5G網(wǎng)絡(luò)使數(shù)十億AI驅(qū)動(dòng)的IoT設(shè)備擺脫了有線網(wǎng)絡(luò)的束縛，而AI/ML對(duì)大量數(shù)據(jù)集的貪婪需求正以每年10倍的速度飆升。

隨著游戲和電子競(jìng)技的普及，全球近10億玩家?guī)?lái)了對(duì)4K圖形不斷增長(zhǎng)的需求，娛樂(lè)和商業(yè)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)密集型視頻流繼續(xù)加速。最后，為復(fù)雜的自動(dòng)駕駛汽車(chē)提供動(dòng)力的不斷發(fā)展的ADAS系統(tǒng)增加了另一波數(shù)據(jù)洪流。

所有這些增長(zhǎng)的影響在數(shù)據(jù)中心最為明顯。事實(shí)上，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心已成為全球數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵樞紐。使數(shù)據(jù)中心成為“超大規(guī)模”的是一種架構(gòu)，它允許可重復(fù)和快速部署計(jì)算能力以滿足特定工作負(fù)載的需求。

超大規(guī)模支持越來(lái)越多的業(yè)務(wù)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)從企業(yè)數(shù)據(jù)中心遷移到云的持續(xù)巨變。僅在2021年，就有100個(gè)新的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心上線，使全球總數(shù)達(dá)到700個(gè)。到2024年，將推出300多架，這將使全球總數(shù)超過(guò)1000架。

正如EE Times的Anton Shilov所指出的，DRAM的演變通常遵循與CPU開(kāi)發(fā)類(lèi)似的方向?？梢钥隙ǖ氖?，微處理器正在不斷發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更高的內(nèi)核數(shù)量、改進(jìn)的每?jī)?nèi)核性能和更高的能效。所有這些因素都會(huì)影響并最終決定系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存的要求。高級(jí)內(nèi)核需要更高的內(nèi)存帶寬，而同時(shí)發(fā)展的工作負(fù)載需要更高的DRAM容量和帶寬。

DDR5 DRAM通過(guò)同時(shí)在多個(gè)方向發(fā)展DRAM來(lái)滿足下一代客戶端和服務(wù)器系統(tǒng)的要求。DDR5的每引腳數(shù)據(jù)傳輸速率比其前代DDR4翻了一番，將存儲(chǔ)設(shè)備的容量增加了4倍，降低了工作電壓和功耗，并引入了多種方法來(lái)提高較小工藝節(jié)點(diǎn)的DRAM可靠性。

Part 2

從DDR4發(fā)展而來(lái)，DDR5具備七個(gè)相對(duì)優(yōu)勢(shì)

接下來(lái)，我們將深入研究從DDR4到DDR5 DIMM過(guò)渡過(guò)程中取得的七大最重要的規(guī)范進(jìn)步，如下表所示。

雖然DDR4 DIMM在1.6 GHz的時(shí)鐘速率下最高為3.2 GT/s，但初始DDR5將提供50%的帶寬增加，達(dá)到4.8 GT/s。隨著時(shí)間的推移，DDR5內(nèi)存最終將擴(kuò)展到高達(dá)8.4 GT/s。DDR5中集成了決策反饋均衡（DFE）等新功能，以實(shí)現(xiàn)更高的I/O速度。

第二個(gè)主要變化是工作電壓（VDD）的降低，這有助于抵消以更高速度運(yùn)行帶來(lái)的功率增加。使用DDR5時(shí)，DRAM和寄存時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器（RCD）電壓從1.2 V降至1.1 V。命令/地址（CA）信號(hào)從SSTL更改為PODL，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)引腳停在高電平狀態(tài)時(shí)不會(huì)消耗靜態(tài)電源。

使用DDR5 DIMM，電源管理從主板轉(zhuǎn)移到DIMM本身。DDR5 DIMM將在DIMM上配備12 V電源管理IC（PMIC），從而提高系統(tǒng)電源負(fù)載的粒度。PMIC分配1.1 V VDD電源，通過(guò)更好的電源on - DIMM控制，幫助實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性和噪聲。 

DDR5采用新的DIMM通道架構(gòu)：DDR4 DIMM具有72位總線，由64位數(shù)據(jù)位和8位ECC位組成。使用DDR5時(shí)，每個(gè)DIMM將有兩個(gè)通道。這些通道中的每一個(gè)都是40位寬的：32位數(shù)據(jù)位和8個(gè)ECC位。雖然數(shù)據(jù)寬度相同（總共64位），但擁有兩個(gè)較小的獨(dú)立通道可以提高內(nèi)存訪問(wèn)效率。

在DDR5 RDIMM架構(gòu)中，DIMM的左側(cè)和右側(cè)（分別由一個(gè)獨(dú)立的40位寬通道分開(kāi)）共享RCD。在DDR4中，RCD每側(cè)提供兩個(gè)輸出時(shí)鐘。在DDR5中，RCD每側(cè)提供4個(gè)輸出時(shí)鐘。在具有x4 DRAM的最高密度DIMM中，這允許每組5個(gè)DRAM（單列、半通道）接收自己的獨(dú)立時(shí)鐘。為每個(gè)Rank和半通道提供一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘可以提高信號(hào)完整性，有助于解決通過(guò)降低VDD引起的較低噪聲容限問(wèn)題。

DDR4突發(fā)截?cái)嚅L(zhǎng)度為4，突發(fā)長(zhǎng)度為8。對(duì)于DDR5，突發(fā)截?cái)嗪屯话l(fā)長(zhǎng)度將擴(kuò)展到8和16，以增加突發(fā)有效載荷。突發(fā)長(zhǎng)度為16（BL16），允許單個(gè)突發(fā)訪問(wèn)64字節(jié)的數(shù)據(jù)，這是典型的CPU高速緩存行大小。它只能使用兩個(gè)獨(dú)立通道中的一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這顯著提高了并發(fā)性，并且具有兩個(gè)通道，提高了內(nèi)存效率。

需要強(qiáng)調(diào)的第六個(gè)變化是DDR5對(duì)更高容量DRAM設(shè)備的支持。借助DDR5 RDIMM，服務(wù)器或系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在單芯片封裝中使用高達(dá)64 Gb的DRAM密度。DDR4在單芯片封裝（SDP）中最高可達(dá)16 Gb。DDR5支持片上ECC、錯(cuò)誤透明模式、封裝后修復(fù)以及讀寫(xiě)CRC模式等功能，以支持更高容量的DRAM。

更高容量設(shè)備的影響顯然會(huì)轉(zhuǎn)化為更高容量的DIMM。因此，雖然DDR4 DIMM的容量高達(dá)64 GB（使用SDP），但基于DDR5 SDP的DIMM是其四倍，達(dá)到256 GB。

DDR5服務(wù)器DIMM芯片組用SPD集線器IC取代了DDR4 SPD IC，并增加了兩個(gè)溫度傳感器（TS）IC。SPD集線器具有一個(gè)集成的TS，它與兩個(gè)分立TS IC結(jié)合使用，提供來(lái)自RDIMM的三個(gè)熱遙測(cè)點(diǎn)。

使用DDR5，芯片之間的通信總線升級(jí)為I3C，其運(yùn)行速度比DDR4中使用的I2C總線快10倍。DDR5 SPD集線器處理從模塊到基板管理控制器（BMC）的通信。使用更快的I3C協(xié)議，DDR5 SPD集線器縮短了初始化時(shí)間，并支持更高的輪詢(xún)速率和實(shí)時(shí)控制。

從SPD Hub傳輸?shù)紹MC的熱信息可用于調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇速度?，F(xiàn)在可以更精細(xì)地管理DRAM刷新速率，以提供更高的性能或更高的保留率，如果RDIMM運(yùn)行過(guò)熱，可以根據(jù)需要限制帶寬以減少熱負(fù)載。 

資料來(lái)源：Rambus《Data Center Evolution:DDR5 DIMMs Advance Server Performance》

https://go.rambus.com/ddr5-dimms-advance-server-performance

全文有刪減

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