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十年磨一剑!主流内存标准DDR5 SDRAM来了!

2020-12-30 09:52
安富利Avnet
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2020年7月,JEDEC固态技术协会正式发布了新的主流内存标准DDR5 SDRAM的最终规范,这意味着新一轮的内存升级换代又要开始了!

自上一代DDR4内存标准的问世到现在,已经历了9年,有数据显示目前DDR4标准产品在服务器和PC领域的渗透率都已经超过了95%,按照摩尔定律或者其他技术预测,新一代的DDR内存标准早该驾到了,由此足见在内存领域技术进步的边际成本是越来越高。

好在DDR5这把“磨”了近十年的“剑”并没有让大家失望,从JEDEC协会公布的信息来看,与上一代标准相比,DDR5将主电压从1.2 V降低至1.1 V,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。可以说在速度、容量、能耗和稳定性等方面,DDR5都来了一次全面的提升。

DDR5驾到!你的内存又双叒该升级了!

图1:不同DDR内存标准之间的比较 (资料来源:JEDEC)

DDR5标准推出之后,Micron等内存及模块制造商都已经积极行动起来,陆续推出了相关的样品,为即将到来的新一波内存升级潮积极备战。按照以往的经验,2021年DDR5将最先进入服务器市场,之后伴随着工艺稳定和产能爬坡,再逐渐向PC和消费电子等领域渗透。但不管怎么说,这个进程已经启动。

当然,在一轮技术热潮到来之际,在做出“追不追,以及怎么追”等决定之前,既要做到知其然,还要知其所以然,因此今天我们就来看看,DDR5这性能提升背后,究竟暗藏着哪些技术玄机。

DDR5升级背后的技术玄机

数据存储容量和速率是衡量DDR标准代际之间差异的核心指标,在提升此核心性能方面,DDR5放出了以下这些大招儿:

增加整体Bank数量

当存储器密度增加时,需要扩展Bank的数量来应对。DDR5标准中每个Bank组中的Bank数量(4个)保持不变,而将Bank组的数量增加一倍,达到了4或8个。通过允许在任意指定时间开启更多分页,并增加高页面点击率的统计概率,来提高整体的系统效率。增加的Bank组通过提高使用短时序的可能性来减轻内部时序限制。

增加数据突发长度

DDR5将缺省的数据突发长度(Burst Length)从DDR4标准的BL8增加到了BL16,这样就提高了命令/地址和数据总线的效率。也就是说,相同的CA总线读写事务可以在数据总线上实现两倍的数据量,同时限制在同一Bank内受到IO/阵列时序限制的风险。突发长度的增加也可减少相同的64B缓存线数据负载存取所需的IO数量,减少存取特定数据量所需的命令,这对于功耗的控制十分有利。

特别值得一提的是,数据突发长度的增加可以让DDR5 DIMM模块实现双子通道的架构,提高整体的通道并行能力、灵活性和数量,进而优化内存整体的能效。

增加新的命令

在以往DDR SDRAM标准的ALL-BANK REFRESH 命令(REFab)基础上,DDR5增加了SAME-BANK REFRESH (REFsb) 命令。SDRAM在刷新 (REFRESH)之前,需要准备刷新的Bank处于idle(闲置)状态,且这些Bank在刷新命令期间无法继续后续的写入和读取活动。因此在执行REFab刷新命令前,必须确保所有Bank均处于闲置状态,以3.9μs一次计算,一个16Gb DDR5 SDRAM 器件,其持续时间为295ns。

而新增加的REFsb在发出命令之前,每个Bank组中只需一个Bank闲置即可,其余的在发出REFsb命令时不需闲置,对非更新Bank的唯一时序限制为 same-bank- refresh-to-activate 延迟。REFsb命令以细粒度刷新 (FGR) 模式发出,每个Bank平均每1.95μs接收一次REFRESH命令,这样一个16Gb DDR5 SDRAM器件的REFsb 持续时间仅130ns。

有模拟分析数据显示,使用REFsb系统效能处理量比使用REFab时提高6%至9%;REFsb将刷新对平均闲置延迟时间的影响从11.2ns缩短到了5.0ns。

基于上述这几个方面的优化,DDR5在性能上实现了明显的提升。图2展示了,在规定的测试条件下,DDR5与DDR4相比在数据速率上的优势。

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