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DDR內存技術更迭20年

本文來自格隆匯專欄:半導體行業觀察,作者:李晨光

在DDR5內存剛成為主流不久,如今三星又已經率先開始了下一代DDR6內存的早期開發,並預計在2024年之前完成設計。

據悉,在近日召開的研討會上,三星負責測試和系統封裝(TSP)的副總裁透露,隨着未來內存本身性能的擴大,封裝技術也需要不斷髮展。經證實,三星已經處於下一代DDR6內存的早期開發階段,將採用MSAP技術。目前,MSAP已經被三星的競爭對手(SK海力士和美光)用於DDR5中。

據介紹,下一代DDR6內存不僅將利用MSAP來加強電路連接,而且還將適應DDR6內存中增加的層數。就規格而言,DDR6內存的速度將是現有DDR5內存的兩倍,傳輸速度可達12800 Mbps(JEDEC),超頻後的速度可超過17000 Mbps。

預計三星將在2024年之前完成其DDR6設計,2025年之後才會有商業化的可能。

不知不覺間,從最初KB到GB的躍進,DDR內存已經走過了5代,開始向第6代進發。

“百轉千回”的內存市場

 什麼是DDR?

在回顧DDR發展歷程之前,先來了解下DDR是什麼。

存儲分為ROM和RAM。

ROM是Read Only Memory的縮寫,即只讀存儲器,是一種只能讀出事先所存數據的固態半導體存儲器,其特性是一旦儲存資料就無法再將其改變或刪除,資料並不會因為電源關閉而消失。

RAM是Random Access Memory的縮寫,即隨機存儲器 ,隨機是指數據不是線性依次存儲,可以以任何順序訪問,而不管前一次訪問的是哪一個位置,RAM在掉電之後就會丟失數據。

而對於RAM,又分為SRAM(靜態隨機存儲器)和DRAM(動態隨機存儲器)兩大類。

SRAM是一種具有靜止存取功能的內存,不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據,也就是説加電情況下,不需要刷新,數據不會丟失。SRAM是早期讀寫最快的存儲設備,但其缺點是集成度較低,功耗大,相同的容量體積較大,而且價格較高,少量用於關鍵性系統以提高效率,譬如CPU的一級緩存,二級緩存。

DRAM是最為常見的系統內存,只能將數據保持很短的時間。為了保持數據,DRAM使用電容存儲,所以必須隔一段時間刷新一次,如果存儲單元沒有被刷新,存儲的信息就會丟失。

後續的SDRAM和DDR SDRAM都是在DRAM的基礎上發展而來,同時也屬於DRAM中的一種。SDRAM(Synchronous DRAM,同步動態隨機存儲器),同步是指內存工作需要同步時鐘,內部命令的發送與數據的傳輸都以時鐘為基準。

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM,雙倍速率SDRAM ) 的不同之處在於它可以在一個時鐘讀寫兩次數據,這樣就使得數據傳輸速度得以加倍。在性能和成本優勢下,DDR SDRAM成為了目前電腦和服務器中用的最多的內存,這也就是我們今天要討論的DDR內存。

DDR的演進之路

和其他硬件一樣,內存遵循着摩根定律,從古老的SIMM到DDR的出現,再以DDR為基礎進行迭代,內存標準和規格發生了很大變化。

從最初KB到GB的躍進,從單條1GB到單條16GB、32GB的進化,內存容量的發展經歷了漫長的過程。

在最初的個人電腦上,內存是直接以DIP芯片的形式安裝在主板的DRAM插座上面,需要安裝8到9顆這樣的芯片,容量只有64-256KB,想要擴展十分困難,但這內存容量對於當時的處理器以及程序來説已經足夠。不過隨着軟件程序和新一代80286硬件平台的出現,程序和硬件對內存性能提出了更高要求,為了提高速度並擴大容量,內存必須以獨立的封裝形式出現,因而誕生了“內存條”的概念。

內存條與內存槽

在80286主板剛推出的時候,內存條採用了SIMM接口,容量為30pin、256kb,必須是由8片數據位和1 片校驗位組成1個bank。因此,我們見到的30pin SIMM一般是四條一起使用。自1982年PC進入民用市場一直到現在,搭配80286處理器的30pin SIMM 內存是內存領域的開山鼻祖。

30pin SIMM

時間來到上世紀90年代前後,PC技術迎來了新的發展高峯——386和486時代,此時CPU 已經向16bit發展,30pin SIMM 內存已經無法滿足需求,其較低的內存帶寬已經成為亟待解決的瓶頸,並且其8位的數據總線導致採購成本一點都不低,還會增加故障率。此時,72pin SIMM內存出現了。

72pin SIMM

72pin SIMM支持32bit快速頁模式內存,內存帶寬得以大幅度提升。72pin SIMM內存單條容量一般為512KB-2MB,而且僅要求兩條同時使用,386、486以及後來的奔騰、奔騰Pro、早期的奔騰II處理器多數會用這種內存。由於其與30pin SIMM 內存無法兼容,因此30pin SIMM內存被時代淘汰出局。

早期的內存頻率與CPU外頻是不同步的,是異步DRAM,細分下去的話包括FPM DRAM(Fast Page Mode DRAM,快速頁模式動態存儲器)與EDO DRAM(Extended data out DRAM,外擴充數據模式存儲器),常見的接口有30pin SIMM與72pin SIMM,工作電壓都是5V。

FPM DRAM是從早期的Page Mode DRAM上改良過來的,當它在讀取同一列數據時,可以連續傳輸行位址,不需要再傳輸列位址,可讀出多筆資料,這種方法在當時是很先進的。

FPM DRAM

EDO DRAM內存是1991-1995年之間盛行的內存條,是72pin SIMM的一種,它擁有更大的容量和更先進的尋址方式,讀取速度比FPM DRAM快不少,工作電壓為一般為5V,帶寬32bit,速度在40ns以上,主要應用在當時的486及早期的奔騰電腦上。

不同規格的EDO DRAM內存

在1991到1995年EDO內存盛行的時候,憑藉着製造工藝的飛速發展,EDO內存在成本和容量上都有了很大的突破,單條EDO內存容量達到4MB-16MB。由於奔騰及更高級別的CPU數據總線寬度都是64bit甚至更高,所以EDO RAM與FPM RAM基本都成對使用。

EDO的盛行時間大概是在奔騰到奔騰3之間,之後被SDRAM取代。

隨着CPU的持續升級,Intel Celeron系列以及AMD K6處理器以及相關的主板芯片組的相繼推出,EDO DRAM已經不能滿足系統的需求,內存技術也發生了大革命,插座從原來的SIMM升級為DIMM,而內存也迎來了經典的SDR SDRAM時代。

SDRAM為內存帶來了新生機,其64bit帶寬與當時處理器總線寬度保持一致,這就表示一條SDRAM就能夠讓電腦正常運行,大大地降低了內存的購買成本。由於內存的傳輸信號與處理器外頻同步,所以在傳輸速度上,DIMM標準的SDRAM要大幅領先於SIMM內存。

在這個迭代時期,由於Intel和AMD的頻率之爭,SDRAM內存由早期的66MHz,發展後來的100MHz、133MHz,內存規範也跟着從 PC66 發展到 PC100、PCIII、PC133 以及不太成功的 PC600、PC700、PC800。

SDRAM

儘管沒能徹底解決內存帶寬的瓶頸問題,但此時CPU超頻已經成為DIY用户永恆的話題。在Intel與AMD的頻率競備時代,Intel為了達到獨佔市場的目的,與Rambus聯合在PC市場推廣Rambus DRAM內存,Rambus DRAM內存以高時鐘頻率來簡化每個時鐘週期的數據量,因此內存帶寬相當出色。Rambus DRAM曾一度被認為是奔騰4的絕配。

Rambus DRAM

儘管如此,曲高和寡的Rambus DRAM內存終究是生不逢時,後來被更高速度的DDR“掠奪”其寶座地位。在當時,PC600、PC700的Rambus RDRAM 內存因出現Intel820 芯片組“失誤事件”、PC800 Rambus RDRAM因成本過高無法獲得大眾用户擁戴,種種問題讓Rambus RDRAM胎死腹中,最終拜倒在DDR內存面前。

DDR時代來臨

DDR

DDR SDRAM(簡稱DDR),可以説是SDRAM的升級版本,DDR在時鐘信號上升沿與下降沿各傳輸一次數據,這使得DDR的數據傳輸速度為傳統SDRAM的兩倍。由於僅多采用了下降緣信號,因此並不會造成能耗增加。至於定址與控制信號則與傳統SDRAM相同,僅在時鐘上升沿傳輸。此外,由於DDR採用了SSTL2標準的2.5V電壓,低於SDRAM的LVTTL標準下的3.3V電壓,因此功耗更低。

DDR SDRAM

DDR內存是作為一種在性能與成本之間折中的解決方案,其目的是迅速建立起牢固的市場空間,繼而一步步在頻率上高歌猛進,最終彌補內存帶寬上的不足。

初代DDR內存的頻率是200MHz,隨後慢慢的誕生了DDR266、DDR333和那個時代主流的DDR400,至於那些500MHz、600MHz、700MHz的都算是超頻條了。DDR內存剛出來的時候只有單通道,後來出現了支持雙通道的芯片組,讓內存的帶寬直接翻倍,容量則是從128MB增加到1GB。

DDR2

隨着CPU處理器前端總線帶寬的不斷提高和高速率局部總線的出現,DDR的性能成了制約處理器性能的瓶頸。因此 2003年Intel公佈了 DDR2 SDRAM的開發計劃。

與上一代DDR內存技術標準最大的不同就是,雖然同是採用了在時鐘的上升/下降沿同時進行數據傳輸的基本方式,但DDR2內存卻擁有兩倍以上於上一代DDR內存預讀取能力。

DDR2 SDRAM

DDR2能夠在100MHz 的發信頻率基礎上提供每插腳最少400MB/s的帶寬,而且其接口將運行於1.8V電壓上,從而進一步降低發熱量,以便提高頻率。從JEDEC組織者闡述的DDR2標準來看,針對PC等市場的DDR2內存將擁有400、533、667MHz等不同的時鐘頻率,高端DDR2內存擁有800、1000、1200MHz頻率。

此外,值得注意的是,DDR2捨棄了傳統的TSOP,開啟了內存FBGA 封裝之門,減少了寄生電容和阻抗匹配問題,增加了穩定性。

DDR3

2007年,JEDEC協會正式推出 DDR3 SDRAM規範,DDR3開始走向舞台。

相比於DDR2,得益於生產工藝的精進,DDR3的工作電壓從1.8V降到1.5V和1.35V(DDR3L),進一步降低了功耗,減少了發熱量,並採用了根據温度自動自刷新、局部自刷新等功能,在一定程度彌補了DDR3延遲時間較長的缺點。

同時,因為DDR3可以在1個時鐘週期輸出8bit的數據,而DDR2是4bit,因此其單位時間內的數據傳輸量是DDR2的2倍。DDR3的速度從800MHz起跳,最高可以達到1600MHz。DDR3內存與DDR2一樣是240Pin DIMM接口,不過兩者的防呆缺口位置是不同的,不能混插。常見的容量是512MB到8GB,當然也有單條16GB的DDR3內存,只不過很稀少。

Intel酷睿i系列(如LGA1156處理器平台)、AMD AM3主板及處理器的平台都是其“支持者”。

時至今日,DDR2和DDR3陸續開始退出市場。

三星已在2021年末Q4確定停產DDR2;同時三星及海力士計劃逐步退出DDR3市場。根據DDR3市佔率頂峯期2014年的數據(市佔率達84%)顯示,三星及海力士市場份額達67%,短期內,兩大內存廠商退出市場將在供給端造成顯著空缺。

DDR4

早在遙遠的2007年,有關DDR4內存標準的一些信息就被公開。

在美國舊金山2008年8月舉行的英特爾開發者論壇上,一位來自奇夢達的演講嘉賓提供了更多關於DDR4的公開信息。在當年關於DDR4的描述中,DDR4將使用30nm製程,運行1.2V的電壓、常規總線時鐘頻率速率在2133MT/s,“發燒”級別將達到3200MT/s,於2012年推出市場,到2013年時運行電壓將改進至1V。

然而到了2011年1月,三星電子宣佈完成DDR4 DRAM模塊的製造和測試,採用30nm級工藝,數據傳輸率為2133MT/s,運作電壓在1.2V,這也是史上第一條DDR4內存。在此之前,三星電子40nm製程的DRAM芯片的成功流片,成為DDR4發展的關鍵。

三個月之後,SK海力士宣佈2400MT/s速率的2GB DDR4存儲器模塊面世,運作電壓同樣在1.2V,同時宣佈預計在2012年下半年開始大批量生產。此後的2012年5月,美光宣佈將在2012年後期使用30nm製程生產DRAM及閃存顆粒。

然而直到2014年,DDR4內存才首次得到應用,首款支持DDR4內存的是英特爾旗艦級x99平台。2014年底,起跳頻率為2133MHz的DDR4內存產品陸續開始紛紛上市,隨着2015年8月,英特爾發佈Skylake處理器和100系列主板,DDR4開始真正走向大眾,也標誌着DDR4時代的到來。

DDR4 SDRAM

與DDR3相比,DDR4的工作電壓從1.5V降到1.2V和1.05V(DDR4L),這意味着功耗更低,發熱量更小了。速度方面,DDR4從2133MHz起跳,最高速度可達4266MHz,接近DDR3的三倍。

原因在於,一方面DDR4除了可支持傳統SE信號外,還引入了差分信號技術,即進化到了雙向傳輸機制階段;另一方面,DDR4採用了點對點的設計,簡化了內存模塊的設計,更容易實現高頻化;此外,DDR4還採用了三維堆疊封裝技術,增大了單位芯片的容量的同時,還採用了温度補償自刷新、温度補償自動刷新和數據總線倒置技術,在降低功耗方面起到了很好的效果。

另外DDR4增加了DBI、CRC、CA parity等功能,讓DDR4內存在更快速與更省電的同時亦能夠增強信號的完整性、改善數據傳輸及儲存的可靠性。

從DDR到DDR3,每一代DDR技術的內存預取位數都會翻倍,前三者分別是2bit、4bit及8bit,以此達到內存帶寬翻倍的目標。不過DDR4在預取位上保持了DDR3的8bit設計,因為繼續翻倍為16bit預取的難度太大,DDR4轉而提升Bank數量,一個rank單元內的Bank單元數量增長至16個,每個DIMM模塊最高擁有8個rank單元。

DDR5

內存技術的發展與PC市場始終相輔相成。

Intel和AMD的處理器競爭越演愈烈,內存的性能成為新的瓶頸。早在2017年,負責計算機內存技術標準的組織JEDEC就宣稱將在2018年完成DDR5內存的最終標準,美光、三星等內存廠商在2018年也就開始研發16GB的DDR5產品,甚至在2019年幾個廠商都已經開始逐漸量產DDR5內存。但是直到2020年7月,JEDEC才正式發佈了DDR5內存的標準,而且起跳就是4800MHz,這比原先想象的要高出不少。

據JEDEC介紹,DDR5標準將提供兩倍於上代的性能並大大提高電源效率。在DDR5內存標準下,最高內存傳輸速度能達到6.4Gbps。此外,DDR5也改善了DIMM的工作電壓,將電壓從DDR4的1.2V降至1.1V,能夠進一步提升內存的能效表現。

DDR5可以使系統通道數再翻倍(圖源:Mircon)

在內存密度方面,DDR5內存標準將允許單個內存芯片的密度達到64Gbit,這比DDR4內存標準的16Gbit密度高出4倍。如此高的內存密度,再結合多芯片封裝技術,可以實現最高40個單元的堆疊,如此堆疊的LRDIMM有效內存容量可以達到2TB。

據DIGITIMES報道,三星電子、SK海力士和美光科技均已擴大其DDR5芯片產量,旨在加速行業從DDR4向DDR5的過渡。消息人士稱,將2022年視為DDR5的預熱年,2023年DDR5滲透率將大幅提升。

從1998年三星生產出最早的商用DDR SDRAM芯片到現在,已經過去了20多年,DRAM內存市場一直在發展,從DDR到DDR2、DDR3、DDR4、DDR5,然後是正在研發的DDR6。

從DDR技術和JEDEC規範的演進過程中,我們可以看到,為了配合整體行業對於性能、內存容量和功耗的不斷追求,規範的工作電壓越來越低,芯片容量越來越大,IO的速率也越來越高。

從最早的128Mbps的DDR發展到了當今的6400Mbps的DDR5,每一代DDR的數據速率都翻倍增長。

根據Yolle分析,兩代內存之間的過渡時間大概只需要兩年。這意味着到2023年,DDR5 內存的市場份額將高於DDR4的情況,到2026年,DDR4份額應降至5%以下。整個DRAM市場預計到2026年將達到2000億美元。

DRAM的分支與演進

按照應用場景,DRAM分成標準DDR、LPDDR、GDDR三類。JEDEC定義並開發了這三類標準,以幫助設計人員滿足其目標應用的功率、性能和尺寸要求。

標準型DDR:針對服務器、雲計算、網絡、筆記本電腦、台式機和消費類應用程序,允許更寬的通道寬度、更高的 密度和不同的外形尺寸;

GDDR:Graphics DDR,一般稱之為顯存,“G”代表Graphics,顧名思義,GDDR就是針對圖形顯示卡所特化的一種DDR內存。2000年後電腦遊戲的發展和火爆,人們對於顯卡性能需求日益增長。運行電腦遊戲對顯卡GPU有高速數據交互需求,而且GPU與顯存之間的數據交換非常頻繁,特別是3D遊戲的紋理貼圖對顯存帶寬和容量的要求更高。因此,GDDR應運而生,GDDR適用於具有高帶寬需求的計算領域,例如圖形相關應用程序、數據中心和AI等,與GPU配套使用;

LPDDR:Low Power DDR,是DDR SDRAM的一種,又稱為 mDDR(Mobile DDR SDRAM),是JEDEC固態技術協會面向低功耗內存而制定的通信標準,以低功耗和小體積著稱,提供更窄的通道寬度,專門用於移動式電子產品。

DDR、GDDR、LPDDR,分別作為電腦、顯卡、手機的內存,都有各自耕耘和專攻的領域,儘管類型多種多樣,但萬變不離其宗,都是基於DDR的一些原理演變而來。

但從不同類型內存發情況來看,它們目前包括以後的關係將不再是繼承發展而是平行發展的關係。DDR將繼續穩步的走性能路線,而GDDR也更加專注對帶寬和容量的優化,至於移動端的扛把子LPDDR近年來市場需求旺盛,技術迭代壓力大,有望繼續領跑。同時,三種內存上所採用的新技術也可反哺DDR家族,為它們各自的的發展提供借鑑和技術驗證。

另外,對於迫切需要高帶寬的應用,比如遊戲和高性能計算,高帶寬內存(HBM)成為繞過DRAM傳統IO增強模式演進的優秀方案。

高帶寬內存(HBM)

HBM直接和處理器封裝的方式不再受限於芯片引腳,突破了IO帶寬的瓶頸。另外DRAM和CPU/GPU物理位置的接近使得速度進一步提升。

在尺寸上,HBM也使整個系統的設計大大縮小成為可能。目前,HBM2在很大程度上是GDDR6的競爭對手。不過從長遠看,因為2D在製造上接近天花板,DRAM仍有很強的3D化趨勢。

DDR市場格局與國產進展

高資金壁壘、高技術壁壘促使DRAM供應端形成寡頭壟斷市場。存儲芯片的設計與製造產業具備較高的技術壁壘和資本壁壘,早期進入存儲器顆粒領域的頭部企業具備顯著的競爭優勢。同時隨着晶圓製程的不斷提升芯片設計和研發的難度持續提升,晶圓製造產線的投資額也隨之增長,IDM 模式的存儲芯片企業資本支出高企。

歷經幾十年間的多輪行業週期與技術變革後,存儲芯片市場形成了寡頭壟斷格局,市場被韓國和美國的龍頭企業主導。從DDR內存芯片市場來看,三大巨頭三星、SK海力士、美光技術存在領先優勢,據統計數據,三大巨頭2021年市佔率合計佔比超90%。中國台灣存儲企業華邦及南亞科技,大陸存儲企業長鑫存儲為技術追趕者。

目前市場上具備DDR5/LPDDR5量產能力的僅為三星、海力士、美光。國內存儲龍頭合肥長鑫存儲計劃於2022Q1進行DDR5的試量產。長鑫存儲於2016年成立,為業內追趕者,發展較為迅速。長鑫存儲於2019年9月發佈自主研發的8Gb DDR4芯片正式量產,採用19納米工藝打造。2020年長鑫存儲的DDR4及LPDDR4(X)已入市,主要用於國產的PC/手機端,性能獲得市場的認可、價格具備市場吸引力。

有消息稱,長鑫存儲今年還將投產17nm工藝的DDR5內存,未來還會有10G5工藝和DDR6的升級,可見我國在內存芯片領域正在加速追趕,未來在這一領域或將不再受限於國外壟斷。

此外,芯動科技近日也在LPDDR5X領域率先突破10Gbps,以先進FinFet工藝量產全球最快LPDDR5/5X/DDR5 IP一站式解決方案。除了速度的提升,延遲也降低了15%,非常適合5G通信、汽車高分辨率AR/V、AI邊緣計算等應用場景。

除了LPDDR5/5X/DDR5,近期芯動科技還正式發佈了全球首款GDDR6X高速顯存技術,首發的GDDR6/6X Combo IP,單個DQ能達到21Gbps超高速率,已經在多個先進FinFet工藝成功量產出貨。芯動科技還率先推出自主研發物理層兼容UCIe標準的IP解決方案Innolink Chiplet,這是首套跨工藝、跨封裝的Chiplet連接解決方案,且已在先進工藝上量產驗證成功。

值得一提的是,今年5月,國內又一家科技公司瀾起科技正式宣佈,已成功首發試產面向DDR5內存的第二代RCD芯片。RCD芯片是一種緩衝器,位於內存控制器和DRAM IC之間,可以重新分配模塊內的命令/地址信號,從而提升信號完整性並將更多內存設備連接到一個DRAM通道。

另外,瀾起科技還發布了全球首款CXL內存擴展控制器芯片MXC,該芯片可大幅擴展內存容量和帶寬。之後不久,三星電子發佈首款512GB內存擴展器DRAM模組,該內存模組的CXL內存擴展控制器芯片就是採用了瀾起科技的MXC。

財信證券表示,高流量應用場景的逐步落地要求更高的服務器性能,而處理器廠商陸續推出新平台標誌DDR5開始取代DDR4,這將帶來內存接口芯片單價的提升,同時配套芯片的引入也會帶來增量空間。

寫在最後

從1971年英特爾發明第一塊DRAM開始,這個產業起起伏伏發展了50多年。DRAM行業領頭羊也從美國換到日本,如今花落韓國。

毫無疑問,隨着國產DDR5內存的誕生,市場競爭還會進一步加強。

在過去十幾年,韓國統治了內存市場,但對未來的情況誰都無法預測。長鑫存儲用6年追到只差三星1-2代,也許再用5年就能完全追平三星。

畢竟,所有燎原的大火都起源於一粒火種。

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