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性能、容量和功耗上大幅度提升的DDR5想要成為市場的主流還要多久?

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從DDR到DDR5,DDR記憶體標準及規格發生了「翻天覆地」的變化,工作電壓逐漸降低,晶片容量和資料速率不斷提升,記憶體頻寬也得到大幅度的提升。 5120612c3a7fb73ae83eb28f47f17fe8

自1946年以來,范紐曼型架構以「儲存程式」的電腦設計理念,奠定了電腦科學軟體與硬體分離的基礎。在范紐曼型架構中,運算與儲存可謂是電腦發展的核心驅動。直到如今,記憶體仍然在電腦中扮演著非常重要的角色。 

隨著巨量資料爆發式增長,對算力的要求日益提高,記憶體也隨之朝向更高容量、更快速度、更低能耗、更小尺寸等方向不斷發展。為滿足日趨複雜多元的市場需求,業界始終在尋求DDR記憶體性能、容量與功耗等方面的平衡。從DDR到DDR5,DDR記憶體標準及規格發生了「翻天覆地」的變化,工作電壓逐漸降低,晶片容量和資料速率不斷提升,記憶體頻寬也得到大幅度的提升。 

DDR記憶體持續推陳出新 

縱觀DDR記憶體演進過程,其反覆運算升級與處理器的性能提升息息相關。發展初期,處理器算力和資料量還不算很大,記憶體直接以DIP晶片形式存在。隨後,處理器對記憶體容量的需求不斷增大,記憶體進入SIMM時代。從30pin到72pin的反覆運算過程中,單個記憶體頻寬從8位元增加到32位元,記憶體容量也從256KB增長至512KB甚至更大。 

隨著處理器算力和性能不斷提高,對記憶體的容量和性能也提出了更高的要求,DIMM記憶體應運而生。DIMM標準SDR SDRAM頻寬提高至64位元,與處理器匯流排頻寬一致,大幅降低了系統成本。而後,Intel與Rambus聯合推出Rambus DRAM,但由於成本高昂、頻率高、效率低等問題尚未全面普及開來。 

最終成功走進市場的是DDR SDRAM,即雙倍數據率同步動態隨機存取記憶體。與SDR SDRAM相比,DDR SDRAM在時鐘週期內,遇正緣與負緣都將觸發訊號傳輸,功耗並未增加,但資料傳輸速率卻提升了一倍。同時,為了平衡記憶體控制器相容性與性能,定址和控制訊號僅遇正緣傳輸。 

對於最新的DDR5標準,與DDR4相比,DDR5在性能、容量和功耗上都有著大幅度提升。可以直觀地看到,DDR4資料傳輸速率最大能達到3.2Gbps,而在全新的DDR5標準下,首次便以4.8Gbps為基準,最高資料傳輸速率能夠達到8.4Gbps,比DDR4資料速率提升了50%以上。從記憶體電壓來看,DDR5記憶體電壓也從DDR4的1.2V降低至1.1V,訊號源則更新為PODL訊號。 

DDR5性能指標(圖片來源:JEDEC)

在通道架構方面,DDR5每個DIMM上有兩個通道,且每DIMM提供兩個獨立的40位元資料通道(包含8位元ECC),快取記憶體行仍為64位元組。雖然記憶體接腳數量並沒有改變,仍然是288個,但單個接腳定義不同,因而並不能向下相容。因此,記憶體運行延時降低,記憶體效率得到大幅提升。此外,DDR5 SDP提升至64GB,DIMMs容量也提升至256GB。透過全新的堆疊技術,DDR5做到了16個DRAM堆疊。

DDR5記憶體結構(圖片來源:Rambus) 

走進DDR5記憶體時代 

在JEDEC固態技術協會於2017年宣布DDR5記憶體標準的發布計畫之後,三星、美光、SK海力士等諸多龍頭廠商紛紛開始押注DDR5記憶體,企圖以反覆運算速度爭奪市場發言權。然而,直至2020年7月,DDR5記憶體標準才正式發布,這比JEDEC預計的時間要晚了整整兩年,但記憶體頻率起步4800MHz,比預想中要高得多。 

對於DDR5記憶體標準,JEDEC固態技術協會將其視為具有革命意義的記憶體架構。隨著資料中心、邊緣運算等迅速發展,對於低延遲、低功耗、大頻寬和高速率的需求進一步提高。據Yole預測,2022年開始,DDR5記憶體市場將從伺服器市場切入,不斷擴展至手機、筆記型電腦和PC等主流市場。預計至2023年,DDR5將廣泛應用於這些領域,出貨量也將持續提高,並逐步完成從DDR4到DDR5的應用過渡。 

在晶片供應商和模組廠商不斷加大DDR5記憶體布局的趨勢下,Intel、AMD等廠商也陸續推出支援DDR5記憶體的產品及平臺。前段時間,Tom's Hardware消息指出,三星和SK海力士已經有計劃停止DDR3記憶體的生產。這也意味著,DDR3記憶體即將退場,而DDR5記憶體將進入放量增長的黃金發展期,生態系統也將進一步完善。 

DDR5記憶體的真正普及需要兩到三年時間,而據市場調研機構Omdia預測,在整個DRAM市場中,2022年DDR5記憶體市場佔有率將達到10%,而在2024年,這一占有將進一步提升至43%。

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