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    十年内存终升级 DDR5商用驶入快车道

      [  中关村在线 原创  ]   作者:王嘉陆

           内存的新时代要来了。

           从最早的作为焊接在主板上的IC电子元件,到更为人性化的“插拔式”内存条,内存条的发展也经历了从SIMM(单列直插式内存模块)、EDO DRAM(扩展数据输出内存)、SDRAM(同步动态随机存取内存)到DDR(双倍速率同步动态随机存储器)这几个阶段的技术革新,DDR作为一种在性能与成本之间折中的解决方案,从一出生就占据着明显优势,并经历了DDR2、DDR3、DDR4的更迭,但与此同时也迎来了新的问题。


    DRAM内存升级之路漫漫

           从本质上讲,内存分为作为程序运行的空间(DRAM)和存储数据的空间(NAND)两个用途,但在现阶段,单位价格的增长容量缓慢和速度跟不上CPU、由于在每个时钟周期内要给小电容重新放电造成的能耗过高的问题,成为了商业用户的心头之痛,无论是数据中心、高性能计算还是运营商网络,DRAM的这些问题都带来了不小的麻烦。DRAM的技术瓶颈无法满足日益增长的容量速度功耗需求。


    DDR图示

           基于DRAM本身的局限性,DDR的进步也比较缓慢,从DDR3到DDR4的进步足足花了5年有余,而市面上“最新”的DDR4,也是在2012年开始发布第一版的。得益于半导体工艺的进步,在今年7月份,JEDEC固态技术协会也是发布了下一个主流存储器标准DDR5 SDRAM的最终规范,这可谓是千呼万唤始出来,同时也标志着存储器开发的又一个重要里程碑。


    JEDEC发布DDR5规范

           虽然按照JEDEC原本的计划,DDR5的最终规范本应该在前年推出,但丝毫没有影响DDR5最终规范的重要性,与之前的每次迭代更新一样,DDR5的内存密度和速度再次得到了更新。单个存储芯片达到了64Gbit的密度,相较DDR4的最大16Gbit密度提升了3倍;最大内存速度为6.4Gbps,是DDR4的两倍;Burst Length从8n增加到16n这样在时钟频率不变的情况下可以实现带宽翻倍。


    DDR5可以使系统通道数再翻倍

        与此同时,DDR5也有一些新特性,例如I/O和CA通道的训练模式、DFE、On-die ECC等功能,都是对服务器、数据中心等等的重大利好,但这些这也将带来更多的设计、测试和兼容挑战。预计到2023年上半年,DDR5将成为主流的DRAM技术,基于新标准的硬件将在服务器级别开始采用,然后再推广到客户端PC和其他设备。美光首席架构师、高级技术成员、JEDEC理事会成员Frank Ross表示,DDR5标准为业界提供了主存性能方面的关键进步,使下一代计算能够将数据转化为对云、企业、网络、高性能计算和人工智能应用的洞察力。


    美光首席架构师、高级技术成员、JEDEC理事会成员Frank Ross

           而上文曾提到的能耗过高的问题也有望在DDR5时代得到解决,DDR5的Vdd从DDR4的1.2V降低到了1.1V,性能得到了翻倍,从而降低了每bit的功耗。IT行业不断增长的能源需求是一个日益严重的问题。之前曾有数据预测到2030年,IT 技术和通信技术将消耗全20%的电力,而这会随着人工智能、区块链和大数据等高性能应用消耗越来越多的能量而不断增加。例如,训练一个人工智能模型,其碳排放量是美国普通汽车平均寿命期内(包括制造过程)排放的5倍。对于那些注重气候和预算的企业来说,DDR5不仅可以节省数据中心的运营成本,同时也让他们无需担心能耗过高的问题。


    相比DDR4,DDR5的VDD降低到了1.1V

           作为一家创新内存和存储解决方案的厂商,美光在今年1月份宣布将开始出货DDR5寄存型 DIMM (RDIMM),以第三代的10纳米级1z纳米制程打造(1z纳米制程大概位于12到14nm节点之间),ECC DIMM规格,频率DDR5-4800,相较DDR4-3200存储器性能提升了87%,从而应对下一代服务器负载。

           如同以往一样,每次制定新的DRAM标准时,必须要克服很多挑战才能开发出性能过硬的解决方案,美光从一组与性能、功耗和特性相关的目标开始入手,将每个目标与其他目标进行对比分析,以找到架构的“最佳应用点”。同样地,在设计复杂性、功耗和性能方面,美光的设计和验证团队、架构专家和产品工程团队在DDR5的定义和开发过程中,通过加强协作来设计电路和系统,并进行全面的仿真和数据分析,最终得到了相对完善的设计。

           为了实现较高的目标宽带,美光结合了DFE等新特性,目的是使系统能够在所要求的信号和时序余量下工作。为了提高可靠性并支持将来的DRAM扩展,美光在设计过程中增加了硅片纠错码,从而可以对很多不同的方案进行评估以促进最优实现。而一些其他从DDR4升级到DDR5的新特性,例如使用单周期对比双周期命令,以及增加命令总线带宽等,则需要在功耗和复杂性之间进行权衡,最终采用了新的刷新模式来提高数据总线的利用率,但增加了复杂性。


    美光年初出货DDR5寄存型DIMM

           当前快速扩展的数据集和计算密集型应用程序导致的高级工作负载促进了处理器内核数量的增长,而当前的DRAM技术难以满足其带宽需求。DDR5对由指数级数据增长驱动的下一代应用,例如大数据、高性能计算、人工智能和机器学习应用十分有利。在Frank Ross看来,为了处理流经这些应用的大量数据,服务器和数据中心基础设施需要更大的内存带宽,而这是前几代DRAM做不到的。随着数据的爆炸式增长,从这些数据中心工作负载中实现价值并提取价值的关键在于DDR5可以提供性能更高、密度更大、质量更好的内存。


    DDR5与前几代DDR内存性能对比

           为了确保合作伙伴能够随时获得他们所需的技术信息和产品来消除采用DDR5时可能遇到的障碍,今年7月美光启动了一项综合的技术赋能计划(Technology Enablement Program, TEP),在该项计划中,之前采用DDR4的企业可以随时获得过渡到DDR5时所需要的的资源。随着商用DDR5支持平台的推出,美光也将提供DDR5颗粒和模组的指南,从而帮助企业根据实际需求选择和验证合适的美光DDR5产品。


    美光启动DDR5赋能计划

           加入到赋能计划的合作伙伴,除了可以得到美光提供的物理样片之外,还可以得到电气和热模型、行为/功能模型、信号完整性模型和生态系统支持。从而提升服务器平台和嵌入式系统的开发。美光计算与网络事业部业务发展总监Jim Jardine称:“在DDR5生命周期的这一阶段,我们不仅重视为合作伙伴提供美光产品相关的信息和资源,更重视在合作伙伴与生态系统之间建立联系,这些生态系统的合作伙伴可以帮助设计DDR5接口和控制器,例如Cadence、Montage、Rambus、Renesas和Synopsys等企业。”


    美光计算与网络事业部业务发展总监Jim Jardine

           与任何新生技术一样,DDR5整个的生态系统也需要时间并整合产品和解决方案。美光方面认为其专长、知识和带头作用有助于指导合作伙伴采用 DDR5。其TEP计划和全球布局规模使得合作伙伴更容易参与其中。美光的赋能计划旨在为这些合作伙伴提供一种智能的方式来实现自助服务,例如方便的获取电气和热模型、数据手册和培训材料,以便他们能够以适合自己的速度向前推进。

           作为DDR4的后继者,DDR5是下一代同步动态随机存取存储器。从DDR4到DDR5的跨越是一个更大的飞跃,在需要更多带宽的驱动下,DDR5性能更强、可扩展性更高、支持密度更高,在引领大数据和AI时代方面,牢固地占据了一席之地。美光作为较早做出DDR5规划的厂商,不仅早早将DDR5纳入路线图,并在今年推出了1z纳米制程DDR5寄存型 DIMM ,并计划在未来陆续推出1α和1β纳米制程。在可预见的未来数年来,无论是技术还是产品方面,DDR5的成熟终将为存储市场再次注入新的生命力。  

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