技术洞见 | DDR5技术的发展与应用前景- 大数跨境

牛芯半导体

2024-08-08

导读：本文转载自电科星拓，转载文章仅供学习和研究使用。

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DDR5技术作为下一代内存标准，展现出广阔的发展前景。随着技术的不断进步和需求的增长，DDR5技术不仅将提升计算机系统的性能和效率，还将推动各行业的创新和发展，满足未来数据处理和存储需求的挑战。本期文章，我们将和大家一起了解DDR5技术的发展和应用前景。

DDR技术简介

DDR的概念

DDR,即DDR SDRAM（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)，这里DDR的发展，准确地说是SDRAM的发展。SDRAM其实就是同步DRAM的意思，“同步”是指内存工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据的传输都以它为基准。

DDR内存频率与CPU外频同步，且允许在时钟脉冲上升沿和下降沿传输数据，大幅提升了数据传输效率。
64bit的数据位宽与当时CPU的总线一致，只需要一根内存就能让电脑正常工作了，这降低了采购内存的成本。

DDR~DDR5的主要变化

DDR~DDR5的主要变化体现在DDR的性能、容量和省电三个方面，具体变化如下表：

DIMM的组成与应用

JEDEC简介

JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council），即固态技术协会，是微电子产业的领导标准机构，该协会成立于1958年，最初作为电子产业协会联盟（EIA）的一部分，为新兴的半导体产业制定标准。1999年，JEDEC独立运作，并更名为JEDEC固态技术协会。至今，JEDEC的标准为全行业所接受和采纳，成为推动技术进步和产业发展的关键力量。

作为一个全球性组织，JEDEC的成员构成跨国性，目前拥有近300家会员公司，包括几乎所有前100家公司。该协会通过其包括50个委员会和分委员会的标准制定程序，集结了生产商和供应商，以满足产业发展和技术需求的多样化。JEDEC的主要功能涵盖术语定义、产品特性描述、测试方法、生产支持、产品质量与可靠性、机械外形、固态存储器、DRAM、闪存卡及模块以及射频识别（RFID）标签等的确定和标准化。

JEDEC的核心使命是促进开放、易获取和快速完成的自愿标准制定，涵盖广泛的技术领域，并与其他组织联合制定标准。所有JEDEC标准均为开放和自愿采纳，旨在全球范围内促进竞争和有利于竞争的公司之间的合作。

JEDEC建立了高效的标准制定和发布程序，通常能在60-90天内完成必要的标准制定工作。这些标准和文件都可以免费通过其官方网站获取，体现了JEDEC致力于推动全球电子产业技术创新和发展的承诺。

DIMM的分类

DIMM，全称双列直插式内存模块（Dual-Inline-Memory-Modules），分类主要分为以下几种，UDIMM（Unbuffered DIMM），SODIMM（Small Outline DIMM），RDIMM（Registered DIMM），LRDIMM（Load Reduced DIMM）。其中RDIMM和LRDIMM主要应用于服务器市场，而UDIMM和SODIMM主要应用于桌面和笔记本市场，这里不详细介绍。

RDIMM：带寄存器的双列直插内存模块，是一种带奇偶校验的同步动态内存。在内存模组PCB上有提高电流驱动能力的集成电路芯片，能在较大程度上提高服务器支持的内存容量。RDIMM和UDIMM相比增加了RCD。在内存条上加了一个RCD进行传输，其位于CPU和内存颗粒之间，既减少了并行传输的距离，又保证并行传输的有效性。RDIMM的地址和控制信号经过寄存驱动加强，时钟经过RCD的PLL锁定滤抖，相对于UDIMM，RDIMM更稳定，容量更大，但是对于单个的读写访问要滞后一个时钟周期。RDIMM模组主要应用于服务器和工作站市场。

LRDIMM：低负载双列直插内存模块，使用（RCD+DB）。LRDIMM相比RDIMM，在使用RCD缓冲AC、CLK信号的基础上，增加了Data Buffer（DB）芯片，对数据进行进一步的驱动，提升对数据通道的带负载能力，进一步提升内存容量。

DDR5 DIMM的特点

2021年，JEDEC宣布发布JESD79-5 DDR5 SDRAM标准，标志着行业向DDR5 DIMM的过渡。DDR5内存带来了许多关键的性能提升，以及新的设计挑战。DDR4到DDR5 DIMM过渡中的七个最重要的技术指标改进如下表所示：

通过上表，我们可以发现，DDR5具有如下优势：

①DDR5拥有更高数据速率

DDR5内存速率最终将达到6.4 Gbps，2倍于DDR4。
DDR5中集成了DFE等新功能，从而实现了更高的IO速度。

②DDR5使用新的电源体系结构

DIMM内置12V电源管理IC（PMIC）。DDR5 DIMM电源管理从主板转移到DIMM内，生成1.1V VDD电源，实现更好的负载管理，有益于信号完整性和噪声控制。
DDR5通道架构更新。DDR4 DIMM具有72位总线，由64个数据位+8个ECC位组成。DDR5每个DIMM有两个通道，每个通道均为40位宽：32个数据位和8个ECC位。尽管总数据宽度都是64位，但具有两个较小的独立通道可提高内存访问效率。
DDR5集成了细粒度存储库刷新功能。允许某些存储库在使用中的同时进行刷新，进一步降低等待时间。

因此DDR5不仅有直接的速率提升优势，而且此优势可以通过更高的效率得到放大。

③DDR5容量更高

借助DDR5缓冲芯片DIMM，服务器或系统设计人员可以在单芯片封装（SDP）中使用多达64Gb DRAM的密度，而DDR4 SDP中最大仅可容纳16Gb DRAM。
颗粒容量增加带来DIMM容量的增加。举个例子，DDR4 DIMM在使用SDP的情况下最大容量为64 GB，而DDR5可以做到256 GB。
DDR5支持片上ECC，错误透明模式，封装后修复以及读和写CRC模式等功能，以支持更大容量的DRAM。

④DDR5 BL更长

DDR5的Burst Length（BL）扩展到16，以增加突发有效负载。允许单个突发访问64字节的数据，显著提高了并发性，提高了内存效率。

DDR5技术的应用前景

DDR5技术作为下一代内存标准，具备更高的数据传输速率和带宽，提升了计算机系统的性能和响应能力。相比DDR4，DDR5内存模块支持更高的频率和密度，能够显著提高数据处理速度，适用于需要高性能和大规模数据处理的应用场景，如大数据分析、人工智能和高性能计算。此外，DDR5内存还采用了更先进的电源管理技术，有效降低能耗，符合节能环保的趋势。DDR5技术的推广将促进整个电子行业的技术进步，为未来的计算和存储需求提供更强大的支持。

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基于自主可控的核心技术，牛芯半导体在主流先进工艺布局SerDes、DDR等中高端接口IP，产品广泛应用于消费电子、网络通信、数据存储、人工智能、汽车电子、医疗电子等领域。

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牛芯半导体，专注于高速互联技术的研发和持续创新，拥有完全自主可控的知识产权，提供全栈式接口IP授权和高速互联芯片的定制方案，赋能芯片国产化；已服务客户超百家，涵盖智能驾驶、人工智能、特种计算等领域，致力成为全球领先的高速互联半导体公司。

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