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DRAM应用和存储器层次结构的多样化

By 2020年06月25日 No Comments

 安装在计算机、服务器、智能手机和游戏机等各种应用设备的动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory,简称DRAM)作为主存储器,负责存储CPU运算和处理的数据。

 DRAM属于可以随时读写的随机存取存储器(RAM)的一种。DRAM的优势在于结构简单、读写速度块、单位体积的容量较高、成本竞争力高。因此,DRAM在市场上广受欢迎。而DRAM结构简单,依赖电容器(Capacitor)存储数据;由于电容器或多或少有漏电的情形,因此随着电量的流失,数据也会流失 。为弥补这一 波动性 (volatility),需要定期读写数据,即所谓的“刷新(refresh)”。

 DRAM根据应用设备的性质,可分为计算机、移动、图形存储器DRAM,本文将探讨计算,移动和图形应用程序存储器等增长领域。

计算机存储器(Computing Memory)

 计算机和服务器中使用的计算机存储器正在为满足高性能和大容量要求而不断发展 。 早期的单倍数据速率同步DRAM(Single Data Rate DRAM, 简称 SDR DRAM)在一个时钟周期内仅用于传输一次数据。而随着CPU处理速度提高,DRAM需要更快的处理速度和更高的内存带宽。DRAM行业由此开发出数据传输速率为SDR的两倍,即一个时钟周期内传输两次数据的双倍数据速率同步DRAM(DDR DRAM)。多年来,业界不断迭代更新,推出DDR2、DDR3、DDR4和DDR5等读写速率不断加快的新产品。

 为了支持服务器对大容量内存的要求,出现了将多个DRAM芯片安装在一块电路板上的双列直插式内存模块(Dual In-line Memory Module,简称 DIMM)。由于国际标准和长期确立的系统配置,近几年来,DIMM在规格尺寸和功率要求方面的变化有限。

表1. 计算机存储器型号规格

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图1. SK海力士DDR5模块

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移动存储器(Mobile Memory)

 手机、平板电脑等移动市场的爆发式增长,推动了移动应用存储器领域的发展。 因此,业界开发了低功耗双倍数据速率同步动态随机存储器(LPDDR DRAM),该产品通过降低待机模式下的泄漏电流来最大程度地减少电池消耗。DDR,LPDDR在过去几年不断地更新迭代。从LPDDR2、LPDDR3、LPDDR4到LPDDR5,每一代的时钟速度都翻了一番,电源效率(每个带宽的功耗)也得到了改善。

表2. 移动存储器型号规格

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图2. SK海力士LPDDR4(X)

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图形存储器(Graphic Memory)

 图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)是专于并行处理数据的处理器。每个处理器核配置一个存储芯片,创建能并行处理的通道。因此在多核架构的图像处理器,每个存储芯片的带宽决定系统的性能。带宽越大,性能越好。为此,业界开发出能适用于并行操作应用程序的图形双倍数据速率(GDDR)存储器。多年来,随着对更大带宽的需求不断上升,GDDR显存经历了GDDR2、GDDR3、GDDR4、GDDR5和GDDR6的演进过程。

表3. 图形存储器型号规格

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图3. SK海力士GDDR6

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存储器层次结构

 从DDR、LPDDR和GDDR系列中可以看到,DRAM正朝着多元化方向发展。然而,最近随着性能和容量提升遭遇瓶颈,技术发展速度也正在放缓。

 为了克服这一问题,DRAM正通过存储器层次结构的多样化开辟一条新的道路。这条“革命之路(Revolutionary Path)”有两个方向:高带宽存储器(High Bandwidth Memory, HBM)和大容量存储器(High Capacity Memory, HCM)。

图4. 革命之路(Revolutionary Path)与进化之路(Evolutionary Path)

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图5. 存储器的革命之路

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※ 参考资料:革命之路和进化之路(Revolutionary Path and Evolutionary Path)(出处:SKhynix CEO李锡熙在国际电子器件会议(IEDM)上发表的资料“Technology Scaling Challenges and Opportunities of Memory Devices(微细加工技术的挑战及存储器半导体的机遇)”)

 为了满足对更大带宽的需求,高带宽存储器(HBM)被置于CPU的末级缓存(Last Level Cache, LLC)和DRAM之间,最典型的例子就是采用硅通孔(Through Silicon Via, TSV)技术的高带宽存储器。高带宽存储器主要适用于图形、网络和高性能计算(High Performance Computing,HPC)上。

 尽管与GDDR相比,高带宽存储器具有带宽高、适用性强等优势,但在成本、容量、应用难度等方面存在缺点。因此许多显卡制造商根据应用领域选择性地采用GDDR和HBM。鉴于GPU在人工智能(AI)和机器学习(Machine Learning, ML)等深度神经网络(Deep Neural Network)领域中的作用,GDDR和HBM也将其应用范围扩展到AI和ML领域。

表4. 高带宽存储器型号规格

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图6. SK海力士HBM2E

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 另外,大容量存储器(HCM)位于DRAM和NAND闪存之间,目前已开发出两种商业解决方案。 一种是managed DRAM解决方案,它结合了DRAM和内存控制器,从而改善了内部时序(internal timing)以扩展容量。。另一种是配备储存级内存(Storage Class Memory,SCM)的解决方案,如集成密度优于DRAM的相变存储器(Phase Change Memory,PCM)。为确保大容量存储器的可靠性、可用性和可维护性(Reliability,Availability,Serviceability, 简称RAS),向客户提供结合控制器的解决方案。

 系统工业为运用大容量存储器(HCM)而开展多项工作。其中,2019年由英特尔推出的全新互联协议Compute Express Link(CXL)为推动主要数据中心、服务器和SoC供应商实际采用HCM而展开了讨论。

 除了HBM和HCM之外,自动驾驶汽车、人工智能和机器学习应用对存储器的需求也有望增加。这一变化既可能带给内存制造商拓展市场的机遇,也会要求内存制造商面对不断变化的市场,开发新产品,满足市场对新技术的需求。

未来的存储器

 SK海力士致力于研发最新技术,以积极应对内存技术的变化。公司还与ICT(信息与通信技术)行业领跑企业合作,为群众打造更加舒适便捷的生活环境。SK海力士的上述努力将成为推动科技进步和创新、造福于人类的重要动力。


全焌弦撰写

SK hynix Vice President、Head of DRAM Design at SK hynix Inc.

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