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全力迎接DDR5的新时代

By 2021年06月25日 7月 20th, 2021 No Comments

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2020年7月15日,为了解决从客户端系统到高性能服务器的广泛应用所面临的性能和功耗挑战,JEDEC固态技术协会正式发布了下一代主流内存标准DDR5 SDRAM的最终规范(JESD79-5),为全球计算机内存技术拉开了新时代的序幕。1 JEDEC将DDR5描述为一种“具备革命意义”的内存架构,认为它的出现标志着整个行业即将向DDR5服务器双列直插式内存模块(DIMM)过渡。

DDR5身后的推动力

市场调研机构Omdia分析指出,对DDR5的市场需求将从2020年开始逐步显现,到2022年,DDR5将占据整个DRAM市场份额的10%,2024年则将进一步扩大至43%;Yole Development则预测称,DDR5的广泛采用应该会从2022年的服务器市场开始,2023年,手机、笔记本电脑和PC等主流市场将开始广泛采用DDR5,出货量明显超过DDR4,两种技术间完成快速过渡。 2

简单回顾一下就能发现,内存带宽增长速度远远赶不上处理器性能的提升速度,这是DDR5推出的根本动力所在。例如2000年-2019年,内存带宽从约1GB/s迅速提升至200GB/s,但与此同时,处理器核心数量也从早期的单核、双核,增加到目前一个系统中最高可以超过60个处理器核心。在这样一个存在超多核心处理器的系统中,分摊到每个处理器内核上的可用带宽是严重不足的,提升DRAM带宽的呼声日趋高涨。

而另一方面,从应用端角度来看,在PC与平板电脑;服务器,尤其是中国服务器市场的高速增长;边缘计算和AI时代对低延迟、低功耗、高速、大带宽的需求;以及AMD/Intel/海力士等头部厂商示范效应四大合力的加持下,DDR5的普及同样被按下了“加速键”。

● 数据中心

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针对DDR5首先将出现在哪些应用,业界普遍认为它将紧随DDR4的步伐,率先导入数据中心,而其先前几代产品的迭代都是优先应用于PC中。以中国市场为例,2020年,在中国政府“新基建”战略的引领下,数据中心迎来了发展的新契机。TrendForce的数据显示,得益于全国范围内超大规模数据中心的建设,今年第一季度,中国占据了全球服务器总需求的27.2%,出货量相当强劲。 3

这一趋势加速推动了DDR向更快、更高效的新一代产品迭代,国内各大厂商纷纷布局DDR5内存并力推其广泛商业化。国金证券研究所的报告称,就全球DRAM内存市场而言,服务器消耗了2020年全球DRAM内存用量的34%,预计服务器用DRAM内存数量将在2021年同比增长近40%,并于2024年超过整体DRAM用量的50%以上。 4

● PC与平板电脑

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海外研究机构Canalys于2021年5月5日公布了第一季度全球电脑市场报告:全球电脑市场出货量同比增长53.1%,达到了1.221亿台。5 其中,谷歌Chromebook增长最为明显,出货量1200万台,同比增长274.6%。除此之外,平板电脑增长51.7%,出货量3970万台。

PC及平板电脑的出货量大涨,对于DDR内存的需求也显著增大,DDR5已经开始被推向市场的风口。TrendForce预测,6 DDR5在PC DRAM市场中的市占率,将从2020 年的不到1%,成长到2021年10%,呈现10倍以上的成长幅度。

不过值得注意的是,由于PC消费者对整机价格敏感度极高,且DDR5初期推出的价格与DDR4相比存在较高溢价,英特尔(Intel)和AMD两大厂商预计将在2022年的Alder Lake平台和Zen 4平台中才会选择支持DDR5内存。7 但确如前文所述,服务器市场的形势与PC完全不同,无论是英特尔的Eagle Stream平台还是AMD的Genoa平台,都有望在2022年导入DDR5 DRAM用以取代现有的DDR4相关产品。

● 边缘计算

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许多边缘计算应用的主要目标是围绕与较低延迟相关的新服务。为了支持较低的延迟,许多新系统都采用了一些最新的行业接口标准,包括PCIe 5.0、LPDDR5、DDR5、HBM2e、USB 3.2、CXL、基于PCIe的NVMe以及其他基于新一代标准的技术。与上一代产品相比,这些技术中的每一种都通过带宽改进来降低延迟。

同时,AI算法正在突破内存带宽要求的极限。显然,它不仅需要高容量的内存能力来支持这些需求,还需把许多复杂的应用放在边缘云中执行。为了支持实现这种能力,设计人员在新的芯片组中采用DDR5并不是一件令人感到意外的事情。

DDR5有什么价值?

在回答这个问题之前,显然应该先了解一下DDR4与DDR5之间的关系。

表一:DDR4与DDR5在一些特性上的对比
来源:综合JEDEC与科技外媒Anandtech数据

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DDR内存可以在一个时钟周期内两次发送和接收数据信号,这一速率是20世纪70年代、80年代和90年代生产的DRAM的两倍。DDR4是2014年下半年发布的第四代DDR SDRAM,而DDR5虽然是第五代,但与DDR2、3和4的升级迭代相比有了很大的变化。前几代产品的迭代重点主要集中在如何降低功耗上,移动和终端应用是其主要推动力;而DDR5的主要推动因素,则是因为新型处理器内核数量越来越多,导致现有的内存带宽跟不上节奏,必须进一步提高带宽的需求。

DDR5 SDRAM的核心价值,主要体现在以下四个方面:

● 更高的速度,更低的电压

DDR5最亮眼的部分,就是速度比已经“超级快”的DDR4还要快。与1.6GHz时钟频率下DDR4内存最高3.2Gbps的传输速度相比,全新DDR5内存的最高传输速率达到了6.4Gbps,提升了一倍。如果再考虑新增的决策反馈均衡(DFE)等新功能,DDR5还可实现更高的I/O速度。此外,DDR5也改善了DIMM的工作电压,将供电电压从DDR4的1.2V降至1.1V,进一步提升了内存的能效表现。

● 更高的内存密度

DDR4在单裸片封装(SDP)模式下仅支持最高16Gb的DRAM容量,而DDR5内存标准将这一数字提高到了64Gb。这意味着,DDR5 DIMM在SDP模式下的最高容量可达256GB,是DDR4 64Gb最大容量的4倍。同时,DDR5还支持片上纠错码、错误透明模式、封装后修复和读写CRC校验等功能,并支持最高40个单元的堆叠,从而可使其有效内存容量达到2TB。

● 更新的供电与通道架构

DDR5 DIMM将电源管理从主板转移到了内存模块本身,通过一颗板载12V电源管理芯片来确保更加精细的系统电源负载。该电路会输出1.1V的工作电压(VDD),可借助更好的板载电源控制优化信号的完整性和抗干扰能力。

在针脚设计上,DDR5内存将保持与DDR4相同的288个引脚数,但由于定义不同,所以不能兼容DDR4插槽。DDR5 DIMM采用了彼此独立的40位宽双通道设计(32个数据位,8个纠错码位),每个通道的突发长度从8字节(BL8)翻倍到16字节(BL16)。所以尽管数据位仍然是64位,但并发能力的提高使得内存访问效率得到了提升,而且两个通道共用寄存时钟驱动器,每侧可提供四个输出时钟,能够优化信号完整性。

● 更高的频率和刷新

按照JEDEC的说法, 8 DDR5内存的引脚带宽(频率)是DDR4的两倍,总传输带宽可提升38%,4800MHz的起始频率也比DDR4 3200MHz增加了50%。然而这仅仅是一个开始,未来,DDR5内存的最高频率甚至有望达到8400MHz,系统带宽会继续提高至当前水平的两倍以上。

DDR5还带来了一种名为“同一内存块刷新(SAME-BANK Refresh)”的新特性。这一命令允许对每一组内存块中的单独内存块进行刷新,而让其他内存块保持打开状态,以继续正常操作。测试数据显示,单列DDR5模组与DDR4双列模组以3200MT/s的速度进行比较时,前者性能可以提升1.28 倍,在4800MT/s的入门级数据速率下,DDR5性能提升了高达1.87倍!

SK海力士的DDR5计划

SK海力士于2018年11月成功开发全球首款16Gb DDR5 DRAM之后,向英特尔等核心客户提供样品,并完成了一系列测试与性能、兼容性验证等程序,意味着SK海力士在即将到来的DDR5市场随时能够销售相关产品。之后的2020年10月,SK海力士又宣布推出全球首个DDR5 DRAM模块。

SK海力士推出的DDR5 DRAM的数据传输速率高达4,800-5,600Mbps,其速率相较前一代DDR4最多提升了1.8倍。5,600Mbps的传输速率意味着能够在1秒内传输9部全高清(FHD)电影。不仅如此,该产品的工作电压由前一代的1.2V降到了1.1V,成功减少了20%的功耗。

SK海力士DDR5 DRAM的另一个显著特征是其芯片内置型错误纠正代码(ECC);内置ECC能够依靠自身功能修复DRAM单元(cell)单字节单位的错误。有助于该特性,采用SK海力士DDR5 DRAM的系统的可信赖度有望提升二十倍。若与硅通孔(TSV)技术相结合,更能够组成容量高达256GB的高容量模组。

SK海力士期待低功耗、高信赖度且绿色环保的DDR5 DRAM将帮助数据中心降低其功耗及运营成本。将重点瞄准快速成长的高端服务器市场, 进一步巩固在服务器DRAM领域拥有的领先地位。

 

1参考来源: https://www.jedec.org/news/pressreleases/jedec-publishes-new-ddr5-standard-advancing-next-generation-high-performance
2参考来源: https://www.tomshardware.com/news/ddr5-adoption-huge-by-2023
3参考来源: https://www.trendforce.com/presscenter/news/20210414-10753.html
4参考来源: https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP201906101334263015_1.pdf?1560185765000.pdf
5参考来源: https://canalys.com/newsroom/canalys-global-pc-q1-2021
6参考来源: https://www.trendforce.com/presscenter/news/20201103-10534.html
7参考来源: https://news.mydrivers.com/1/745/745348.htm
8参考来源: https://www.jedec.org/category/technology-focus-area/main-memory-ddr3-ddr4-sdram

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