DDR5规范重磅面世，揭幕下一代内存大战！

7月15日，JEDEC正式公布了全新的DDR5标准，剑指下一代高性能计算系统。据JEDEC声称，DDR5是为了满足高效率高性能的多种需求所设计的，不仅包括客户端系统，还有高性能服务器，为未来的数据中心和计算机改革提供全新的内存技术。
 
据IDC调研数据显示，针对DDR5的需求将从2020年开始逐步增长，并于2021年占据22%的DRAM市场，在2022年的市场占有率达到43%。

理论DRAM带宽 vs 核心数 / Micron

 
在算力飞速发展的时代，CPU制造商仍在提高核心数。以往PC用户使用的是四核CPU，现在大多数CPU制造商都已经在消费者市场提供六核，乃至十二核的高端芯片。在服务器应用上，CPU的核心数量已经高至64核。而DDR4这样的服务器内存解决方案，已经开始难以满足多核心CPU的带宽需求。
 
信号完整性，功率输出以及布局复杂度都限制了每个CPU核心上的带宽。因此发挥下一代CPU的真实性能就需要新的内存架构，这也是DDR5的设计初衷之一。
 

英特尔芯片规划路线图 / 华为

 
单有内存还不够，对于桌面级以及服务器级别的应用，CPU的内存控制器支持也是至关重要的。去年华为俄罗斯在一次会议中泄露了Intel的产品规划路线图，该图指出Intel将在2021年发布的Sapphire Rapids微架构Xeon处理器中支持DDR5和PCIe5。
 
AMD资深副总裁Forrest Norrod在去年的某次采访中明确表示，2020年下半年发布的Zen3架构 Milan芯片依然仅支持DDR4。据GamersNexus收到的内幕消息，AMD将于2022年发布的Zen4架构CPU和Zen3+ APU会支持DDR5。
 
DDR5与DDR4的差异

DDR4与DDR5带宽对比 / Micron

 
DDR5可以实现更高的数据传输率、更低的功耗和更高的密度。数据传输率上，DDR5的最大传输速率可达6400 MT/s，是DDR4的两倍，SK海力士也已经开始研制8400MT/s的DDR5内存。与DDR4-3200相比，DDR5-6400可以做到两倍以上的带宽。
 

几代DDR内存对比 / 数据来源：JEDEC

 
为了提高内存的传输速率，DDR5有这么几个新特色：
 
1.多抽头判决反馈均衡器（DFE）：通过开放了设备中的数据眼图，DFE减轻了高速率下的码间干扰（ISI）
 
2.占空比调节（DCA）电路：该电路可以为内部的读取路径调整DQ和DQS占空比。当这些信号在设备和PCB中传输时，这一功能可以修正自然发生的小型占空比失真，最终优化控制器收到的DQ和DQS信号占空比。
 
3.DQS间歇振荡器电路：该电路可以让控制器监控由于电压和温度漂移，在DQS时钟树上引起的延时。这样的话，控制器设计可以主动决定是否或何时进行重训练，从而优化写入时机。
 
4.具有独立模式寄存器的读取训练模式：相关的数据模式包括默认的可编程串行模式，一个简单的四种模式，以及一个线性反馈移位寄存器生成的模式，为高数据传输率提供更加充足的时间间隙。
 
5.内部参考电压：控制与地址引脚与芯片选择引脚的参考电压。DQ引脚的内部参考电压改善了DQ接收器上的电压裕度，而这几个引脚的内部参考电压分别改进了对应接收器上的电压裕度，让设备可以实现更高的数据传输率。
 
三星
 

三星DDR5 / Samsung

 
三星在今年年初公布了自己在DDR5上的规划。三星的DDR5采用了最新的TSV 8层技术，让一个DDR5芯片拥有DDR4两倍的栈。每个DIMM也可以提供512GB的容量。
 
三星也将在下一代DRAM上全面利用EUV光刻工艺，先从第四代10nm（D1a）和先进的14nm制程开始。除此之外，三星决定其在韩国平泽市的P2晶圆厂将与下半年开始生产，该厂原定用于“生产下一代高端DRAM”。三星预计基于D1a的16Gb DDR5和LPDDR5将于明年开始量产。
 
SK海力士

DDR5内存条 / SK海力士

 
2018年11月，SK海力士就成功研制出了第一款达到JEDEC标准的16Gb DDR5 DRAM。10nm级的16Gb DDR5高速高容量内存，将成为他们的主打产品，并将于今年开始量产。SK海力士的DRAM产品规划部门主管Sungsoo Ryu说：“第四次工业革命中，打头阵的是5G、自动驾驶、AI、AR、VR和大数据等应用，而DDR5 DRAM可以用于下一代高性能运算（HPC）和基于AI的数据分析。DDR5也可以为16Gb甚至是24Gb内存提供更加广泛的密度选择，以满足云服务客户的需求。”

DDR5原理图 / SK海力士

 
除了已经提到的性能和功耗差异外，SK海力士也提到了DDR5使用的新技术ECC和ECS。这两大技术可以解决内部的单位错误，同时降低成本。ECS会记录DRAM的缺陷，并为主机提供错误计数，进一步提升服务器系统的透明性，增强其稳定性、可用性以及服务性能（RAS）。
 
Micron

DDR5内存条 / Micron

 
美光于今年1月宣布开始筛选DDR5的DIMM，并基于业界领先1znm的制造工艺。美光称DDR5能为下一代服务器在内存性能上带来85%以上的提升。美光计算与网络部门的主管和高级副总裁Tom Eby指出：“随着各种模拟应用的数据快速增长，数据中心的负载也在慢慢濒临挑战，而解决方案就是高性能、高密度和高质量的内存。”
 
随着DDR5标准的正式公布，美光也随之公布了自己的DDR5技术支持计划，提供技术资源、产品以及生态合作伙伴，加入这一计划的公司包含Cadence、Renesas、Synopsys、Montage和Rambus。
 
长鑫

长鑫产品规划图 / 长鑫
 

长鑫研发出了首颗量产的国产DDR4内存芯片，其8GB和4GB的DDR4内存产品也已经上市。其DDR4产品使用长鑫的10G1（19nm）工艺，相同工艺也将用于今年下半年投产的LPDDR4X产品。据其产品规划图显示，长鑫将开发基于10G3工艺（17nm）的DDR4、LRDDR4X、DDR5和LPDDR5产品，未来还有基于10G5的DDR5/LPDDR5和GDDR6。目前长鑫存储已经建成了第一座12英寸晶圆厂并投产，并计划再建两座晶圆厂。
 
Synopsys

VC VIP原理图 / Synopsys

 
DDR5标准公布后，Synopsys也公布了业界首个兼容该标准的DDR5 DRAM/DIMM 验证IP（VIP）。用于DDR5的Synopsys VC VIP以易用性、快速集成能力以及高性能实现了下一代内存设备的设计与验证，进一步加速了验证这个过程。此外Synopsys DesignWare的DDR5/4 PHY和控制器IP也可以在高至6400 Mb/s的速率下运行，支持DDR5标准的各种特性。

DesignWare DRR5/4控制器多端口AXI配置 / Synopsys

 
Rambus
 
Rambus的DDR5服务器DIMM缓冲芯片组是业界首个为下一代DDR5开发的半导体。该芯片组可以提升内存容量，同时保持DIMM的峰值性能。这些增益对于未来对数据密集的应用来说非常关键。

DIMM缓冲芯片 / Rambus

 
DDR5数据缓冲器（DB）和寄存时钟驱动器（RCD）用在DDR5的服务器内存RDIMM和LRDIMM中，与未缓冲的DIMM相比，前者可以实现更高的的带宽、性能和容量。RDIMM和LRDIMM减少了CPU的负载，改善了控制/地址总线上的信号完整性。更重要的是，DDR5 DB将减少数据总线上的有效负载，如此一来可以在模块上加入更大容量的DRAM。
 
澜起

DDR5 RCD和DB套片 / 澜起

 
以内存接口芯片为主营业务的澜起科技也公布了自己的DDR5接口芯片，包括DB芯片M88DR5DB01和RCD芯片M88DR5RCD01，支持DDR5-4800。据其公司投资者关系记录称，澜起于2019年已完成了符合JEDEC标准第一子代的DDR5 RCD和DB芯片工程样片的流片，并于去年下半年送样给客户和合作伙伴测试评估，计划在2020年完成第一子代DDR5内存接口量产芯片的研发。
 
JEDEC预计DDR5的总体推广曲线与以往的DDR标准相近，因此我们也许得在12到18月后才能看到DDR5的内存出现在设备中。但随着科技产业的逐渐成熟，JEDEC同时预计DDR5的货架寿命会比DDR4要长。照各大厂商目前的开发速率，未来一段时间内我们必会陆续看到他们的DDR5样品和商用DIMM，相信明年的服务器市场和客户桌面端市场会迎来新的转变。