江波龙DDR5预览,DDR5内存为什么这么强?

2021-03-30 13:22:42 0点赞 6收藏 2评论

江波龙DDR5预览,DDR5内存为什么这么强?

从2020年7月,JEDEC固态技术协会正式公布DDR5内存行业标准开始,DDR 5内存便已经算悄然纸面发布。JEDEC固态技术协会表示,DDR5内存传输带宽将是DDR4的2倍,并将以DDR5-4800MHz的频率起跳,比DDR4 JEDEC官方标准最高频率3200MHz高出50%。DDR5标准将在未来为云端网络、高性能计算、人工智能以及消费级游戏电竞领域提供性能和能耗方面的关键性升级。随着5G时代的到来,数据爆炸式增长,当前DDR4内存带宽难以满足发展迅猛的密集数据和密集计算对带宽的需求。为了处理这些应用带来的海量数据增长,服务器和数据中心需要更大的内存带宽和内存容量。DDR5内存的关键性指标便在于更高的带宽与更大的内存密度和更低的功耗,正是满足行业需求的先进标准。下一步,DDR5内存将推动计算升级,使先进的行业标准转化为对企业的基础生产力。

国内专业储存企业江波龙(Longsys)也是动作最快的厂商之一,在DDR 5规范公布半年不到的时间里,便不留余力的投入技术研发,和原厂以及上游芯片厂商紧密合作下,实现了技术突破和第一版的DDR 5内存工程样品,并在2021年3月17日正式公布了两款Longsys DDR5内存模组产品(ES1),分别是1Rank x8和2Rankx8标准型PC Unbuffered DIMM 288PIN On-die-ECC内存。据悉,Longsys旗下高端消费品牌雷克沙Lexar和商用储存品牌FORESEE也将要推出消费级和企业级DDR5产品,为游戏玩家和行业客户提供关键性的DDR5性能升级。

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DDR 5作为行业关键性的指标升级,其中有几个关键性升级和改良是其性能强大的关键之处。

更快的速度,更大的容量

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频率的提升是内存更新迭代最直观的升级之一,DDR 5内存标准的起点频率是4800MHz,比DDR 4标准最高频率3200MHz高出50%,最高频率6400MHz比DDR4高出2倍。未来通过XMP超频条等高频属性,DDR 5内存甚至有机会达到8400MHz的高频水平。

内存容量的提升也是DDR 5的关键性升级之一。DDR 5单颗内存颗粒最大容量提升到了64Gb(8GB),是DDR 4颗粒最大容量16Gb(2GB)的4倍。消费级平台的UDIMM内存,单条内存最大容量将达到128GB。以4插槽的主流PC平台计算,DDR 5内存最大容量将达到512GB,几乎是一个中端固态硬盘的容量。而对于服务器领域的LRDIMM内存,结合多Die堆叠设计,单个颗粒可以最高堆叠8次,拥有40个颗粒的LRDIMM内存最大容量将达到8GB x 8次 x 40个颗粒=2560GB=2TB容量。

*文中的频率如无特殊标注,均代表“DDR”内存常用的等效频率,而非时钟频率

一条内存两个通道+突发长度翻倍到BL16

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(图中展示的是内存支持ECC功能,所以通道数为32-bit+8-bit ECC+32-bit+8-bitECC)

我们知道处理器的内存控制器位宽为64-Bit。从第一代DDR内存开始,内存位宽就被设计为64-Bit位宽,但到了DDR 4内存,半导体的电容充放速度以及IO速率达到了一个瓶颈。此时,JEDEC组织引入了一个新特性叫Bank Group,通过不同颗粒上的Banks组合进行同时读写,能“拼凑”出DDR 3 2倍的数据量,以提升DDR4内存的读写性能。但这也创造了新的问题,两个Bank Group的队列读写中间会有等待时间,这个等待时间就叫tCCD,也是DDR4内存的新延迟时间之一。

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在DDR4已有Bank Group特性的前提下,继续提升该功能已经无法大幅度提升频宽。因此,JEDEC组织在DDR 5这代内存中做出了较大的改进,将64-bit的单通道改为了2条互相独立的32-bit副通道,同时突发长度也改为BL16。

为什么我们要把突发长度和突发长度的改进放在这里说呢?因为这两者是息息相关的存在。突发长度英语叫Burst Length。通俗点可以理解为突发长度是处理器向内存某个地址发起读或写请求时,内存将该列地址解析并将相关地址里的数据连续提供给处理器或将数据分配到对应地址中,这个次数就是突发长度。用更通俗的话来说就是,IO端口是一辆高铁,乘客是数据,乘客拿着车票找乘务员找位置,乘务员神奇的通过“大数据”不但帮这位乘客找到了位置,还把他附近位置的16位乘客都安排好了。

DDR4,突发长度为BL8;DDR5,突发长度为BL16。后面的数字代表了能连续读写的封包数据量,DDR 5可以突发连续读写16次。

说完突发长度,我们再说回DDR 5内存新特性的双侧通道模式。DDR5双侧通道32-bit+32-bit,突发长度16,所以32bit(比特) x 16=512bit=64byte(字节),这里需要注意其数据单位。处理器的缓存封包单位限制为64byte/Op,内存与处理器交换的数据大小必须与其对等。

通过这个计算,我们就能得出DDR4一次操作可以交付64 bit x BL8=64byte(字节),DDR 5一次操作可以交付(32bit x BL16=64byte)+(32bit x BL16=64byte),这使其有效带宽增加了1倍。

突发长度还与预取模式有关,这两个概念经常会被混淆,但实际上并不是一个东西。经常被混淆的原因是,这两个的概念非常相似,且一般相等,所以会被混淆。没错,DDR 5的预取模式也从8n提升到了16n,预取模式就是内存cell往外吐数据,将他们排成一列等安排的操作。如果通俗的解释这两者的关系,咱们书接上一回,乘务员可以连续16次安排乘客的位置,但首先需要有16位乘客的存在才能安排,预取的作用就是事先安排好16位乘客。

同步刷新模式与更多阵列分层

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DDR 5的双侧通道结构还会产生其他的连锁反应,比如在DDR5内存中引入了SAME-BANK Refresh(同步刷新)技术。内存本质上是易失性存储器,数据只能在其中的电容器单元保存很短的时间,每隔一瞬间就要通过充电来重新刷新电容器的储存寿命。同时因为大容量内存行地址很多,高频率内存刷新频率太快(超频时导致数据出错,不稳定),对内存颗粒的电容器刷新的压力也就更高。如果懂超频的玩家肯定有印象,刷新等待周期的增长反应到时序上就是tRFC和tREF的增加。

DDR 5不管是容量还是频率都有数倍的提升,同时通过双侧通道结构增加了并行执行性能,因此便有了SAME-BANK Refresh(同步刷新)技术的出现。SAME-BANK Refresh(同步刷新)技术允许在刷新Bank Group其中一个Bank时,其他Banks依然保持激活状态,而不是等待刷新的状态。这项技术会让DDR 5获得更好的延迟以及通道利用率。

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同时对BankGroups的利用率增加,让新的DDR 5不再满足原本的阵列数量,将原来4Bank Groups/4Banks(4组4块)改为了8 Bank Groups/4Banks(8组4块)的设计,维持相同Banks数量提升Groups数量的设计,降低了大容量颗粒导致更长写入等待时间的影响,提高了系统整体的效率,允许更多的页面在任何给定时间内被打开。

均衡反馈技术与PMIC集成功能,信号更纯净、完整

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每代内存的更替除了速率和技术的更新,电压与功耗的降低也是升级指标之一。DDR 5内存的标准工作电压从DDR 4的1.2V降低至1.1V。随着标准对更高频率和更低功耗的推动,DDR 5内存标准引入了对内存电压调节方式相当重要的改良,将内存的电压调节模块从主板上移植至内存PCB上,并增加独立的稳压器,这个模块被称为PMIC。主板对内存的输入电压将改为12V的标准电压,再由PMIC模块转换为1.1V。这种设计能更好的监控内存芯片的功率、温度等信息,同时提升了转换效率和对电压的控制精准度。

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除了独立的电源管理芯片,DDR 5还引入了Decision Feedback Equalization(均衡反馈器)来降低高频电路中的噪音和损耗。均衡反馈器是高频电路常见的一种降噪技术,通过内存总线端接收器的反馈来调整高频噪音对电路的干扰。同时标准中还加入了训练模式,以补偿内存电路上对时序的微小差异。

最后,DDR5 模块设计的改变,除了DQ/DQS/DM信号继续采用ODT(On Die Termination)设计外,还新增CA、CS类信号也采用了ODT设计,进一步减少了信号脉冲的反射干扰效应,让信号传输更加纯净。

颗粒内置ECC纠错码

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DDR 5引入了一个叫On-Die-ECC的新特性。说到ECC,大家可能会立刻想到支持ECC的服务器内存条,但DRR 5引入的On-Die-ECC与单独的“ECC”功能并不是一码事。On-Die-ECC指的是DDR 5的颗粒内置了ECC纠错码,每128-bit的cell就有8-bit储存校验码,它的存在更像MD5码,自身不具备纠错能力,但能牢牢的检测出错误并将错误地址交由控制器处理,由此进一步提升数据完整性,同时缓解系统错误校正负担并充分利用DDR 5的高效读写机制。

引脚相同,定义不同

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DDR5内存将与DDR4内存保持相同的288引脚数,但不要指望DDR 4平台能够与DDR 5平台有任何兼容性。DDR 5平台对于引脚定义以及信号、指令有了大幅度的改良,尤其是命令和总线地址引脚有了极大的变化,基本决定了两者的不兼容性。估计即使DDR 5平台在物理接口的引脚数量相同,JEDEC协会也会通过防呆接口的改变来限制DDR4与DDR 5内存的误插。

什么时候能见到DDR5内存?

目前已有部分内存厂商公布了DDR 5内存,还有部分内存厂商已经展示了工程测试样品,预计在今年就能看到DDR 5内存量产,今年年底到明年上半年就能见到DDR 5内存出现在市场上。对于零售PC平台,DDR 5内存仍需处理器平台支持才能上市。英特尔的AlderLake和AMD的Zen 4架构处理器预计会加入DDR5内存的支持,估计会在2022年上市。也就是说桌面PC平台最快会在2022年用上DDR5内存。

最后,感谢江波龙为我们提供资料,科普了DDR5内存的优越之处。作为大陆地区最强的模组厂江波龙尽管内存产品线起步较晚,但能够在技术创新的征途上愈战愈勇,源于Longsys专注存储行业20余年的技术底蕴,以及打造高品质存储产品的决心。根据他们的官方报道,截止2021年3月12日,江波龙申请专利总数达到838个,其中境外专利申请178项;已授权且维持有效专利411项、其中境外授权且维持有效专利83项;软件著作权65项。可见他们对知识产权保护的力度。

对于行业客户,从2014年使用至今的DDR4内存正面临着来自密集数据计算和企业数据中心越来越庞大的性能与容量压力。企业只能通过购置更多服务器和端口来缓解这一压力。相较DDR4内存,DDR 5内存在带宽上实现翻倍提升,在容量上更是达到DDR4标准的4倍,LRDIMM最大容量甚至可以达到2TB,搭配多通道的多路服务器,将在未来极大缓解行业客户的服务器压力,IT部门都不禁直呼过瘾。

对于消费级市场,随着处理器性能的提升,高频率内存以及大容量内存的需求正在逐年增加。高分辨率游戏、高分辨率影视作品让程序消耗的内存越来越大,多线操作高效率的使用习惯使同时运行的程序增多。回望5年前,4GB x 2的内存已是标配,现在8GB x 2内存都已略显落后,16GB x 2的内存套装销量更是在逐年增长。展望未来,DDR 5标准已经推出,消费级个人电脑将迎来频率超过4800MHz的新一代高速内存,2 x 32GB的64GB内存套装将逐渐成为主流。

据说FORESEE和Lexar雷克沙会在下半年正式发布DDR5内存,其他品牌也在做准备,预计明年上半年DDR5内存市场会有更多新的产品,不妨期待一下!

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