法定繼承人DDR5

要說到DDR5，必須首先明確一個(gè)問題。它與目前主流的DDR5顯存，即GDDR5并不是一回事雖有一定的血緣關(guān)系，但關(guān)系已經(jīng)相當(dāng)遠(yuǎn)了。DDR5是從目前主流的DDR4發(fā)展而來。但GDDR5卻是從DDR3進(jìn)化而來的。此外還有另一個(gè)發(fā)展路線上的低功耗產(chǎn)品LPDDR5。雖然技術(shù)有些關(guān)聯(lián)，但主要面向移動(dòng)、集成市場(chǎng)（圖1）。

DDR5的規(guī)范其實(shí)在2016年就開始規(guī)劃，也就是說DDR4剛剛開始走上正軌。廠商們就在籌劃下一代內(nèi)存了。這一規(guī)范主要由三星提出、美光參與。具體性能方面。規(guī)劃中的DDR5從3.2GHz等效頻率起跳，主流頻率會(huì)達(dá)到6.4GHz，容量則為16GB起跳電壓1.1V。而從目前公布的一些DDR5顆粒來看。似乎廠商有意直接出貨6.4GHz左右的高頻產(chǎn)品（圖2），與目前已經(jīng)進(jìn)入主流價(jià)位的DDR 43×00內(nèi)存拉開檔次。

微小的進(jìn)步和出色的兼容性

總體來看，DDR5其實(shí)就是等效頻率翻倍的DDR4，而其翻倍的方式也和之前的DDR2、3、4一樣，利用了每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)電平的不同來觸發(fā)（圖3），在保持基礎(chǔ)頻率的基礎(chǔ)上可以獲得數(shù)倍的等效運(yùn)行頻率。這樣漸進(jìn)式的發(fā)展兼容性更好，是DDR5成為下一代標(biāo)準(zhǔn)的主要原因之，。

當(dāng)然，DDR5已經(jīng)需要在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)觸發(fā)驚人的32次動(dòng)作，所以需要非常精確地測(cè)量時(shí)鐘脈沖和電平，并且維持非常高的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。為此DDR5顆粒和內(nèi)存條中也增加了一些新模塊、電路和算法，比如用來修正時(shí)鐘相位、減小時(shí)鐘誤差的相位插值/旋轉(zhuǎn)器（PhaseRotator），用來調(diào)整均分時(shí)間的延遲鎖定回路（Delay-Locked Loop），以及注入鎖相振蕩器（Injection LockedOscillator）和前向反饋均衡電路（FFE）等。很顯然，雖然DDR5沒有進(jìn)行架構(gòu)大改，但更復(fù)雜的電路及元件以及早期的良品率問題還是會(huì)明顯提升成本，所以預(yù)計(jì)其上市價(jià)格將大幅高于DDR4內(nèi)存。

DDR6緊隨其后

作為DDR5最有可能的后繼產(chǎn)品，DDR6也已經(jīng)初露端倪。這次的先行廠商是SK海力士，其開發(fā)的DDR6內(nèi)存預(yù)期速率12GHz，即DDR6-12000，正好又是主流DDR5速率的兩倍。DDR6還可能采用更高的每周期數(shù)據(jù)傳輸能力等技術(shù)進(jìn)一步提升性能，使其成為一次性能跨越較大的內(nèi)存升級(jí)。根據(jù)媒體采訪透露出的信息，SK海力士預(yù)計(jì)DDR6將在5年～6年內(nèi)發(fā)展完成，正式進(jìn)入主流市場(chǎng)。

需要注意的是，SK海力士在研的“后DDR5”產(chǎn)品仍為技術(shù)概念，目前成型的主要有兩種，其中一種是延續(xù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，另一種則是將DRAM與CPU等片上系統(tǒng)的處理技術(shù)結(jié)合。很顯然，后一種其實(shí)和目前HBM內(nèi)存的使用方式很類似。

GDDR顯存與LPDDR內(nèi)存

在內(nèi)存規(guī)范中，很多人經(jīng)常會(huì)被GDDR和LPDDR搞糊涂。其實(shí)GDDR基本與同代DDR沒有什么關(guān)系，而是有著自己的發(fā)展路線，只是有時(shí)會(huì)有一些交叉。比如GDDR2是DDR2內(nèi)存的優(yōu)化版本，而GDDR3內(nèi)存基本上是原封不動(dòng)照搬了DDR3顆粒，后續(xù)的GDDR4、GDDR5（圖4）、GDDR5X都是進(jìn)一步優(yōu)化的GDDR3（DDR3）。GDDR6（圖5）的變化更大一些，每個(gè)芯片配置了兩條x8/x16通道，而GDDR5僅有一條通道，此外電壓下降到1.35V，耗能降低了35%左右，因此獲得了和HBM甚至HBM2顯存一較高下的能力。同時(shí)其針腳數(shù)量也比GDDR5X有所減少，生產(chǎn)、使用都更方便。

當(dāng)然與DDR內(nèi)存顆粒相比，GDDR還是有一些改變的，比如修改了外部接口，使用更高的集成度，可以用更少的顆粒提供足夠的帶寬，但在一定程度上犧牲了延遲，R寸也略大一些。GDDR還會(huì)盡量提升運(yùn)行效率，獲得更高的等效頻率，同時(shí)降低功耗。當(dāng)然這些能力除了對(duì)架構(gòu)、工藝的修改外，也是因?yàn)轱@存利潤(rùn)較高，所以廠商也更傾向于在GDDR顆粒的制造中投入更新的技術(shù)、制程。

至于LPDDR系列，則是（Low Power Double DataRate SDRAM，低功耗DDR內(nèi)存）的簡(jiǎn)稱，它們的技術(shù)、架構(gòu)與同代DDR內(nèi)存基本相同（圖6），但使用非常低的電壓，如LPDDR4使用1.1V電壓，使其功耗大幅降低。

需要注意的是，LPDDR和低電壓DDR內(nèi)存如DDR3L也不一樣，其電壓更低，功耗也更小，因此平臺(tái)定位就完全不同，前者主要用于手機(jī)、平板電腦等設(shè)備，而后者則和普通DDR內(nèi)存的應(yīng)用方式基本相同，主要用于筆記本電腦，也大量用于臺(tái)式電腦中。

蟄伏的HBM

除了DDR5，目前已經(jīng)很成熟的內(nèi)存技術(shù)還有HBM（高帶寬內(nèi)存），它在高端顯卡上的表現(xiàn)也很搶眼。為什么來自CPU大廠AMD，并且早就宣布過要進(jìn)軍PC內(nèi)存市場(chǎng)的HBM，卻遲遲沒有真正的動(dòng)作？它又會(huì)不會(huì)借著第二代產(chǎn)品HBM2的成熟和本次PC內(nèi)存的升級(jí)進(jìn)入內(nèi)存市場(chǎng)呢？要理解這些問題，咱們先得了解HBM內(nèi)存及其特點(diǎn)。

顧名思義，HBM內(nèi)存最大的特色就是位寬特別高，可以在較低頻率下實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)傳輸率。如果以道路進(jìn)行比喻，那么DDR內(nèi)存就是通過不斷提高車速來換取更快的數(shù)據(jù)運(yùn)輸速度，而HBM則是把路盡量拓寬，通過并行更多的車輛來換取更大的數(shù)據(jù)運(yùn)輸量。HBM的封裝構(gòu)造也和DDR內(nèi)存完全不同，是多層顆粒層疊放置（圖7），所以體積可以做得很小（圖8）。

日日M內(nèi)存的問題也恰恰在于它的工作方式，由于帶寬非常大但頻率相對(duì)較低，所以與核心連接的線路更復(fù)雜、對(duì)延遲的敏感度更高。要用HBM做PC內(nèi)存的話，內(nèi)存插槽與處理器接口間就必須盡量接近，而且線路非常復(fù)雜密集;而如果像GPU一樣把它直接做在CPU封裝內(nèi)（圖9），就要放棄內(nèi)存插槽，這都需要對(duì)主板結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改。

另外的問題來自CPU，HBM能用于GPU的原因是現(xiàn)在GPU顯存位寬都很大，主流產(chǎn)品192bit起步，使用HBM內(nèi)存的Vega 64（010）和Titan V更達(dá)到了2048bit和3072bit。但目前主流CPU的內(nèi)存控制器只能使用128 bit雙通道，根本沒法充分利用HBM的高帶寬，甚至還限制了可用的內(nèi)存容量。

HBM仍需機(jī)會(huì)

DDR內(nèi)存終歸是一種改進(jìn)式產(chǎn)品，速率一直加倍、加倍就需要越來越精細(xì)地控制、識(shí)別時(shí)鐘電平，稍微有一點(diǎn)波動(dòng)就會(huì)造成頻率不穩(wěn)，長(zhǎng)遠(yuǎn)看來必然難以為繼，這也是為什么在“后DDR5”時(shí)代的內(nèi)存開發(fā)中，出現(xiàn)了類似HBM的與CPU集成的方案。

筆者認(rèn)為，HBM或者更新架構(gòu)的內(nèi)存無疑是未來的發(fā)展方向，不過這需要處理器、主板甚至整個(gè)PC架構(gòu)大改，因此仍需要等待機(jī)會(huì)。

目前看來，HBM的機(jī)會(huì)主要有兩種，一是遇到了非常強(qiáng)力的推手，例如支持HBM，同時(shí)具有劃時(shí)代意義的處理器及相應(yīng)平臺(tái)。但在目前已知的下一代產(chǎn)品如第三代銳龍、Sunny Cove中，都沒有確認(rèn)會(huì)支持HBM，而且它們似乎都沒有采用超高內(nèi)存帶寬的設(shè)計(jì)，應(yīng)該也無法發(fā)揮HBM的能力。

二是DDR模式的漸改方式出現(xiàn)問題，過高的頻率和過于精細(xì)的分頻讓DDR內(nèi)存變得非常不穩(wěn)定，或者需要添加更多額外的元件、電路，使得成本無限制地上漲。此時(shí)HBM或其他類型的內(nèi)存，以及新的PC架構(gòu)就會(huì)占有成本優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而成為新的主流。

目前的內(nèi)存選購策略

從目前的情況可以判斷，兩種淘汰DDR內(nèi)存的機(jī)會(huì)最近都不會(huì)出現(xiàn)，所以DDR內(nèi)存的生命還是相當(dāng)長(zhǎng)的。對(duì)準(zhǔn)備裝機(jī)的用戶來說，并未商品化的DDR5也無需等待，從平臺(tái)支持和自身的成本來看，它大規(guī)模取代DDR4內(nèi)存估計(jì)要到2022年了，近期公布的處理器如銳龍300和X570芯片組即使開始支持DDR5，也必然會(huì)保留對(duì)DDR4的支持，且主流主板肯定也會(huì)有DDR4插槽的。

徹底革命新的內(nèi)在方式

作為目前電腦中的主力通信協(xié)議，PCle的歷史已經(jīng)很長(zhǎng)了，即使是PCle 3.0也有著近10年的歷史。這在電腦設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中是比較少見的長(zhǎng)壽了。而從PCle 1.0到3.0，雖然每一代的帶寬只提升為兩倍（圖11），但實(shí)際體驗(yàn)卻有很大的區(qū)別。

以顯卡為例，一代PCle可以很好地支持早期GPU，PCle 2.0時(shí)代可以讓顯卡配合處理器進(jìn)行異構(gòu)運(yùn)算，PCle3.0足夠的帶寬讓雙顯卡并聯(lián)完全可以不用橋接器。另外比如現(xiàn)在流行的高速M(fèi).2 SSD，也只有在單通道達(dá)到1GB/s的PCle 3.0時(shí)代才能拉開與SATA接口的差距。

那么PCle 4.0呢？現(xiàn)在的RTX 2080 Ti已經(jīng)把PCle 3.0×8的帶寬吃得干干凈凈，實(shí)際帶寬需求在PCle 3.0×10左右（圖12）。所以不用等下一代顯卡，現(xiàn)在RTX 2080 Ti SLI（8+8）或者RTX未來的頂級(jí)Titan型號(hào)就已經(jīng)需要更大的帶寬了。此外使用PCle 4.0的SSD性能也非常強(qiáng)，傳輸速度已經(jīng)可達(dá)到6.4GB/s級(jí)別（PCle 4.0×4），而且已經(jīng)有用于服務(wù)器中的產(chǎn)品（圖13）。

然而這些傳統(tǒng)應(yīng)用并不是PCle 4.0帶來的最大改變。其實(shí)我們計(jì)算一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，PCle4.0×16插槽的帶寬已經(jīng)達(dá)到了32GB/s，接近雙通道DDR4 2400內(nèi)存（38.4GB/s）的帶寬，完全是內(nèi)存級(jí)別的傳輸速度。而在其上運(yùn)行的3D Xpoint產(chǎn)品則擁有極強(qiáng)的潛力，目前已經(jīng)可以提供遠(yuǎn)超NAND，更接近內(nèi)存的傳輸速度、相應(yīng)延遲等指標(biāo)（圖14）。

在目前已經(jīng)大量使用PCle 4.0的服務(wù)器領(lǐng)域，英特爾已經(jīng)推出了一種新形態(tài)的存儲(chǔ)架構(gòu)，即將基于3D Xpoint技術(shù)的產(chǎn)品作為內(nèi)存與SSD存儲(chǔ)之間的緩沖（圖15），可以大幅降低相應(yīng)元件的壓力，同時(shí)大幅提升系統(tǒng)整體性能。甚至可以說英特爾最新的服務(wù)器芯片，在性能方面的提升已經(jīng)開始依賴于這種新架構(gòu)了（圖16）。

那么，與PCle 4.0搭配的3D Xpoint技術(shù)到底有何神奇之處，用于服務(wù)器的3D Xpoint產(chǎn)品與現(xiàn)在大家熟悉的用來加速硬盤的傲騰有什么不同呢？

改變格局的搭檔 3D XPoint

3D XPoint是一種由英特爾與美光（Micron）共同開發(fā)的存儲(chǔ)技術(shù)，雖然其具體原理和結(jié)構(gòu)都仍在保密中，不過基本可以確定，它是一種使用電阻來標(biāo)記數(shù)據(jù)狀態(tài)的新型存儲(chǔ)技術(shù)。由于電阻這種特性無需電荷來維持，所以其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是“非易失性”的，也就是除非進(jìn)行主動(dòng)擦除，否則斷電之后數(shù)據(jù)仍然存在。