什么是，DDR5_SDRAM_技术发展历程

很多朋友对什么是，DDR5_SDRAM_技术发展历程不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

什么是DDR5？

打开百度百科，你会发现DDR5的描述非常“简单”：“DDR5是一种计算机内存规格”。这个定义没问题，但是不够具体。让我们一起深入了解一下。

DDR5是第五代DDR SDRAM的缩写，DDR SDRAM是英文Double Data Rate SDRAM的缩写，中文翻译为双倍率SDRAM，SDRAM是Synchronous Dynamic Random Access Memory的缩写，翻译为同步动态随机存取内存，同步对象是系统时钟频率。因此，结合起来，DDR5就意味着第五代双速率同步动态随机存储器。

资料来源：安迪洛克

从字面上不难发现DDR5和SDRAM是有血缘关系的。是的，准确的说DDR5是SDRAM的改进版的第五代传人，而DDR的作用不仅仅是暂时存储CPU计算数据，还肩负着与外部存储交换数据的使命，比如因为硬盘不仅要求满足高速读写的要求，还要求具有无限读写的功能。当然，无限读写是理论值，受到材料及其寿命等因素的限制。一般都是十年以上。

SDRAM技术发展历史

在讲SDRAM的发展历史之前，先普及一个分类概念。从RAM开始，RAM（Random Access Memory），即随机存取存储器，可以分为两类，一类是动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM），另一类是静态随机存储器（Static RAM，静态随机存储器）。由于DRAM具有结构简单、集成度高、功耗低、制造成本低等优点，因此在计算机存储器中得到广泛应用。

同样，DRAM按照工作原理上是否与系统时钟同步可以分为同步动态随机存储器SDRAM和异步动态随机存储器EDO DRAM。

事实上，在EDO DRAM之前，曾有过优于DRAM的486时代的“新形态”，但它早已淡出了人们的视野。它是快速页模式DRAM（FPM DRAM），配置基本为30线/72线，5V电压，带宽32bit，基本速度在60ns以上，典型时序为6-3-3-3。

按理来说，接下来我要讲的是EDO DRAM。你还记得20世纪90年代出现的586电脑吗？这就是后来被称为“奔腾”的那款。当时8M内存配备了72线EDO DRAM，屏幕马赛克是如此清晰可见。然而，它并非没有优点。与FPM DRAM相比，EDO DRAM的性能提升了20%~40%。这是由于它的工作机制，即输出一组数据时，对下一组数据进行预处理，也称为预处理机制。

后来出现了SDRAM。与之前的产品相比，无论是尺寸还是频率都有了质的飞跃，SDRAM的历史由此开始。截至2020年初，SDRAM总体经历了五个主流发展阶段：SDRAM、DDR、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5，而DDR4目前在市场上应用较多，样品数量较少DDR5的最终国际标准仍在制定中。

内存的发展很大程度上与CPU处理器的进步息息相关。让我们一代又一代地回顾一下：

内存

来源：搜狐

随着Intel Celeron处理器和AMD K6处理器以及相关主板芯片组的推出，EDO DRAM的性能已经无法满足其需求。得益于输入输出信号与系统外部频率的同步，以及64bit存储器总线宽度对应处理器数据总线宽度的便利性，使得SDRAM很快取代了EDO DRAM。值得一提的是，在这个迭代期间，由于Intel和AMD之间的频率之争，CPU处理器的外部总线频率从100MHz快速上升到133MHz，内存规格也从PC66发展到PC100、PCIII、PC133和不太成功的PC600、PC700 和PC800。

DDR

来源： ssyer

2000年，在生产成本没有大幅增加的基础上（据报道约为1.3倍），DDR SDRAM（以下简称“DDR”）的速度是SDRAM的两倍，即两倍速率SDRAM。 DDR的名字来源于Come Here。而DDR为什么能够实现倍速呢？这是因为DDR采用了DLL延迟锁相环技术和数据滤波信号，使得DDR控制器能够进行高效、准确的数据定位。简单来说，DDR可以在时钟的上升沿和下降沿读取数据，因此可以双倍速率工作。另外，由于DDR采用SSTL2标准的2.5V电压，低于SDRAM的LVTTL标准的3.3V电压，因此功耗更低。

当然，除了技术之外，规范也是第一位的。在此期间，内存规格从PC133发展到PC266、DDR333、DDR400支持266MHz带宽和DDR533规格的超频解决方案。

DDR2

来源：pconline

随着CPU处理器前端总线带宽的不断提高以及高速局部总线的出现，DDR的性能已经成为制约处理器性能的咽喉技术。因此，2003年，英特尔宣布了开发DDR2 SDRAM（以下简称“DDR2”）的计划。

与DDR相比，DDR2最大的亮点就是功耗的降低，这是由于工作电压的降低，即从2.5V降低到1.8V，同时提高了工作频率。改进了多少？ DDR2的工作频率大约是DDR的两倍，因为DDR2的预读能力是4bit，而DDR的存储预读能力是2bit，是2倍的关系，这使得DDR2突破了400MHz的限制DDR内存。其次，DDR2采用不同的内部和外部时钟机制。具体来说，内部时钟是外部时钟的1/2，而DDR的内部和外部是相同的。这也解释了DDR2内存有400、533、667MHz等不同时钟频率，容量密度为512MB的原因。最后要说的是，DDR2放弃了TSOP，打开了内存FBGA封装的大门，减少了寄生电容和阻抗匹配问题，增加了稳定性。

DDR3

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2007年，JEDEC协会正式推出DDR3 SDRAM（以下简称“DDR3”）规范，DDR3开始走向舞台。

与DDR2相比，得益于生产工艺的精细化，DDR3的工作电压从1.8V降低到了1.5V和1.35V（DDR3L），进一步降低了功耗和发热量，并采用了自动自刷新。去温度、局部自刷新等功能，一定程度上弥补了DDR3延迟时间长的缺点。同时DDR3的速度从800MHz开始，最高可以达到1600MHz，几乎是DDR2速度的两倍。这怎么可能？由于DDR3在一个时钟周期内可以输出8bit数据，而DDR2是4bit，因此单位时间的数据传输量是DDR2的两倍。另外，DDR3的预读能力为8bit，是DDR2的两倍，使得DDR3的核心工作频率仅为外部频率的1/8。

DDR4

图片来源：摄影网

2014年底，起始频率2133MHz的DDR4内存产品陆续推出，标志着DDR4时代的到来。时至今日，DDR4仍然占据市场主流地位。

与DDR3相比，在功耗方面，DDR4的工作电压从1.5V降低到1.2V和1.05V（DDR4L），这意味着更省电，发热量更少。速度方面，从2133MHz开始，最高速度可以达到4266MHz，是DDR3的近三倍。这是如何实现的？首先我们来说说传动机制。 DDR4除了支持传统的SE信号外，还引入了差分信号技术。也就是说，已经发展到了双向传动机制的阶段；设计上，更容易实现高频；最后，DDR4采用三维堆叠封装技术，增加了单位芯片的容量，同时还采用了温度补偿自刷新、温度补偿自动刷新和数据总线反转技术，对降低功耗起到了很好的效果。

DDR5

来源：AnandTech

Intel和AMD之间的核战愈演愈烈，现在台式机开始以6核开始腾飞。可以预见，内存性能很快将成为新的瓶颈。因此，JEDEC协会早在2017年就开始与各大SDRAM厂商合作起草DDR5标准。 2018年，公布了DDR5技术规范草案。 2019年2月19日，JEDEC宣布了LPDDR5的更新标准，但目前尚未发布。发布正式版本。因此，“为什么DDR5没有普及？”声音越来越多，我会在后面的章节中给大家解释。我们来看看DDR5从技术角度有什么不同？

DDR5有哪些新技术特点？

更大容量、更高速度、新功能、新特性的出现，是DDR5 SDRAM（以下简称“DDR5”）区别于DDR4最明显的进步。

来源：美光

表示

根据JEDEC发布的草案，在容量方面，单条DDR5的容量范围为8Gb至64Gb；速度方面，DDR5从3.2Gbps起步到6.6Gbps，最高可扩展至8.4Gbps，预取数据能力从DDR4的8n增加到16n，突发数据长度变为16；功耗方面，DDR5的工作电压从DDR4的1.2V降低到1.1V；另外，在功能上，DDR5不仅继承了激活、读写、预充电、刷新、自刷新、节能电模式、ZQ校准等基本功能之外，还有很多新功能，或者说新特性，增加了一些内容，这也是本章的重点。废话不多说，我们继续关注Yufei Wangdisk：

技术分析

来源： ssyer

命令和地址信号共享CA 总线

DDR5 是内存技术历史上第一次将命令和地址信号组合到一条CA 总线中。与DDR4和之前内存产品中命令和地址信号引脚独立的特性相比，DDR5的分析方法有很大不同。具体来说，DDR4及之前的内存产品工作时，在片选信号有效的前提下，当上升沿到来时，DRAM命令接收器会采样所有命令信号来解析当前命令，并根据需要采样地址信号获取地址信息，这意味着所有操作可以在一个时钟周期内完成。但由于DDR5采用CA总线，很多命令需要两个时钟周期才能完成，而当第一个上升沿到来时，首先采样CA信号来分析命令，然后当第二个上升沿到来时，再进行另一个时钟周期采样。 CA 发出信号以解析地址。

从表面上看，这波操作似乎增加了分析的复杂度。说实话，这也是一种无奈之举。由于容量和速度的增加，地址信号的数量也会增加。这也不难理解，就像工人多了，就要提供更多的宿舍一样。当然，还不止于此，你需要为工人提供更多的生活保障，并将其映射到内存中。考虑到高速传输的要求，DDR5内存模块中的金手指数量也会随着VDD引脚的增加而增加，以满足最短电流返回路径的要求。试想一下，如果金手指多了，尺寸会不会变大？这违反了电子产品小型化的趋势定理，所以无奈之下选择了CA总线。因此，原来需要的300多个金手指管脚减少为14个CA管脚，从此管脚和焊球数量可以与DDR4保持一致。

2N模式

什么是2N模式？别以为很复杂，其实就是为了配合上述需要连续两个周期才能完成的命令输入方式，所以用2N模式控制位来决定具体的CA总线采样间隔。

添加决策反馈均衡器DFE

为什么要在DQ 接收器中引入判决反馈均衡器DFE？我们一定要记住，只有出现了问题，我们才会解决问题，而在解决问题的过程中，我们往往需要做出一些增减的改变。这也不例外，当数据速率超过3.2Gbps时，码间干扰（ISI）会增加，信噪比的降低可能会导致DRAM焊球处的眼图完全闭合。然而DDR5的最高数据速率可以达到8.4Gbps，因此必须采取一些手段来解决这个问题。目前的方法是添加某种均衡器来改善眼图，例如DDR5规范草案中提出的增益放大器、DFE加法器、四个DQ切片器以及参数乘法器组成的四抽头DFE。

低功耗

功耗一直是内存性能关注的焦点，谁愿意花钱买一块“火爆的内存”呢。对于DDR5来说，继承了LPDDR4的很多特性，比如将模式寄存器扩展到256个，增加模式寄存器读命令MRR和多用途命令MPC，从而实现接口初始化和训练（重点：读训练、读导频训练） 、CA训练、片选训练、写训练和VrefCA训练）、定期校准等功能。

环回模式

也正是高速的毛病导致了环回模式的诞生，那为什么不在功耗之前先说一下呢？这是因为环回模式在测试中主要用于测试误码率，从而判断接收机的性能。研究过软件的朋友都知道，我们通常采用write->read的方式来测试接收器，但是当速率高达8.4Gbps时，DRAM内部的空间就会不够用，测试时间会很长。为了提高测试稳定性和测试效率，技术人员提出了环回模式，允许DDR5将测试设备的内存控制器或驱动器发送的测试数据直接返回到其接收器，无需单独读写。命令。但一切都是有代价的。添加LBDQS（单端DQS信号）、LBDQ（DQ信号）引脚和模式寄存器是DDR5需要付出的代价。前者用于环回模式下将接收到的数据返回到对端，后者用于控制DDR5相应引脚接收到的数据返回到发送端。

其他

由于篇幅原因，这里没有列出DDR5的所有新技术特性，比如片上ECC、写入模式命令、DQS内部振荡器等，如果有兴趣可以在文末留言，或者自行查看JEDEC 规范草案。

DDR5现状与DRAM市场

来源：美光

首先回答一下“DDR5为什么不普及？”的问题。说实话，这个问题可能更多是等待更新的用户问的，因为他们在等待新一代的DDR5或者入手成熟的DDR4而伤心。不过，从内存平均生命周期来看，目前样品测试成功、量产指日可待，符合创新的正常规律。毕竟，建设一条完整的生产线是昂贵的。哪家SDRAM厂商会选择提前建设并启动新的生产线，而不被内存战争打得措手不及？这都是金钱，就像摩尔定律的内力一样，资本家在停下来进入下一个阶段之前，都会将每一代产品的利润最大化，所以遵循主核心才是最明智的。

其次，我们从整个市场的角度来看DRAM市场。内存市场在经历了一年的持续下滑之后，2019年第三季度似乎出现了拐点。根据集邦科技旗下半导体研究中心DRAMxchange的Q3季报显示，虽然内存价格仍在下跌，但Q3环比仍下滑近20%，但存储器产值达到154.5亿美元，环比增长4.1%。这给我们传达了两个消息。一方面，由于市场供应量较大，价格不断下调；需求正在增长。

资料来源：集邦咨询

2019年12月以来，由于终端ODM/OEM厂、手机厂、系统厂库存水平下降，买家开始加大采购力度，DRAM价格出现反弹。据悉，目前8Gb DDR4标准版DRAM现货价格已上涨至3.5美元左右，自1月份以来涨幅超过10%，而4Gb DDR4标准版DRAM现货价格已上涨至2美元以上自1月份以来增长约17%。

在DDR5市场份额方面，SK海力士预计2020年DDR5模块的销量将占RAM市场的25%，2021年将占44%。不过，有分析师表示，虽然部分DDR5 RDIMM样品已经上市，但大量- 2022年底和2023年初才能实现规模使用。

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最后，从市场分布来看，厂商主要有三星、SK海力士、美光以及中国最大的南亚科技、华邦电子、力晶科技等。中国大陆产业相对落后，但随着第一座300mm晶圆厂在合肥建成投产。长鑫内存将生产第一代国产10nm工艺级别8Gb DDR4内存芯片。从此，中国大陆即将告别没有DRAM内存工厂的时代。该晶圆厂月产量为2万片晶圆，到2020年第二季度产量将增至4万片/月，约占全球存储器产能的3%。

从内存设计市场来看，中国在DDR4时代也实现了质的飞跃。科创板上市的澜起科技DDR4全缓冲“1+9”架构，最终被JEDEC国际标准采纳。同时，在DDR5来临之际，澜起科技在DDR5内存接口芯片的布局和研发上也取得了成果。据其内部资料显示，其新一代产品可有效支持DDR5的高速、低功耗要求。年内完成第一代DDR5内存接口芯片的研发和产业化。

写在最后

说了这么多，作为一个硬件工程师，我从系统的角度谈谈对DDR5到来的一些思考。对于大多数硬件设计者来说，近年来大家都在使用DDR4，因此难免对DDR的替代存在焦虑，比如支持系统升级器件的DDR5的选择、串行链路滤波技术的升级、系统的升级等。样机搭建与仿真、系统成本压力等等。不过，我相信战友们，他们能够像人体均衡器一样在这些关键节点做出最合适的选择，然后继续前行。

PS：还有一点，在当前的疫情形势下，我们这一代人需要更加努力，用团结和智慧，当DDR5到来的时候，我们将走上一条“中国内存之路”。

以上知识分享希望能够帮助到大家！