DDR13和GDDR15全解析.docx

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DDR13和GDDR15全解析

剪不断理还乱!

DDR1-3和GDDR1-5全解析

  编者按：

目前CPU用的内存正在从DDR2向DDR3过渡，而GPU用的显存则是以GDDR2/3为主、跳过GDDR4、直奔GDDR5而去。

或许很多朋友一时还难以接受GDDR5那夸张的频率、不明白GDDR相比DDR发展速度为何如此“超前”、甚至搞不清楚GDDR1/2/3/4/5和DDR1/2/3之间“说不清道不明”的关系。

   如果您是一位求知欲很强的电脑爱好者，那么本文非常适合您，笔者特意搜集了大量官方技术文档，为大家献上内存和显存鲜为人知的奥秘……

   近年来CPU（中央处理器）和GPU（图形处理器）的发展速度之快让人目不暇接，新产品的运算能力成倍提升，此时就对内存子系统提出了严峻的需求，因为CPU/GPU运算所需的数据和生成的数据都是来自于内存/显存，如果存储速度跟不上，那么就会浪费很多时间在数据等待上面，从而影响CPU/GPU的性能发挥。

   为了让内存/显存不至于造成瓶颈，芯片厂商都在想方设法的提高带宽：

AMD和Intel相继将内存控制器整合在了CPU内部，大大降低了延迟并提高存储效率，Intel旗舰级CPU能够支持三通道内存，带宽提升50%；ATI和NVIDIA也先后使用了512Bit的显存控制器，总带宽倍增。

   是何原因导致业界三大巨头如此大费周折呢？

这是因为内存技术的发展速度，其实并不如大家想象中的那么快，受到很多技术难题和传统因素的制约，本文就对内存和显存的发展历程及相关技术进行详细分析。

●内存的存取原理及难以逾越的频障：

   在半导体科技极为发达的台湾省，内存和显存被统称为记忆体（Memory），全名是动态随机存取记忆体（DynamicRandomAccessMemory，DRAM）。

基本原理就是利用电容内存储电荷的多寡来代表0和1，这就是一个二进制位元（bit），内存的最小单位。

DRAM的存储单元结构图

   DRAM的结构可谓是简单高效，每一个bit只需要一个晶体管加一个电容。

但是电容不可避免的存在漏电现象，如果电荷不足会导致数据出错，因此电容必须被周期性的刷新（预充电），这也是DRAM的一大特点。

而且电容的充放电需要一个过程，刷新频率不可能无限提升（频障），这就导致DRAM的频率很容易达到上限，即便有先进工艺的支持也收效甚微。

   “上古”时代的FP/EDO内存，由于半导体工艺的限制，频率只有25MHz/50MHz，自SDR以后频率从66MHz一路飙升至133MHz，终于遇到了难以逾越的障碍。

此后所诞生的DDR1/2/3系列，它们存储单元官方频率（JEDEC制定）始终在100MHz-200MHz之间徘徊，非官方（超频）频率也顶多在250MHz左右，很难突破300MHz。

事实上高频内存的出错率很高、稳定性也得不到保证，除了超频跑简单测试外并无实际应用价值。

   既然存储单元的频率（简称内核频率，也就是电容的刷新频率）不能无限提升，那么就只有在I/O（输入输出）方面做文章，通过改进I/O单元，这就诞生了DDR1/2/3、GDDR1/2/3/4/5等形形色色的内存种类，首先来详细介绍下DDR1/2/3之间的关系及特色。

  通常大家所说的DDR-400、DDR2-800、DDR3-1600等，其实并非是内存的真正频率，而是业界约定俗成的等效频率，这些DDR1/2/3内存相当于老牌SDR内存运行在400MHz、800MHz、1600MHz时的带宽，因此频率看上去很夸张，其实真正的内核频率都只有200MHz而已！

   内存有三种不同的频率指标，它们分别是核心频率、时钟频率和有效数据传输频率。

核心频率即为内存Cell阵列（MemoryCellArray，即内部电容）的刷新频率，它是内存的真实运行频率；时钟频率即I/OBuffer（输入/输出缓冲）的传输频率；而有效数据传输频率就是指数据传送的频率（即等效频率）。

●SDR和DDR1/2/3全系列频率对照表：

常见DDR内存频率对照表

   通过上表就能非常直观的看出，近年来内存的频率虽然在成倍增长，可实际上真正存储单元的频率一直在133MHz-200MHz之间徘徊，这是因为电容的刷新频率受制于制造工艺而很难取得突破。

而每一代DDR的推出，都能够以较低的存储单元频率，实现更大的带宽，并且为将来频率和带宽的提升留下了一定的空间。

●SDR和DDR1/2/3存储原理示意图：

   虽然存储单元的频率一直都没变，但内存颗粒的I/O频率却一直在增长，再加上DDR是双倍数据传输，因此内存的数据传输率可以达到核心频率的8倍之多！

通过下面的示意图就能略知一二：

   那么，内存IO频率为什么能达到数倍于核心频率呢？

   相信很多人都知道，DDR1/2/3内存最关键的技术就是分别采用了2/4/8bit数据预取技术（Prefetch），由此得以将带宽翻倍，与此同时I/O控制器也必须做相应的改进。

●DDR1/2/3数据预取技术原理：

   预取，顾名思义就是预先/提前存取数据，也就是说在I/O控制器发出请求之前，存储单元已经事先准备好了2/4/8bit数据。

简单来说这就是把并行传输的数据转换为串行数据流，我们可以把它认为是存储单元内部的Raid/多通道技术，可以说是以电容矩阵为单位的。

内存数据预取技术示意图：

并行转串行

   这种存储阵列内部的实际位宽较大，但是数据输出位宽却比较小的设计，就是所谓的数据预取技术，它可以让内存的数据传输频率倍增。

试想如果我们把一条细水管安装在粗水管之上，那么水流的喷射速度就会翻几倍。

   明白了数据预取技术的原理之后，再来看看DDR1/2/3内存的定义，以及三种频率之间的关系，就豁然开朗了：

●SDRAM（SynchronousDRAM）：

同步动态随机存储器

   之所以被称为“同步”，因为SDR内存的存储单元频率、I/O频率及数据传输率都是相同的，比如经典的PC133，三种频率都是133MHz。

   SDR在一个时钟周期内只能读/写一次，只在时钟上升期读/写数据，当同时需要读取和写入时，就得等待其中一个动作完成之后才能继续进行下一个动作。

●DDR（DoubleDateRateSDRAM）：

双倍速率同步动态随机存储器

   双倍是指在一个时钟周期内传输两次数据，在时钟的上升期和下降期各传输一次数据（通过差分时钟技术实现），在存储阵列频率不变的情况下，数据传输率达到了SDR的两倍，此时就需要I/O从存储阵列中预取2bit数据，因此I/O的工作频率是存储阵列频率的两倍。

   DQ频率和I/O频率是相同的，因为DQ在时钟上升和下降研能传输两次数据，也是两倍于存储阵列的频率。

●DDR2（DDR2 SDRAM）：

第二代双倍速率同步动态随机存储器

   DDR2在DDR1的基础上，数据预取位数从2bit扩充至4bit，此时上下行同时传输数据（双倍）已经满足不了4bit预取的要求，因此I/O控制器频率必须加倍。

   至此，在存储单元频率保持133-200MHz不变的情况下，DDR2的实际频率达到了266-400MHz，而（等效）数据传输率达到了533-800MHz。

●DDR3（DDR 3 SDRAM）：

第三代双倍速率同步动态随机存储器

   DDR3就更容易理解了，数据预取位数再次翻倍到8bit，同理I/O控制器频率也加倍。

此时，在存储单元频率保持133-200MHz不变的情况下，DDR3的实际频率达到了533-800MHz，而（等效）数据传输率高达1066-1600MHz。

   综上可以看出，DDR1/2/3的发展是围绕着数据预取而进行的，同时也给I/O控制器造成了不小的压力，虽然存储单元的工作频率保持不变，但I/O频率以级数增长，我们可以看到DDR3的I/O频率已逼近1GHz大关，此时I/O频率成为了新的瓶颈，如果继续推出DDR4（注意不是GDDR4，两者完全不是同一概念，后文会有详细解释）的话，将会受到很多未知因素的制约，必须等待更先进的工艺或者新解决方案的出现才有可能延续DDR的生命。

  前面介绍的是关于历代内存的技术原理，可以说是比较微观的东西，反映在宏观上，就是常见的内存颗粒及内存条了，这都是些看得见摸得着的东西，但有些概念还是不容易理解，这里一一进行说明：

●内存位宽——SDR/DDR1/2/3单条内存都是64bit

   内存模组的设计取决于内存控制器（集成在北桥或者CPU内部），理论上位宽可以无限提升，但受制因素较多：

高位宽将会让芯片组变得十分复杂，对主板布线提出严格要求，内存PCB更是丝毫马虎不得，内存颗粒及芯片设计也必须作相应的调整。

可谓是牵一发而动全身，所以多年来业界都是墨守成规，维持64bit的设计不变。

   相比之下，显卡作为一个整体就没有那么多的顾忌，只需重新设计GPU内部的显存控制器，然后PCB按照位宽要求布线，焊更多的显存颗粒上去就行了，虽然成本也很高但实现512bit并没有太大难度。

●多通道内存——双通道/三通道

   既然实现高位宽内存条太难，那么就退而求其次，让两条内存并行传输数据，同样可以让位宽翻倍。

目前流行的双通道技术就是如此，北桥或者CPU内部整合了两个独立的64bit内存控制器，同时传输数据等效位宽就相当于128bit。

   IntelNehalem核心CPU直接整合三通道内存控制器，位宽高达192bit。

但由于CPU、主板、内存方面成本都增加不少，因此在主流Lynnfield核心CPU上面又回归了双通道设计。

事实上服务器芯片组已经能够支持四通道内存，对服务器来说成本方面不是问题，只是对稳定性和容错性要求很高。

●内存颗粒位宽：

4/8/16/32bit

   理论上，完全可以制造出一颗位宽为64bit的芯片来满足一条内存使用，但这种设计对技术要求很高，良品率很低导致成本无法控制，应用范围很窄。

   所以内存芯片的位宽一般都很小，台式机内存颗粒的位宽最高仅16bit，常见的则是4/8bit。

这样为了组成64bit内存的需要，至少需要4颗16bit的芯片、8颗8bit的芯片或者16颗4bit的芯片。

   而显卡对位宽要求很高，容量反而退居其次，所以显存颗粒的位宽普遍比内存颗粒大（这就是显存和内存主要区别之一），比如GDDR3/4/5颗粒都是32bit，4颗就能满足低端卡128bit的需要，8颗可以满足高端卡256bit的需要；而低端GDDR2颗粒为16bit，需要8颗才能组成低端卡128bit的需要。

●内存芯片的逻辑Bank

   在芯片的内部，内存的数据是以bit为单位写入一张大的矩阵中，每个单元称为CELL阵列，只要指定一个行一个列，就可以准确地定位到某个CELL，这就是内存芯片寻址的基本原理。

这个阵列我们就称为内存芯片的BANK，也称之为逻辑BANK（LogicalBANK）。

   不可能只做一个全容量的逻辑Bank，因为单一的逻辑Bank将会造成非常严重的寻址冲突，大幅降低内存效率。

所以大容量内存颗粒都是由多个逻辑Bank叠加而成的。

简单来说，我们可以把一个Bank看作是一片平面的矩阵纸，而内存颗粒是由多片这样的纸叠起来的。

   一个Bank的位宽就是内存颗粒的位宽，内存控制器一次只允许对一个Bank进行操作，由于逻辑Bank的地址线是公用的，所以在读写时需要加一个逻辑Bank的编号，这个动作被称为片选。

●内存条的物理Bank

   内存控制器的位宽必须与内存条的位宽相等，这样才能在一个时钟周期内传输所有数据，这个位宽就被成为一个物理Bank（通常是64bit），每条内存至少包含一个Bank，多数情况下拥有二个物理Bank。

   一个物理Bank不会造成带宽浪费，理论上是最合理的配置，但为了实现大容量内存，单条内存多物理Bank也是允许的，但内存控制器所能允许的最大Bank数存在上限，常见的是双物理Bank设计，只有特殊内存或者服务器内存才会使用四Bank以上的设计，因为这种内存兼容性不好，“挑”芯片组。

   事实上显卡上也存在双物理Bank设计，目的就是为了实现超大显存容量，比如1GB的9800GT，正反两面共有16颗16M×32bit的GDDR3显存，总位宽达512bit，实际上显存控制器只支持256bit，这样就是双物理Bank。

  早在SDRAM时代，显卡上用的“显存颗粒”与内存条上的“内存颗粒”是完全相同的。

在那个时候，GPU本身的运算能力有限，对数据带宽的要求自然也不高，所以高频的SDRAM颗粒就可以满足要求。

某TNT2显卡，使用的是PC166的SDR内存颗粒

●内存满足不了显卡的需求，显存应运而生

   本是同根生的状况一直持续到SDR和DDR交接的时代，其实最早用在显卡上的DDR颗粒与用在内存上的DDR颗粒仍然是一样的。

后来由于GPU特殊的需要，显存颗粒与内存颗粒开始分道扬镳，这其中包括了几方面的因素：

   1.GPU需要比CPU更高的带宽。

GPU不像CPU那样有大容量二三级缓存，GPU与显存之间的数据交换远比CPU频繁，而且大多都是突发性的数据流，因此GPU比CPU更加渴望得到更高的显存带宽支持。

   位宽×频率=带宽，因此提高带宽的方法就是增加位宽和提高频率，但GPU对于位宽和频率的需求还有其它的因素。

   2．显卡需要高位宽的显存。

显卡PCB空间是有限的，在有限的空间内如何合理的安排显存颗粒，无论高中低端显卡都面临这个问题。

从布线、成本、性能等多种角度来看，显存都需要达到更高的位宽。

   最早的显存是单颗16bit的芯片，后来升级到32bit，将来甚至还会有更高的规格出现。

而内存则没有那么多要求，多年来内存条都是64bit，所以单颗内存颗粒没必要设计成高位宽，只要提高容量就行了，所以位宽一直维持在4/8bit。

   3．显卡能让显存达到更高的频率。

显存颗粒与GPU配套使用时，一般都经过专门的设计和优化，而不像内存那样有太多顾忌。

GPU的显存控制器比CPU或北桥内存控制器性能优异，而且显卡PCB可以随意的进行优化，因此显存一般都能达到更高的频率。

而内存受到内存PCB、主板走线、北桥CPU得诸多因素的限制很难冲击高频率

　　由此算来，显存与内存“分家”既是意料之外，又是情理之中的事情了。

为了更好地满足显卡GPU的特殊要求，一些厂商（如三星等）推出了专门为图形系统设计的高速DDR显存，称为“GraphicsDoubleDataRateDRAM”，也就是我们现在常见的GDDR。

●GDDR——显存和内存正式分家

   GDDR作为第一代专用的显存芯片，其实在技术方面与DDR没有任何区别，同样采用了2bit预取技术，理论频率GDDR并不比DDR高多少。

不过后期改进工艺的GDDR有了优秀PCB的显卡支持之后，GDDR显存最高冲刺至900MHz，而DDR内存只能达到600MHz左右，显存和内存的差距从此逐渐拉开。

∙TSOP封装的GDDR16bit：

8M×16Bit4.0nsTSOPII封装的GDDR，单颗16MB，理论频率500MHz

当年9550、FX5700等128Bit中端卡需要搭配8颗才能组成128Bit

   TSOP封装的GDDR颗粒，外观规格特性都与DDR内存颗粒没有什么区别，所以在很多人看来“GDDR”与“DDR”是可以“划等号”的。

其实两者还是有些差别：

∙GDDR采用4K循环32ms的刷新周期，而DDR采用8K循环64ms的刷新周期；

∙GDDR为了追求频率在延迟方面放的更宽一些，毕竟GPU对延迟不太敏感；

∙GDDR颗粒的容量小、位宽大，一般是8×16Bit（16MB）的规格，而DDR颗粒的容量大、位宽小，虽然也有16Bit的颗粒，但最常见的还是8Bit和4Bit，单颗容量32MB或64MB。

   为了实现更大的位宽，并进一步提升GDDR的性能，后期很多厂商改用了电气性能更好的MBGA封装，当然也有内存颗粒使用MBGA封装，但规格已有了较大差异，主要是颗粒位宽不同。

∙MBGA封装的GDDR32bit：

4M×32Bit2.2nsMBGA封装的GDDR，单颗16MB，理论频率900MHz

8颗组成128MB256Bit规格，是GDDR1最后的辉煌

   MBGA封装GDDR的单颗位宽首次达到了32Bit，从此就标志着GDDR与DDR正式分道扬镳，32Bit的规格被GDDR2/3/4/5一直沿用至今。

   GDDR显存的这两种封装：

MBGA与TSOP构成的高低配，曾一度一统显卡市场。

虽然GDDR已经退出历史舞台，但32Bit主攻中高端、16Bit主攻低端的局面，时至今日依然得到了延续。

●GDDR2第一版：

短命的早产儿高压高发热

   GDDR2源于DDR2技术，也就是采用了4Bit预取，相比DDR1代可以将频率翻倍。

虽然技术原理相同，但GDDR2要比DDR2早了将近两年时间，首次支持DDR2内存的915P主板于2004年中发布，而首次搭载GDDR2显存的FX5800Ultra于2003年初发布，但早产儿往往是短命的。

   NVIDIA在设计NV30芯片时依然保持128Bit显存位宽，为了提高带宽必须使用高频显存，700MHz的GDDR已经无法满足需求了，于是冒险尝试GDDR2。

第一代GDDR2受制造工艺限制，电压规格还是和DDR/GDDR一样的2.5V，虽然勉强将频率提升至1GHz左右，但功耗发热出奇的大。

4M×32Bit2.0nsMBGA144Ball封装的GDDR2，单颗16MB，理论频率1000MHz

GDDR2第一版只有2.2ns和2.0ns两种速度

   GDDR2第一版只在FX5800/Ultra和FX5600Ultra这三款显卡上出现过（也包括对应的专业卡及个别非公版显卡），ATI也有极少数9800Pro使用了GDDR2。

高电压、高发热、高功耗、高成本给人的印象非常差。

随着FX5900改用GDDR及256Bit，GDDR2很快被人遗忘。

FX5800Ultra需要为显存专门安装厚重的散热片

   GDDR2失败的主要原因是NVIDIAGeForceFX系列架构和性能的问题，之后即便改用了256Bit高频GDDR（此时GDDR的频率已被提升至850-900MHz，直逼GDDR2），FX5950Ultra依然不是9800XT的对手。

当然GDDR2自身规格的不完善也造成了它无法入住中低端显卡，被时代所遗弃。

   GDDR2虽然坏毛病一大堆，但它也拥有一些新的特性，比如首次使用片内终结电阻，PCB设计比GDDR更加简洁，这个特性被后来的gDDR2和GDDR3继承。

●gDDR2第二版：

统一低端显卡永远的配角

   由于第一代GDDR2的失败，高端显卡的显存是直接从GDDR跳至GDDR3的，但GDDR2并未消亡，而是开始转型。

几大DRAM大厂有针对性的对GDDR2的规格和特性做了更改（说白了就是DDR2的显存版），由此gDDR2第二版正式登上显卡舞台，时至今日依然活跃在低端显卡之上。

   gDDR2第二版相对于第一版的改进主要有：

∙工作电压从2.5V降至1.8V，功耗发热大降；

∙制造工艺有所进步，功耗发热进一步下降，成本降低，同时良率和容量有所提升；

∙颗粒位宽从32Bit降至16Bit，只适合低端显卡使用；

∙封装形式从144BallMBGA改为84BallFBGA，外观上来看从正方形变成长方形或者长条形；

各大厂商均有gDDR2颗粒

   由于电压的下降，第二代gDDR2的频率要比第一代GDDR2低，主要以2.5ns（800MHz）和2.2ns（900MHz）的规格为主，当然也有2.8ns（700MHz）的型号。

直到后期制造工艺上去之后，第二代gDDR2才以1.8V电压突破了1000MHz，最高可达1200MHz，赶超了第一代高压GDDR2的记录。

   采用gDDR2显存的经典显卡有：

7300GT、7600GS、X1600Pro、8500GT……一大堆低端显卡。

注意三星官方网站对于显存的分类

   相信很多朋友也注意到了，本页gDDR2的第一个字母为小写，几大DRAM厂商在其官方网站和PDF中就都是这么写的，以示区分。

我们可以这么认为：

大写G表示显卡专用，32bit定位高端的版本；而小写g表示为显卡优化，16bit定位低端的版本，本质上与内存颗粒并无区别。

   事实上，GDDR3和gDDR3之间也是这种关系，稍后我们会做详细介绍。

   GDDR源于DDR，GDDR2源于DDR2，而GDDR3在频率方面的表现又与DDR3比较相似，于是很多人认为GDDR3就是显存版的DDR3，这可是个天大的误区。

●GDDR3：

一代王者GDDR3源于DDR2技术

   无论GDDR还是GDDR2，由于在技术方面与DDR/DDR2并无太大差别，因此最终在频率方面GDDR并不比DDR高太多。

在经历了GDDR2的失败之后，两大图形巨头NVIDIA和ATI对JEDEC组织慢如蜗牛般的标准制订流程感到越来越失望，认为他们制定的显存不能适应GPU快节奏的产品更新换代周期，于是NVIDIA和ATI的工作人员积极参与到了JEDEC组织当中，以加速显存标准的起草及制定。

   双方一致认为，显存与内存在数据存储的应用方面完全不同，在内存核心频率（电容刷新频率）无法提升的情况下，单纯提高I/O频率来获得高带宽很不现实。

因此，必须要有一种针对高速点对点环境而重新定义的I/O接口。

于是GDDR3诞生了，这是第一款真正完全为GPU设计的存储器。

   GDDR3和GDDR2/DDR2一样，都是4Bit预取架构，GDDR3主要针对GDDR2高功耗高发热的缺点进行改进，并提升传输效率来缓解高延迟的负面影响。

∙点对点DQS，读写无需等待

    GDDR2只有一条数据选择脉冲（DQS），是单一双向的，而GDDR3则拥有读与写两条独立的DQS，而且是点对点设计。

这样做的好处在于，在读取之后如果马上进行写入时，不必再等DQS的方向转变，由此实现读写操作的快速切换。

   相比GDDR2/DDR2，GDDR3的读写切换动作可以少一个时钟周期，如果需要对某一个连续的区块同时读写数据时，GDDR3的速度就要比GDDR2快一倍。

   由于存储单元自身的特性，内存颗粒的逻辑Bank是无法同时读写数据的，并不存在“全双工”一说，但GDDR3的这项改进让顺序读写成为可能。

GPU本身缓存很小，与显存之间的数据交换极其频繁，读写操作穿插进行，因此GDDR3点对点设计的DQS可以让显存存储效率大增。

但对于CPU来说，读写切换并不如GPU那么频繁，而且CPU拥有大容量的二三级缓存，所以GDDR3这种设计并不能极大的提升内存带宽，也没有引入到下一代DDR3当中。

∙改进I/O接口，简化数据处理，控制功耗

   同时GDDR3也对I/O控制电路和终结电阻进行了修改，它不再沿用GDDR2的“推式（PushPull）”接收器，而将其改为虚拟开极逻辑方式（PseudoOpenDrainLogic），并且通过将所有的三相数据信号转移到本位电路上，来简化数据处理，将DC电流压至最小，只有当逻辑LOW移至总线上时才会消费电力，从而很好的控制了功耗和发热。

  GDDR3的频率能达到现在这么高，其实并没有什么诀窍，凭借的就是不断改进的工艺制程，来暴力拉升频率。

资历稍老点的玩家应该知道，GDDR3于2004年初次登台亮相时，6600GT的显存频率仅为1G