DDR5 時代就要來了

去年也即2018年5月份的時候，Cadence

就與美光（Micron）在臺積電7nm工藝的加持下，攜手合作定製了全球首個DDR5演示原型產品。其中，Cadence開發DDR5的接口IP, Micron則開發DDR5 DRAM的原型，這塊DDR5演示模型速率達到了4400 MT/s，根據JEDEC組織的roadmap顯示，未來DDR5內存的最高頻率可以達到6400 MT/s。

就目前個人電腦來說，對於內存帶寬提升的需求並不強烈，內存帶寬的提升對於遊戲來說影響並不大，畢竟在遊戲中內存帶寬不是瓶頸，從DDR4 2400 提升到 DDR4 3200 ，對於3A遊戲大作也就帶來兩三幀的性能提升，還不如直接提高內存容量來的酸爽。

驅動DRAM內存市場向DDR5升級的動力應該是來自對帶寬有強烈需求的專業應用領域，比如雲服務器、邊緣計算等等，由於系統內存帶寬跟不上服務器CPU核心數量的增長，服務器因此需要更大的內存帶寬。更嚴格來說，內存規格的升級在很多年前就已不是由處理器速度的增長所驅動，而是所需要的相應內存帶寬的增長驅動。

這不，前幾日Intel的roadmap則顯示，預計在2021年的服務器處理器上升級LGA4677插槽，將會支持PCIe 5.0以及DDR5標準。而Intel 家的Agilex FPGA則會採用10 納米 FinFET 工藝，同樣支持到PCIe 5.0以及DDR5標準。

如上所述，DDR5 最顯著的特性就是內存帶寬的極大提升，相對於主流的DDR 4 3200來說，最先起跳的DDR5 3200也會比DDR4 3200快1.36倍，而主流DDR5 4800對比DDR4 3200快出1.87倍，最終，DDR5 會來到6400 MT/s的終極規格。

也許有同學會問，同樣是3200為啥DDR5能比DDR4快出1.36倍呢？DDR5憑啥同九秀。

通過目前美光給出的關於DDR5的介紹文檔，我們先了解一下DDR5的新特性：

• 更快的數據速率
• 更高的指令總線效率
• 改進的bank group以提高性能
• 改進的刷新方案
• 可擴展的超過16Gb的單片密度
• 每個模塊2個獨立的40位通道

DDR5的DQ引腳依然是單端信號，無需在DQ引腳上發送差分信號即可實現I / O切換速率（數據速率）的顯著提高。氮素，為了讓DQ單端信號能夠達到如此高的速率，其中一個重要的特性是在DQ 信號流向的接收方向(Rx)引入了multi-tap DFE(Decision Feedback Equalizer 判決反饋均衡器) 。DFE可以改善信號質量，可以實時地根據眼圖的情況進行自適應調節，重新將眼圖張開，減輕高速率帶來的碼間干擾（inter-symbol interference ISI）的影響。

隨著信號速率的提高，在系統同步接口方式中,有幾個因素限制了有效數據窗口寬度的繼續增加。

• 時鐘到達兩個芯片的傳播延時不相等(clock skew)
• 並行數據各個bit 的傳播延時不相等(data skew)
• 時鐘的傳播延時和數據的傳播延時不一致(skew between data and clock)

要提高接口的傳輸帶寬有兩種方式，一種是提高時鐘頻率，一種是加大數據位寬。那麼是不是可以無限制的增加數據的位寬呢?這就要牽涉到另外一個非常重要的問題—–同步開關噪聲(SSN)，數據位寬的增加，SSN 成為提高傳輸帶寬的主要瓶頸。

由於信道的非理想特性，信號從Tx通過FR4 PCB板傳輸到Rx，這中間會有信號插損、回損、近/遠端串擾，再繼續提高頻率，信號會被嚴重損傷，就需要採用均衡和數據時鐘相位檢測等技術，這也就是SerDes所採用的技術。

作為並行總線最後的倔強，內存總線也越來越多的吸收了SerDes關鍵技術，尤其是均衡器（Equalization，EQ）技術。在DDR5標準中，DRAM將被指定涵蓋DFE（判決反饋均衡）能力。

而另個DDR5的新挑戰是更加低的工作電壓，VDD/VDDQ/VPP分別為：1.1/1.1/1.8（V）, 雖然這將有助於節省功耗，氮素，它也會對DIMM的設計帶來一些挑戰。因為VDD較低，所以還必須關注於電源完整性文圖，信號的噪聲容限將會變得更小，因為您現在使用的是1.1V供電而非1.2V。

JEDEC目前已經公開了有關DDR5的一些規範和信息，雖然目前還沒有最終定案，但DDR5的大體技術參數已經確定。

DIMM內存條產品外觀形態上看與DDR4基本相同，只是在防呆口上有所差別。防呆口的差異化設計可以避免用戶將DDR5內存錯誤地插入其他類型的插槽。在針腳方面，DDR5的針腳數量依舊是288個，針腳寬度為0.85mm，和現在的DDR4維持一樣的水平。雖然針腳數量相同，但是DDR5由於帶寬更高、數據的讀寫方式發生變化等原因，因此針腳定義和DDR4存在很大差異，無法做到向下兼容。

DDR5芯片封裝方面將全部採用BGA封裝，擁有三種數據位寬，分別是x4、x8和x16。和DDR4一樣，DDR5在內部設計了Bank（數據塊）和Bank Group（數據組）。

以8Gb顆粒為例，可以被配置為16個數據塊和8個數據組（每個數據組由2個數據塊構成），此時能夠運行DDR5的x4或者x8配置。同時它也可配置為8個數據塊和4個數據組，實現DDR5的x16配置。當存儲顆粒密度變得更高時，比如單片顆粒16Gb，此時顆粒內部擁有32個數據塊，可以採用8個數據組、每組4個數據塊的方式實現x4和x8配置，或者4個數據組，每組8個數據組，實現x16的配置。

和DDR4相比，DDR5在數據塊和數據組的配置上更為寬裕。在DDR4產品上，數據組的數量最高限制為4組，一般採用2組配置。在DDR5上，數據組的數量可以選擇2組、4組到最高8組的設計，以適應不同用戶的不同需求，並且還可以保證Bank數據塊的數量不變。這意味著整個DDR5的Bank數量將是DDR4的至少2倍，這將有助於減少內存控制器的順序讀寫性能下降的問題。

除了數據組翻倍外，在預取值方面，DDR4時代對16n預取帶來的高延遲擔憂終於在DDR5上得到徹底的解決。DDR5採用的預取值正是16n，比DDR4和DDR3採用的8n預取值翻倍。此外，DDR5還加入了不少新的設計，包括寫模式命令下，DDR5可以轉換為不跨總線發送數據，在減少總線壓力的同時還節約電能；增強的PDA模式通過為每個DRAM分配唯一的PDA枚舉ID，可以僅使用CA接口對每個DRAM進行尋址，後續不再需要DQ信號來決定選擇哪個DRAM進行操作等。

除了數據組翻倍外，在預取值方面，DDR4時代對16n預取帶來的高延遲擔憂終於在DDR5上得到徹底的解決。DDR5採用的預取值正是16n，比DDR4和DDR3採用的8n預取值翻倍。此外，DDR5還加入了不少新的設計，包括寫模式命令下，DDR5可以轉換為不跨總線發送數據，在減少總線壓力的同時還節約電能；增強的PDA模式通過為每個DRAM分配唯一的PDA枚舉ID，可以僅使用CA接口對每個DRAM進行尋址，後續不再需要DQ信號來決定選擇哪個DRAM進行操作等。

在電源穩定性方面，DDR5內存支持在DIMM上加入了穩壓器和電源管理IC。這主要是考慮到在服務器環境下大容量和高速度的DDR5顆粒對電源純淨度的需求。根據JEDEC的數據，DDR5的電壓波動範圍允許值不高於3%，也就是每次波動不得超出正負0.033V，這將考驗主板廠商的設計能力。

對高端內存和敏感環境而言，JEDEC建議廠商在內存上集成自己的電源模塊，這無疑會提高DDR5內存的成本，但是考慮到這類應用環境，這樣的設計還是值得的。不過，受成本所限，消費級產品上不太可能看到這樣的設計，但在一些面向發燒友的頂級DDR5內存上，可能會出現自帶專用電源的解決方案。

目前全球DRAM廠商中，包括三星、美光、SK現代、南亞等廠商都提出了DDR5產品規劃。其中三星、美光和現代已經展示了自家旗下的DDR5顆粒，並開始小批量出貨。業內估計DDR5相關產品將在2019年開始逐漸進入市場，一開始主要面向高端定製型客戶。

DDR5產品真正的大規模爆發應該在2020～2021年，此時英特爾或AMD都應該推出了支持DDR5的全新平臺，消費級市場和高端市場在此時將全面切入DDR5時代。到2022年，DDR5應該佔據大約25%的市場份額，超越DDR4成為市場主流。

DDR4的設計規範剛剛擼順， DDR5 時代就要來了，Layout們你們準備好了嗎，不過老wu只想靜靜