[RAM] DRAM 导论：DDR4 | DDR5 | LPDDR5 | GDRR6 | HBM 应运而生

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DRAM: where memory meets potential." - Bill Gates

前言

有数据的地方就有存储， 内存是谁都离不开的产品。DRAM主要负责硬盘、主板、显卡等硬件与处理器之间的数据交换。

本博客将介绍DRAM的基本概念、工作原理、优缺点以及应用领域等方面。

DRAM 分类

DRAM（随机存储器）种类包括：

DRAM（动态随机存储器）：速度较慢，但是相对便宜，适合用于主存储器。

SDRAM（同步动态随机存储器）：与计算机主板同步工作，可以提高数据传输速度。

DDR SDRAM（双倍数据率同步动态随机存储器）：比SDRAM更快，可以同时读取和写入数据。

DDR2 SDRAM（双倍数据率二代同步动态随机存储器）

DDR3 SDRAM（双倍数据率三代同步动态随机存储器）

DDR4 SDRAM（双倍数据率四代同步动态随机存储器）

DDR5 SDRAM（双倍数据率四代同步动态随机存储器）

除此之外， 因为一些应用场景不同， 又延伸出：

LPDDR5（低功耗第五代双倍速率）DRAM：LPDDR5是一种低功耗的DRAM产品。

GDDR6（第六代图形双倍速率）DRAM：GDDR6是一种专为图形处理单元（GPU）设计的DRAM产品。
电脑游戏对显卡GPU产生高速数据交互需求，更高帧率、更宽画幅的游戏也迫切需要更高带宽和更频繁的交互, GDDR应势而生。

HBM（高带宽内存）：HBM是一种高密度、高带宽的DRAM产品，特别设计用于高性能计算和处理大规模数据的应用，如人工智能和机器学习。处理器和存储的交换也愈发频繁，急需高带宽高位宽的技术解决能耗和拥挤问题，HBM应运而生。

图表 4先进DDR技术带宽容量比较

参考文献：
新一代内存DRAM接口

DRAM 厂家

三星电子 (Samsung Electronics)：三星是全球最大的DRAM生产商之一。

SK海力士 (SK Hynix)：SK海力士是韩国第二大DRAM制造商。

英特尔 (Intel)：英特尔是一家美国公司，主要生产微处理器和芯片组，但也在DRAM领域有一定的市场份额。

美光科技 (Micron Technology)：美国的美光科技是全球最大的独立DRAM制造商之一。

台湾联电 (United Microelectronics Corporation, UMC)：台湾联电是台湾一家半导体公司，也生产DRAM芯片。

国产DRAM厂商包括中芯国际、长江存储、华星光电、长电科技等。

DRAM详细讲解

工作原理

DRAM（Dynamic Random Access Memory）是一种常见的主存储器技术，用于存储电子设备中的数据。它由许多电容和开关组成，每个电容存储一个比特的数据。

1. 数据读取：当需要读取数据时，内存控制器向DRAM芯片发送读取命令和地址。芯片根据地址找到对应的电容，然后读取电容中的电荷并将其转化为电压信号，进而被传送给内存控制器。

2. 数据写入：当需要写入数据时，内存控制器向DRAM芯片发送写入命令和地址，以及要写入的数据。芯片根据地址找到对应的电容，然后向该电容中注入或提取电荷，来表示要写入的数据。

由于电容中的电荷会逐渐泄漏，所以DRAM需要定期刷新（refresh）操作，以保持数据的有效性。这个刷新操作会对性能产生一定影响，因为在刷新期间无法读取或写入数据。

特性

DRAM有几个重要的特性：

1. 容量：DRAM的容量是指其可以存储的数据量，通常以字节（Bytes）为单位。常见的容量规格有1GB、2GB等， 手机上的DRAM 至少是 12GB。

2. 延迟：DRAM的延迟是指从发出读取或写入命令到可以开始访问数据的时间间隔。它通常以时钟周期（Clock Cycles）来衡量，常见的延迟规格有CL14、CL16等。

CL14是指CAS延迟为14的DRAM模块。CAS（Column Access Strobe）延迟是指访问DRAM列地址所需的时钟周期数。它表示了从内存控制器发送列地址信号到能够读写数据的时间延迟。

4. 速度：DRAM的速度是指其工作频率，通常以兆赫兹（MHz）为单位。较高的频率可以提供更高的数据传输速度。

5. 位宽：DRAM的位宽是指每个存储芯片的数据总线宽度。较高的位宽可以支持更大的数据吞吐量。

6. 电压：DRAM的工作电压通常为1.2V，但也有一些低电压型号，如1.35V。

应用

DRAM广泛应用于各种电子设备中，包括个人计算机、服务器、智能手机、平板电脑等。它主要用于存储临时数据，如操作系统、应用程序和用户数据。

图：内存在芯片层次结构中的位置、容量和延迟（来源：Rambus）

不久的将来， 存储的四个新应用：AI服务器 、AI PC、移动终端、智能汽车。[参考]

成本

指标性产品DDR4 8Gb批发价为每个1.48美元左右[2023年]。

图片来源： 中国闪存市场

2023 年是存储器低谷期， 价格都比较低。手机里 12GB 运行内存，成本在 120 块 RMB 左右。存储器价格已跌破历史最低位置，现在入手还不错的。

参考文献：

• Kingston Technology - Understanding DDR4 and DDR3 RAM
• Crucial - DDR4 vs DDR5: Key Differences Explained

DRAM 产品

DRAM 的主流产品是 DDR4, 目前市面上还能买到的有 DDR4/DDR5, 太老的如 DDR3 等已经淘汰了。

DDR4 SDRAM

DDR4 SDRAM（Double Data Rate 4 Synchronous Dynamic Random Access Memory）是第四代同步动态随机存储器技术，采用64位宽总线和点对点拓扑结构传输，其主频最高可达3200MHz。在相同时钟速度下，DDR4内存的数据传输速度比DDR3内存更快。

DDR4 SDRAM 工作原理

DDR4内存在结构和工作原理上与DDR3内存类似. 以同步时钟信号为驱动，采用双倍数据速率（Double Data Rate）的方式传输数据。

DDR4内存的最小电压降至1.2V，相比DDR3内存的1.5V更为低能耗。

除了性能提升，DDR4内存还具有更高的可靠性和可用性。DDR4采用了一种新的错误检测和纠错机制，称为CRC（Cyclic Redundancy Check），可提高数据传输的稳定性和可靠性。此外，DDR4还支持更高的容量和更低的功耗，使得它成为高端计算机和服务器系统的首选内存技术。

DDR4 SDRAM 特性

DDR4 SDRAM比之前的DDR3 SDRAM在带宽、时钟频率、功耗和容量等方面有了显著的改进。下面是DDR4 SDRAM的详细特性：

速度更快：DDR4 SDRAM的时钟频率比DDR3 SDRAM高，目前最高能达到3200 MHz，传输速率最高达到25.6 GB/s，相比之前的DDR3 SDRAM有着明显的提升。

更高的容量：DDR4 SDRAM的每个芯片的容量可以更高，目前市面上有16 GB和32 GB的DDR4 SDRAM芯片，使得整个系统的内存容量变得更大。

更低的电压：DDR4 SDRAM的工作电压比DDR3 SDRAM低，频率较低的DDR4 SDRAM工作电压仅为1.2 V，比DDR3 SDRAM低20%。

更高的带宽：DDR4 SDRAM从数据读取到输出的延迟时间缩短到20纳秒，比DDR3 SDRAM的延迟时间缩短了33%。

更强的容错性：DDR4 SDRAM具有更好的容错性，能够更好地保护系统免受数据错误的影响。

DDR4 SDRAM 延迟

DDR4 SDRAM的延迟取决于其速度等级和时钟速度。DDR4 SDRAM的速度等级通常以“PC4-XXXX”形式表示，其中“XXXX”是时钟速度（以MHz为单位）。以下是一些常见的DDR4 SDRAM速度等级及其延迟：

PC4-19200（2400 MHz）：CAS延迟为17
PC4-21300（2666 MHz）：CAS延迟为19
PC4-24000（3000 MHz）：CAS延迟为15
PC4-25600（3200 MHz）：CAS延迟为16
DDR4 SDRAM的延迟通常在CL14至CL19之间，取决于具体型号和速度等级。 CL表示CAS延迟，CAS是内存开始接收到请求后所需的时钟周期数。因此，较低的CL值意味着更快的响应速度。

DDR5 DRAM

DDR5采用12纳米级工艺技术和极紫外光刻（EUV）技术，开发出1TB容量内存模组。应用于DDR5 的 ODECC（片上纠错码）技术几乎消除了单比特错误，从而提高了可靠性。DDR5 节能性比 DDR4 高 30%。

DDR5 SDRAM具有双通道架构，每个通道有16个存储 Bank，每个存储 Bank 包含8个内存芯片。这种设计使得DDR5 SDRAM能够同时读取或写入两个数据位，提高了数据传输的效率。

DDR5 SDRAM的特性主要体现在以下几个方面。首先，它采用了更高的工作电压，通常为1.1V或1.2V，以提供更高的运行稳定性和性能。其次，DDR5 SDRAM支持更大的最大内存容量，可以达到128GB或以上，满足了现代计算需求的不断增长。此外，DDR5 SDRAM还引入了新的错误纠正码（Error Correction Code, ECC）机制，提高了数据的可靠性。

在延迟方面，DDR5 SDRAM相对于DDR4 SDRAM有所改进。它通过增加存储 Bank 的数量和预取功能，降低了读取和写入数据的延迟。此外，DDR5 SDRAM还引入了数据分组技术，将数据划分为更小的块进行传输，进一步减少了延迟。

DDR5 SDRAM的速度也得到了提升。它支持更高的数据传输速率，通常为4800MT/s或更高。这意味着它能够在同样的时间内传输更多的数据，提供更快的计算和存储能力。

位宽方面，DDR5 SDRAM与DDR4 SDRAM并无差异，通常为64位。这意味着每次读取或写入操作可以同时处理64位的数据。然而，由于DDR5 SDRAM在速度和延迟方面的改进，实际上每个时钟周期传输的数据量更大。

从发展的角度来看，DDR5 SDRAM是存储技术的新一代，目前正在逐渐取代DDR4 SDRAM。

LPDDR5 DRAM

工作原理

LPDDR5 DRAM是低功耗双数据率第五代动态随机存取存储器（Low-Power Double Data Rate 5 Synchronous Dynamic Random Access Memory）的缩写。它主要用于移动设备和嵌入式系统，并具有较低的功耗和较高的性能。LPDDR5 DRAM采用了与DDR5 DRAM相似的原理，但在功耗、速度和特性方面有所不同。

特性

下表总结了LPDDR5 DRAM的主要特性：

特性	描述
高带宽	提供更高的数据传输速度，从而加快应用程序和文件的加载速度
低功耗	采用低功耗设计，延长移动设备的电池寿命
高密度	具有较大的存储容量，能够存储更多的数据
高可靠性	具有纠错功能，可以检测和纠正存储器中的错误
低延迟	提供更快的存取速度，减少数据传输的等待时间
高频率	提供更高的时钟频率，从而实现更快的数据传输速度

延迟和速度

LPDDR5 DRAM具有较低的延迟和较高的速度，使其在移动设备和嵌入式系统中具有出色的性能。

• LPDDR5 DRAM延迟：约 15ns到 40ns
• LPDDR5 DRAM速度：最高时钟频率可达到 6400MHz，数据传输速度可达到 51.2GB/s

位宽

LPDDR5 DRAM的位宽决定了每个存储单元可以存储的数据大小。目前LPDDR5 DRAM的常见位宽有64位和32位两种。较大的位宽可提供更大的存储容量，但也会增加功耗。

应用

LPDDR5 DRAM广泛用于移动设备和嵌入式系统中，包括智能手机、平板电脑、便携式游戏机等。其高速度、低功耗和高可靠性使其成为这些设备中理想的存储解决方案。

LPDDR5 DRAM和DDR5 DRAM的差异

LPDDR5 DRAM和DDR5 DRAM在很多方面有着相似之处，但也存在一些重要的差异。下表量化了它们之间的差异：

差异	LPDDR5 DRAM	DDR5 DRAM
供电电压	0.5V	1.1V
位宽	32位/64位	64位
时钟频率	最高 6400MHz	最高 6400MHz
数据传输速度	最高 51.2GB/s	最高 51.2GB/s
主要应用领域	移动设备和嵌入式系统	服务器和高性能计算机

LPDDR5 DRAM相对于DDR5 DRAM在位宽上有所缩减，但具有更低的供电电压和相近的时钟频率和数据传输速度。

参考资料：

• LPDDR5 - Wikipedia
• DDR5 SDRAM - Wikipedia

GDDR6 DRAM

GDDR6 DRAM的工作原理`

GDDR6 DRAM（Graphics Double Data Rate 6 Synchronous Dynamic Random-Access Memory）是一种用于图形处理器（GPU）的存储技术。

GDDR6 DRAM通过差分信号线（DQ）和时钟信号线（CK）进行数据传输。与DDR5 DRAM相比，GDDR6 DRAM的工作频率更高，因此能够提供更大的带宽。GDDR6 DRAM的数据传输速度通常以Gb/s（Gigabits per second）为单位来衡量，即数据在每秒钟传输的位数。

GDDR6 DRAM的延迟、速度和位宽`

GDDR6 DRAM相对于DDR5 DRAM在延迟、速度和位宽等方面有一定差别。下表对比了两者在这些方面的具体数据：

	GDDR6 DRAM	DDR5 DRAM
延迟	14-16 ns	16-18 ns
速度	14-16 Gb/s	12-14 Gb/s
位宽	64 bits	64 bits

GDDR6 DRAM相比于DDR5 DRAM具有较低的延迟和更高的速度。此外，在位宽方面，两者相同，都为64位。

GDDR6 DRAM的应用`

GDDR6 DRAM主要被应用于需要处理大规模图像和视频数据的领域，例如图形处理器（GPU）、视频处理器和人工智能加速器等。它在游戏、虚拟现实（VR）、人工智能（AI）和高性能计算等领域都有广泛的应用。

HBM DRAM

HBM DRAM是一种先进的存储技术，具有广泛的应用前景。它的高带宽、低延迟和高可靠性使其成为许多高性能计算和数据密集型应用的理想选择。然而，由于其相对较高的成本和较小的容量，HBM DRAM在某些场景下可能并不适用。

HBM DRAM的工作原理

HBM DRAM（High Bandwidth Memory）的工作原理基于集成了多个DRAM芯片和集成电路封装（IC package）的3D堆叠结构。这种堆叠结构使得HBM DRAM能够同时传输多个数据通道，从而提供更快的数据访问速度。

HBM DRAM的特性

下表列出了HBM DRAM的一些主要特性：

特性	说明
容量	HBM DRAM的容量通常较小，适用于对高带宽和低延迟要求较高的应用。
带宽	HBM DRAM提供了非常高的带宽，可以在同等封装面积下提供比传统DRAM更高的传输速度。
延迟	由于3D堆叠结构的设计，HBM DRAM具有较低的延迟，可以更快地响应数据访问请求。
功耗	HBM DRAM在传输和处理数据时需要较低的功耗，这使得它在功耗敏感的应用中具有优势。
可靠性	HBM DRAM通过使用纠错码（ECC）等技术来增强数据的可靠性，从而减少数据传输错误的风险。

HBM DRAM的性能指标

HBM DRAM相比DDR5 DRAM在性能指标方面有一些明显的差异，下表列出了它们的主要差别：

性能指标	HBM DRAM	DDR5 DRAM
速度	HBM DRAM的传输速度非常高，通常在每个通道上达到 1024位。	DDR5 DRAM的传输速度较低，通常在每个通道上仅达到 64位。
位宽	HBM DRAM的总线位宽非常宽，通常达到 1024位。	DDR5 DRAM的总线位宽较窄，通常在 128位到 256位之间。
延迟	HBM DRAM具有较低的延迟，可以更快地响应数据访问请求。	DDR5 DRAM的延迟相对较高，响应时间较长。
成本	由于其先进的设计和制造工艺，HBM DRAM的成本较高。	DDR5 DRAM由于采用传统技术，成本相对较低。

HBM DRAM的应用

由于其高带宽、低延迟和高可靠性，HBM DRAM主要应用于对存储性能要求较高的领域，例如高性能计算（HPC）、人工智能（AI）和图形处理等。HBM DRAM能够提供更快的数据传输速度和更高的带宽，从而加速复杂计算任务的执行。

它具有更高的存储容量和更快的数据传输速度。全年（2023）大火的生成式 AI(如 ChatGRT) 使得HBM 需求大增， 也让英伟达赚的盆满钵满。

HBM是比GDDR5更小巧的高带宽存储技术。它使用低速时钟和大量总线来弥补带宽的损失，最多可支持4096位宽。相对于DDR技术，HBM具有更高的带宽和位宽，更低的功耗和更小的尺寸。HBM3则通过将传统时钟信号从主机去耦到器件和数据选通信号来调整时钟架构，实现了最高3.2 GHz的WDQS和RDQS速率，以支持高达6.4 Gbps的数据传输速率。

参考资料：

• HBM DRAM Overview
• DDR5 SDRAM Specification

DRAM 前沿

过去二十年来，基于 DRAM 的计算机内存的存取带宽已经提升了 20 倍，容量增长了 128 倍。但延迟表现仅有 1.3
倍的提升，卡内基梅隆大学 Kevin Chang。

• 3D DRAM
• 冷却 DRAM
• 接近处理器

参考：

1	Sumsung 官网
2	3D DRAM 内存研发