DDR5內存規范正式發布

2020-07-15 12:38:07TOP數碼網編輯:小白評論

作為計算機內存發展的重要里程碑,今天,JEDEC固態技術協會發布了下一個主流內存標準DDR5 SDRAM的最終規范。DDR5是DDR標準的最新迭代,DDR5再次擴展了DDR內存的功能,將峰值內存速度提高了一倍,同時也大大增加了內存容量。基于新標準的硬件預計將于2021年推出,先從服務器層面開始采用,之后再逐步推廣到消費者PC和其他設備。

DDR5內存規范正式發布

外媒anandtech報道,和之前的每一次DDR迭代一樣,DDR5的主要關注點再次放在提高內存密度以及速度上。JEDEC希望將這兩方面都提高一倍,最高內存速度將達到6.4Gbps,而單條LRDIMM的容量最終將能夠達到2TB,最大UDIMM容量為128 GB。同時,還有一些較小的變化,以支持這些目標或簡化生態系統的某些方面,如on-DIMM電壓調節器以及on-die ECC。

DDR5內存規范正式發布

更大:更密集的內存和芯片堆疊

首先是容量和密度,因為這是與DDR4相比最直接的標準變化。IT之家了解到,DDR5將允許單個內存芯片的密度達到64Gbit,比DDR4的16Gbit密度最大值高出4倍。再加上Die堆疊,最多允許8個Die堆疊為一個芯片,那么40個元件的LRDIMM可以達到2TB的有效內存容量。或者對于更簡陋的無緩沖DIMM來說,這將意味著最終會看到DIMM容量達到128GB的典型雙列配置。

當然,當芯片制造趕上規格所能允許的范圍時,DDR5規格的峰值容量將用在標準生命周期的后期,首先,內存制造商將使用當今可達到的密度8Gbit和16Gbit芯片來構建DIMM。因此,雖然DDR5的速度提升相當直接,但隨著制造密度的提高,容量的提升將更加緩慢。

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更快:一個DIMM,兩個通道

DDR5再次提高了內存帶寬。每個人都希望獲得更高的性能(尤其是在DIMM容量不斷增長的情況下),這也是這次DDR5提升的重點。

對于DDR5來說,JEDEC希望比通常的DDR內存規范更積極地開始工作。通常情況下,新的標準是從上一個標準的起點開始的,例如DDR3到DDR4的過渡,DDR3正式停止在1.6Gbps,DDR4從那里開始。然而對于DDR5來說,JEDEC的目標要高得多,預計將以4.8Gbps的速度推出,比DDR4 官方3.2Gbps最高速度快了50%左右。而在之后的幾年里,當前版本的規范允許數據速率達到6.4Gbps,比DDR4的官方峰值快了一倍。

這些速度目標的基礎是DIMM和內存總線的變化,以便在每個時鐘周期內提供和傳輸更多數據。對于DRAM速度來說,最大的挑戰來自于DRAM核心時鐘速率缺乏進步。專用邏輯仍然在變快,內存總線仍然在變快,但支撐現代內存的基于電容和晶體管的DRAM時鐘速度還不能超過幾百兆赫。因此,為了從DRAM Die中獲得更多的收益--維持內存本身越來越快的假象,并滿足實際速度更快的內存總線--已經需要越來越多的并行性。而DDR5則再次提升了這一要求。

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這里最大的變化是,與LPDDR4和GDDR6等其他標準情況類似,單個DIMM被分解為2個通道。DDR5將不是每個DIMM提供一個64位數據通道,而是每個DIMM提供兩個獨立的32位數據通道(如果考慮ECC因素,則為40位)。同時,每個通道的突發長度從8個字節(BL8)翻倍到16個字節(BL16),這意味著每個通道每次操作將提供64個字節。那么,與DDR4 DIMM相比,DDR5 DIMM以兩倍的額定內存速度(核心速度相同)運行,將在DDR4 DIMM提供的操作時間內提供兩個64字節的操作,使有效帶寬增加一倍。

總的來說,64字節仍然是內存操作的神奇數字,因為這是一個標準緩存線的大小。如果在DDR4內存上采用更大的突發長度,則會導致128字節的操作,這對于單條高速緩存線來說太大,如果內存控制器不想要兩條線的連續數據,充其量也會導致效率/利用率的損失。相比之下,由于DDR5的兩個通道是獨立的,一個內存控制器可以從不同的位置請求64個字節,這使得它更符合處理器的實際工作方式,并避免利用率的損失。

對標準PC臺式機的凈影響是,取代了DDR4系統模式,即2個DIMM填滿2個通道進行2x64bit設置,而DDR5系統的功能將是4x32bit設置。

這種結構上的變化在其他地方有一些連鎖效應,特別是要最大限度地提高這些小通道的使用率。DDR5引入了更細粒度的Bank存儲體刷新功能,這將允許一些k存儲體在其他使用時進行刷新。這就能更快地完成必要的刷新(電容補給)、控制延遲、并使未使用的存儲庫更快可用。存儲體組的最大數量也從4個增加到8個,這將有助于減輕順序內存訪問的性能折扣。

快速總線服務:決策反饋均衡化

相比之下想辦法增加DRAM DIMM內的并行化量,提高總線速度既簡單又困難:概念簡單,執行起來比較難。最后要想讓DDR的內存速度提高一倍,DDR5的內存總線需要以兩倍于DDR4的速度運行。

為了實現這一目標,DDR5有幾項改變,但令人驚訝的是,并沒有對內存總線進行任何大規模、根本性的改變,如QDR或差分信令。相反,JEDEC及其成員已經能夠通過略微修改的DDR4總線來實現他們的目標,盡管它必須在更嚴格的公差下運行。

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這里的關鍵驅動力是引入決策反饋均衡(DFE)。在很高的層次上,DFE是一種通過使用內存總線接收器的反饋來提供更好的均衡,從而降低符號間干擾的手段。而更好的均衡,又可以讓DDR5的內存總線以更高的傳輸速率運行所需的更干凈的信令,而不至于發生故障。同時,標準中的一些較小的變化也進一步幫助了這一點,例如增加了新的和改進的訓練模式,以幫助DIMM和控制器補償內存總線上的微小時序差異。

更簡單的主板,更復雜的DIMM:On-DIMM電壓調節

在核心改變密度和內存速度的同時,DDR5也再次提高了DDR內存的工作電壓。在規格上DDR5的工作電壓Vdd將從DDR4的1.2v降至1.1v。這應該會提高內存相對于DDR4的能效,盡管到目前為止,功耗的提升并沒有像DDR4和更早的標準那樣被大力推廣。

JEDEC還利用DDR5內存標準的推出,對DIMM的電壓調節方式進行了相當重要的改變。簡而言之,電壓調節將從主板轉移到單個DIMM上,讓DIMM負責自己的電壓調節需求。這意味著DIMM現在將包括一個集成的電壓調節器,這適用于從UDIMMs到LRDIMMs的所有產品。

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JEDEC將此稱為“隨用隨付”的電壓調節,旨在通過它來改善/簡化DDR5的幾個不同方面。最重要的變化是,通過將電壓調節轉移到DIMMs本身,電壓調節不再是主板的責任。主板則不再需要為最壞的情況--比如驅動16個龐大的LRDIMM--簡化主板設計,并在一定程度上控制成本。當然,反過來說,它將這些成本轉移到了DIMM本身,但這樣一來,系統構建者至少只需要購買和DIMM一樣多的電壓調節硬件,因此也就有了PAYGO理念。

根據JEDEC的說法,On-DIMM穩壓器還將使一般的電壓容差更好,提高DRAM的良品率。

由于這些電壓調節器的實現細節將由內存廠商決定,所以JEDEC并沒有對其進行過多的說明。客戶端UDIMM和服務器(L)RDIMM將有單獨的穩壓器/PMIC,以反映它們的功耗需求。

DDR5 DIMMs:依然是288個針腳,但改變了針腳布局

最后,正如早期廠商的原型產品已經廣泛展示的那樣,DDR5將保持與DDR4相同的288個引腳數。這反映了DDR2到DDR3的過渡,其中的引腳數也保持在240個引腳。

然而,不要指望在DDR4插槽上使用DDR5 DIMM。雖然引腳數量沒有改變,但引腳布局卻發生了變化,以適應DDR5的新特性--尤其是其雙通道設計。

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這里最大的變化是命令和地址總線被縮小和分區,引腳被重新分配到第二個內存通道的數據總線上。DDR5將不再是單一的24位CA總線,而是有兩個7位CA總線,每個通道一個。當然,7位遠遠不到舊總線的一半,所以對于內存控制器來說,換來的事情變得更加復雜。

現在開始采樣,未來12-18個月內采用

和其他JEDEC規范發布一樣,今天是開發委員會將標準放給成員使用。各大內存廠商從一開始就參與了DDR5的開發過程,他們已經開發出了DIMM的原型,現在正在考慮將第一個商用硬件推向市場。

預計DDR5整體采用曲線將與早期的DDR標準相似。也就是說,JEDEC預計DDR5將在12到18個月內隨著硬件的最終確定而開始出現在設備中,并逐步增加。他們預計服務器將再次成為早期采用的驅動力,尤其是主要的超大規模廠商。英特爾和AMD都沒有正式宣布將使用新內存的平臺,但目前這只是時間問題。

同時,預計DDR5的生命周期將和DDR4一樣長,甚至更長一些。DDR3和DDR4都享有大約7年的生命周期,DDR5也應該享有同樣程度的穩定性。目前JEDEC認為,DDR5最終會比DDR4擁有更長的保質期,這得益于技術產業的不斷成熟。

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