DDR5內存規范和關鍵特性

內存技術也經歷著不斷更新迭代，如今，雙倍數據速率（DDR）同步動態隨機存取存儲器（SDRAM 或直接稱為 DRAM）技術，已成為幾乎所有從高性能企業數據中心到注重功耗/面積的移動應用中的普遍的存儲器。這一切都要歸功于DDR 的高密度特性，其采用了電容器作為存儲元件的簡單架構具有高性能、低延遲、高訪問壽命以及低功耗等特點。

內存接口芯片是內存模組（又稱內存條）的核心器件。作為服務器CPU 存取內存數據的必由通路，其主要作用是提升內存數據訪問的速度及穩定性，滿足服務器CPU 對內存模組日益增長的高性能及大容量需求。內存接口芯片應用于服務器內存條，在按技術進行的產品分類上遵循內存接口芯片技術標準，主要為 JEDEC（全球微電子產業的領導標準機構）之DDR 標準，例如DDR2，DDR3，DDR4，DDR5 等。

JEDEC（固態技術協會）定義中開發了三種 DDR 標準：標準DDR、移動 DDR 和圖形 DDR，來幫助設計人員滿足對內存的要求。JEDEC 目前在 DDR 類別中的最新一代是DDR5。隨著JEDEC技術協會發布存儲器標準DDR5 SDRAM的最終規范，這將標志著計算機存儲器開發的一個重要里程碑。自90年代末以來，DDR的最新版本一直在驅動PC，服務器以及所有產品之間的發展，DDR5再次擴展了DDR內存的功能，使峰值內存速度提高了一倍，同時也大大增加了內存大小。

DDR5 將以較之 DDR4 更低的 I/O 電壓 (1.1V) 和更高的密度（基于 16Gb DRAM 晶粒）支持更高的數據速率（高達 6400 Mb/s）。DDR5 DRAM 和雙列直插式存儲模塊 (DIMM) 有望于今年投放市場。

本文概述了 DDR5 DRAM 的幾個主要功能，設計人員可以將其部署在服務器、云計算、網絡、筆記本電腦、臺式機和消費類應用等類型的片上系統 (SoC) 中。

什么是標準 DDR？

具備高密度和高性能的標準 DDR DRAM 有各種型號和外形尺寸，支持 4 (x4) 或 8 (x8) 或 16 (x16) 位的數據寬度。終端應用可以將這些存儲器用作分立式 DRAM 或 DIMM。

DIMM 是一款帶有多個 DRAM 芯片的印刷電路板 (PCB) 模塊，支持 64 或 72 位數據寬度。72 位 DIMM 稱為糾錯碼 (ECC) DIMM，除支持 64 位數據外，還支持 8 位 ECC。

服務器、云和數據中心應用通常使用基于 4 個 DRAM 的 72 個 ECC DIMM，在獲得更高密度的 DIMM 的同時還可支持更高的 RAS（可靠性、可用性、可維護性）功能。除此之外，這樣的ECC DIMM還能縮短此類應用在存儲器發生故障時的停機時間。

對比其他 8 bit 和 16 bit DRAM 的 DIMM 來說，這種方案價格較為便宜，所以此類產品被廣泛用于臺式機和筆記本電腦中。與此同時，還可以將這些存儲器當作分立式 DRAM 來使用。因此，與其他 DDR 類別方案相比時，標準 DDR 通道寬度的靈活性就是其最大的優勢。

DDR5 究竟有什么魅力？

與 DDR4 相比，DDR5 新增特征包括：突發長度增加到16拍，其出色的刷新/預充電方案可實現更高的性能，可提高通道利用率的雙通道 DIMM 架構，可在DDR5 DIMM 上集成穩壓器，可增加的存儲區分組，以及可命令/地址片內端接電阻 (ODT）等多種優勢。表1將 DDR5 和 DDR4 DRAM/DIMM 的功能進行了對比。

表1：DDR5 對比 DDR4 DRAM/DIMM

除性能更強之外，DDR5 還引入多種 RAS 功能，以保持通道提速后的穩定性。這些 DDR5 通道穩定性的功能包括：占空比調節器 (DCA)、片上 ECC、DRAM 接收 I/O 均衡、RD 和 WR 數據的循環冗余校驗 (CRC) 以及內部 DQS 延遲監控。以下是對這些功能的詳細說明：

1. 用于補償占空比失真的占空比調節器 (DCA)

占空比調節器支持主機通過調節 DRAM 內部的占空比來補償所有 DQS（數據選通）/DQ（數據）引腳上的占空比失真。因此，DCA 功能鞏固了讀取數據的穩定性。

2. 強化 RAS 的片上 ECC

DDR5 DRAM 為每 128 位數據設置 8 位的 ECC 存儲空間，使得片上 ECC 具有強大的 RAS 功能，可以保護存儲器陣列免受單個數位錯誤的影響。

3. DRAM 獲得 DQ 均衡以增加裕量

DDR5 DRAM 和 LPDDR5 DRAM 一樣，也支持 WR 數據均衡。該功能在 DRAM 端為 WR DQ 打開了新的局面，不僅可以保護通道免受符號間干擾 (ISI) 的影響，增加裕量，還可實現更高的數據速率。

4. RD/WR 數據的循環冗余校驗 (CRC)

DDR4 僅支持寫數據使用的 CRC，而 DDR5 將 CRC 的適用范圍擴展到讀數據，從而提供額外保護，避免通道出錯。

5. 內部 DQS 延遲監控

內部 DQS 延遲監控機制支持主機調整 DRAM 延遲來補償電壓和溫度變化。以 DDR5 速度運行的主機可以使用此功能定期重新訓練通道，補償 DRAM 中延遲引起的 VT 變化。

6. DDR5帶來的挑戰

從DDR的發展圖中可以看到，DDR的傳輸速率在成倍提升，而其迭代速度也在不斷加快。

DDR5的速率最高超過8.4GT/s，達到了前代DDR4最高速率的兩倍。更高的速率，帶來出色性能的同時，不可避免的提升了設計的困難。

• DDR信號較多，走線較為密集，隨著信號速率的增加，傳輸線之間的串擾也會隨之增加。

• 除了串擾外，抖動也是不能被忽視的問題。

• 由于傳輸線的頻率選擇特性，頻率越高，傳輸線的插入損耗也會隨之增加，信號的衰減和碼間干擾的現象也會更加嚴重。

總結

為滿足目標應用的要求，設計人員在為自己的設計選擇最佳片外存儲器技術時DDR 已成為了必選技術方案之一。從最早的400 Mbps 的 DDR 發展到了當今的 6400 Mbps 的 DDR5，每一代 DDR 的數據速率都翻倍增長。

隨著內核數量的增加，DDR5 提供了更高的密度（包括雙通道 DIMM 拓撲），從而保證通道效率和其性能，這些優勢對于適合服務器、云計算、網絡、筆記本電腦、臺式機和消費類等應用的 SoC 最為重要。無論設計人員選擇哪種 DDR DRAM 技術，都必須在 SoC 中部署兼容的接口 IP 解決方案，以實現與 DRAM 之間的必要連接。