2020年突如其来的一场疫情打乱了各行各业的发展,受其影响,人们的生活模式在短时间内被迫大幅转变,工作方式加速向在线转移。疫情下的宅经济在促进数字经济如网络游戏、社群媒体互动与网络消费模式的黏着度提升的同时,带动了换机潮,而智能终端装置的普及又间接拉动了云端需求。再加上企业数字化转型的刚需,云端服务渗透率不断攀升。


 
图 | 服务器,图源:cnki


这直接带动了ICT设备市场的增长。根据IDC的数据,2020年全球PC出货量3.03亿台,同比增长13.47%;全球服务器出货量 1220万台,同比增长3.92%。而DIGITIMES更是预测,2020-2024年全球服务器出货量CAGR 将达到6%。因此,受益于服务器、PC、智能终端等应用市场巨大的保有量和对配套存储器性能要求的不断提高,全球存储器市场需求将呈现稳步提升的态势。


DDR5时代来临


说到存储器,除了赖以生存的市场土壤,我们不得不提到 “好兄弟”CPU,说到底内存作为硬盘与CPU进行沟通的桥梁,其存在的意义就是解决CPU高速运行与硬盘数据存取太慢之间的矛盾的,因此CPU的运算速度和内存密切相关,一定程度上来说,内存的发展很大程度上是与CPU处理器捆绑式进步的。


 
图 | 内存、数据与CPU关系示意,图源:Andy Lock


纵观CPU发展史,从1970年到2005年的单核时代,到2006年开始进入的全新多核时代,发展到现在的台式机6核起跳,英特尔和AMD的核战争可谓越演愈烈。实际上,从2010年-2012年多核处理器流行开始,每个处理器内核的平均内存带宽数值是逐渐下降的。为了应对这样的情况,厂商不得不采用更多的辅助技术来保证处理器在数据带宽难以提升的情况下进一步提高性能,包括重新优化内存读取机制,采用更大的缓冲区设计(更大的缓存)等,当然这些设计都只是治标不治本,内存带宽的提升才是根本。


为了实质性地提高每处理器内核的平均内存带宽,时隔8年,JEDEC固态技术协会在2020年7月正式发布了DDR5 SDRAM的最终规范JESD79-5,这意味着DDR5的时代即将开启。


 
图 | 江波龙DDR5内存模组产品(ES1)


什么是DDR5?


DDR5是第五代DDR SDRAM的简称,DDR SDRAM是英文Double Data Rate SDRAM的缩写,中文译为双倍速率SDRAM,而SDRAM又是Synchronous Dynamic Random Access Memory的缩写,译为同步动态随机存取存储器,同步对象是系统时钟频率。因此组合起来讲,DDR5就是第五代双倍速率同步动态随机存取存储器的意思。


DDR5到底好在哪?


根据 JEDEC的信息,DDR5的规范整体是在DDR4的基础上起草的,因此大体框架类似,而容量更大、速率更高、功耗更低、新功能的出现是 DDR5有别于DDR4最明显的进步。


具体来讲,容量方面,单颗DDR5的容量从8Gb到64Gb;速率方面,DDR5从3.2Gbps起跳,到6.6Gbps,最高可扩展到8.4Gbps,预取数据能力从DDR4的8n上升为 16n,突发数据长度变为16;功耗方面,为了保证功耗曲线基本扁平,DDR5的工作电压从DDR4的1.2V降低为1.1V;此外,功能方面,DDR5除了沿袭了激活、读写、预充电、刷新、自刷新、节电模式、ZQ校准等基本功能外,还增加了不少新功能。


 
图 | 江波龙内存模组产品(ES1)参数信息


不久前,江波龙推出了第一波DDR5内存模组产品(ES1),分别为16GB的1Rank x8以及32GB的2Rank x8,频率为4800MHz,时序CL 40。结合Intel AlderLake-S ADP-S DDR5 UDIMM CRB开发板,搭配Longsys DDR5 32GB 4800内存模组和128GB SSD,并配置Windows 10 Pro x64操作系统,分别通过鲁大师和AIDA64两个软件进行了跑分测试,下面一探究竟。


Intel AlderLake-S ADP-S DDR5 UDIMM CRB开发板:


 
图 | Intel AlderLake-S ADP-S DDR5 UDIMM CRB开发板


图中可以看到,未发布的英特尔12代酷睿AlderLake-S处理器就隐藏在英特尔原装散热器下方。此外,开发板有两条内存插槽,一条M.2 2280 NVMe固态硬盘,而另一条正是红色框中的江波龙32GB DDR5内存。


从BIOS读取平台以及内存信息:


 
图 | BIOS平台信息


调取BIOS信息,平台主板名称为 “AlderLake-S ADP-S DDR5”,处理器名称为 AlderLake DT,主频0.8GHz,但具体型号没有显示。


 
图 | BIOS内存信息


同样是BIOS的信息,江波龙的这款32GB DDR5内存频率为4800MHz,时序40-40-40-77,显示为独立的两条16GB内存,接口均为Slot 0,每条两个Rank,言外之意,DDR5新架构采用了两个完全独立的32位通道,单条可实现双通道效果。


接下来,再看看测试的情况:


1)AIDA64测试数据


 


2)鲁大师测试数据


硬件配置:
 


图 | 鲁大师测试硬件配置页面


跑分结果:
 


图 | 鲁大师跑分结果与系统显示容量和频率情况


业界普遍认为9000分以上的内存是好的内存,10000分以上的内存就是性能非常强劲的内存。而这些判断是基于DDR4及以前的版本,如今江波龙的DDR5内存竟然跑到了193864分,这性能着实配得上“跨越式”提升这个词。


DDR5性能强大之源


是什么让DDR5性能如此之强?这就要从JESD79-5说起了,从规范中可知,DDR5内存条的最终外观和DDR4基本相同,针脚数维持与DDR4一样的288 pin(针脚宽度0.85mm),只是在防呆口上有些差别,以避免用户将DDR5内存条错误地插入其他类型的插槽。


不过,对比DDR4,DDR5的带宽容量和速率方面提升很大,假设按照DDR4的方式来进行信号线排布,那么金手指的数量势必要增加,违背电子产品小型化趋势,因此为了保持288 pin针脚数不变,DDR5 DIMM无奈地选择了将命令和地址信号合成一条CA总线的模式。这样一来,原本300多个金手指管脚的需求就一下子缩减到了14个CA管脚,极大地提升了DIMM的管脚利用率。利弊相依,由于采用了CA总线模式,DDR5不能像DDR4一样,在片选信号有效的前提下,在一个时钟周期内完成命令信号的采样、解析以及获取地址信息的操作,很多命令不得不通过两个时钟周期才能完成,即在第一个上升沿来临之时,先采样CA信号来解析命令,再在第二个上升沿来临之时,采样另一个CA信号来解析地址。这意味着采样频率至少倍增,于是对DDR5模组厂商而言,如何提升CA、CS类信号的信噪比变得尤为重要,据悉江波龙的ES1系列DDR5产品采用的是ODT的方式来减少信号脉冲的反射干扰效应。说到ODT,早在DDR2时代工程师们就开始在每条信号传输路径的末端加上一颗终结电阻,来吸收高频电路中反射回来的电子,因此算不上什么新鲜玩意儿,只是将原来用于处理DQ/DQS/DM信号的方式沿用至CA、CS类信号罢了。


一切的改变皆源于面临的问题,同样是速率提升带来的问题,当数据速率超过3.2Gbps后,码间串扰ISI就会加剧,信噪比的降低可能会导致DRAM焊球处的眼图完全闭合,而DDR5的最高数据速率可达8.4Gbps,因此必须解决严重的码间串扰问题,目前改善眼图的最佳方法是在DQ接收器中加入判决反馈均衡器DFE。


至于容量方面,和DDR4一样,DDR5在内部设计了Bank(数据块)和Bank Group(数据组)。但DDR5在数据块和数据组的配置上更为宽裕,对比DDR4中限制最高4个数据组,普通采用2组配置的情况,DDR5 Bank Group的数量可以选择2组、4组到最高8组的设计,换句话说,在每个Group Bank的数量保持不变的条件下,DDR5 Bank Group的数量增加了一倍。


而DDR5 DIMM为了进一步提升数据传输能力,将预取数据能力一下子上升至了16n(通过全新的I/O总线和Group Bank设计,解决了16n预取带来的高延迟问题),信号承载量倍增,而江波龙的DDR5 DIMM新架构则采用了两个完全独立的32位通道,并发性提高,内存通道数也随之增加了一倍。此外,SAME-BANK Refresh(同步刷新)命令的加入简直如虎添翼,它将允许刷新每个BG中的一个Bank,使所有其他Banks保持打开状态以继续正常操作。回到应用层面,这意味着访问延迟的降低,系统整体效率的加倍提高,使用者可以同时打开更多的页面。


大量的数据处理带来的是大量的校验工作,为了缓解系统错误校正负担,江波龙等DDR模组厂商开始在优化DDR5 DRAM内核运算能力的基础上,增加内置纠错码(ECC)来增强数据纠错能力,进一步提高数据完整性。


值得一提的是,电源管理方面,DDR5中增加了本地的PMIC进行电压调节,由于将电源管理的功能从主板转到更靠近内存芯片的模块上,这种电源架构的革新可降低主板的复杂性、提升电源转换的效率、增加更多电源管理的功能。


综上,是纠错模式、预取模式、端到端接收模式、均衡模式、电源管理模式、刷新模式、通道模式、阵列分层模式以及其他一系列的技术策略改进,带来了DDR5性能的重大突破。


 
图 | 江波龙DDR5模组技术特点举例


DDR5何时普及?


市场高度关注DDR5得到的支持和落地时点。目前,平台方面,AMD及Intel尚未官宣支持DDR5的CPU 。但Intel预计在2021年发布的Sapphire Rapids服务器处理器将开始支持 DDR5内存模组;消费性市场方面,Intel 10nm Super Fin制程的Alder Lake-S桌面处理器和 Tiger Lake-U系列(优化版)移动处理器将会率先导入,时间点同样落在2021年。此外,AMD的梵高 APU、AMD 的 “Rembrandt”系列(或6600U )也有望支持DDR5。


市场方面,内存厂商肯定会比平台厂商先一步把DDR5内存推向市场,根据SK Hynix的预测,对DDR5 内存模组的需求增长,到 2022 年将会有10% 的市场占有率,到2024年市场占有率将会提升至43%。


在实际应用方面,目前DDR4仍占据主流市场,考虑到DDR5的配套系统升级器件的选型、串行链路滤波技术的升级、系统原型的构建与仿真、系统成本的压力等,除了发烧级玩家,观望或成主流。


不过DDR4内存于2011年公布,服役多年,根据还在遵循摩尔定律的内存行业来讲,是时候迎来更新升级。参考DDR4的市场普及规律,2012年9月JEDEC DDR4(JESD79-4)公布,2014年Hasewll-E处理器及X99主板问世,DDR4内存便开始进入桌面市场(X99平台是面向发烧级玩家的),2015年Intel推出Skylake,起跳频率为2133MHz的DDR4正式全面普及。结合DDR5标准的发布时间点(对比JEDEC的原定计划有些落后)以及平台的推出计划,预计2021将进入内存交替元年,2022年将进入DDR5的强盛时期。


而今年正是内存模组厂商加快布局的好机会,江波龙作为主流的国产内存厂商,在这个时候推出面向价格不那么敏感的服务器、云计算、数据中心、高性能计算机等应用领域的FORESEE DDR5内存模组产品,以及面向电竞玩家、设计师、剪辑师等刚需职业的Lexar雷克沙DDR5内存模组产品,或可抓住时间窗口,胜在开局。