DDR内存技术更迭20年

　　在DDR5内存刚成为主流不久，如今三星又已经率先开始了下一代DDR6内存的早期开发，并预计在2024年之前完成设计。
　　据悉，在近日召开的研讨会上，三星负责测试和系统封装（TSP）的副总裁透露，随着未来内存本身性能的扩大，封装技术也需要不断发展。经证实，三星已经处于下一代DDR6内存的早期开发阶段，将采用MSAP技术。目前，MSAP已经被三星的竞争对手（SK海力士和美光）用于DDR5中。
　　据介绍，下一代DDR6内存不仅将利用MSAP来加强电路连接，而且还将适应DDR6内存中增加的层数。就规格而言，DDR6内存的速度将是现有DDR5内存的两倍，传输速度可达12800 Mbps（JEDEC），超频后的速度可超过17000 Mbps。
　　预计三星将在2024年之前完成其DDR6设计，2025年之后才会有商业化的可能。
　　不知不觉间，从最初KB到GB的跃进，DDR内存已经走过了5代，开始向第6代进发。
　　＂百转千回＂的内存市场
　　什么是DDR？
　　在回顾DDR发展历程之前，先来了解下DDR是什么。
　　存储分为ROM和RAM。
　　ROM是Read Only Memory的缩写，即只读存储器，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器，其特性是一旦储存资料就无法再将其改变或删除，资料并不会因为电源关闭而消失。
　　RAM是Random Access Memory的缩写，即随机存储器 ，随机是指数据不是线性依次存储，可以以任何顺序访问，而不管前一次访问的是哪一个位置，RAM在掉电之后就会丢失数据。
　　而对于RAM，又分为SRAM（静态随机存储器）和DRAM（动态随机存储器）两大类。
　　SRAM是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，也就是说加电情况下，不需要刷新，数据不会丢失。SRAM是早期读写最快的存储设备，但其缺点是集成度较低，功耗大，相同的容量体积较大，而且价格较高，少量用于关键性系统以提高效率，譬如CPU的一级缓存，二级缓存。
　　DRAM是最为常见的系统内存，只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。
　　后续的SDRAM和DDR SDRAM都是在DRAM的基础上发展而来，同时也属于DRAM中的一种。SDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存储器），同步是指内存工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据的传输都以时钟为基准。
　　DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM，双倍速率SDRAM ) 的不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度得以加倍。在性能和成本优势下，DDR SDRAM成为了目前电脑和服务器中用的最多的内存，这也就是我们今天要讨论的DDR内存。
　　DDR的演进之路
　　和其他硬件一样，内存遵循着摩根定律，从古老的SIMM到DDR的出现，再以DDR为基础进行迭代，内存标准和规格发生了很大变化。
　　从最初KB到GB的跃进，从单条1GB到单条16GB、32GB的进化，内存容量的发展经历了漫长的过程。
　　在最初的个人电脑上，内存是直接以DIP芯片的形式安装在主板的DRAM插座上面，需要安装8到9颗这样的芯片，容量只有64-256KB，想要扩展十分困难，但这内存容量对于当时的处理器以及程序来说已经足够。不过随着软件程序和新一代80286硬件平台的出现，程序和硬件对内存性能提出了更高要求，为了提高速度并扩大容量，内存必须以独立的封装形式出现，因而诞生了＂内存条＂的概念。
　　内存条与内存槽
　　在80286主板刚推出的时候，内存条采用了SIMM接口，容量为30pin、256kb，必须是由8片数据位和1 片校验位组成1个bank。因此，我们见到的30pin SIMM一般是四条一起使用。自1982年PC进入民用市场一直到现在，搭配80286处理器的30pin SIMM 内存是内存领域的开山鼻祖。
　　30pin SIMM
　　时间来到上世纪90年代前后，PC技术迎来了新的发展高峰——386和486时代，此时CPU 已经向16bit发展，30pin SIMM 内存已经无法满足需求，其较低的内存带宽已经成为亟待解决的瓶颈，并且其8位的数据总线导致采购成本一点都不低，还会增加故障率。此时，72pin SIMM内存出现了。
　　72pin SIMM
　　72pin SIMM支持32bit快速页模式内存，内存带宽得以大幅度提升。72pin SIMM内存单条容量一般为512KB-2MB，而且仅要求两条同时使用，386、486以及后来的奔腾、奔腾Pro、早期的奔腾II处理器多数会用这种内存。由于其与30pin SIMM 内存无法兼容，因此30pin SIMM内存被时代淘汰出局。
　　早期的内存频率与CPU外频是不同步的，是异步DRAM，细分下去的话包括FPM DRAM（Fast Page Mode DRAM，快速页模式动态存储器）与EDO DRAM（Extended data out DRAM，外扩充数据模式存储器），常见的接口有30pin SIMM与72pin SIMM，工作电压都是5V。
　　FPM DRAM是从早期的Page Mode DRAM上改良过来的，当它在读取同一列数据时，可以连续传输行位址，不需要再传输列位址，可读出多笔资料，这种方法在当时是很先进的。
　　FPM DRAM
　　EDO DRAM内存是1991-1995年之间盛行的内存条，是72pin SIMM的一种，它拥有更大的容量和更先进的寻址方式，读取速度比FPM DRAM快不少，工作电压为一般为5V，带宽32bit，速度在40ns以上，主要应用在当时的486及早期的奔腾电脑上。
　　不同规格的EDO DRAM内存
　　在1991到1995年EDO内存盛行的时候，凭借着制造工艺的飞速发展，EDO内存在成本和容量上都有了很大的突破，单条EDO内存容量达到4MB-16MB。由于奔腾及更高级别的CPU数据总线宽度都是64bit甚至更高，所以EDO RAM与FPM RAM基本都成对使用。
　　EDO的盛行时间大概是在奔腾到奔腾3之间，之后被SDRAM取代。
　　随着CPU的持续升级，Intel Celeron系列以及AMD K6处理器以及相关的主板芯片组的相继推出，EDO DRAM已经不能满足系统的需求，内存技术也发生了大革命，插座从原来的SIMM升级为DIMM，而内存也迎来了经典的SDR SDRAM时代。
　　SDRAM为内存带来了新生机，其64bit带宽与当时处理器总线宽度保持一致，这就表示一条SDRAM就能够让电脑正常运行，大大地降低了内存的购买成本。由于内存的传输信号与处理器外频同步，所以在传输速度上，DIMM标准的SDRAM要大幅领先于SIMM内存。
　　在这个迭代时期，由于Intel和AMD的频率之争，SDRAM内存由早期的66MHz，发展后来的100MHz、133MHz，内存规范也跟着从 PC66 发展到 PC100、PCIII、PC133 以及不太成功的 PC600、PC700、PC800。
　　SDRAM
　　尽管没能彻底解决内存带宽的瓶颈问题，但此时CPU超频已经成为DIY用户永恒的话题。在Intel与AMD的频率竞备时代，Intel为了达到独占市场的目的，与Rambus联合在PC市场推广Rambus DRAM内存，Rambus DRAM内存以高时钟频率来简化每个时钟周期的数据量，因此内存带宽相当出色。Rambus DRAM曾一度被认为是奔腾4的绝配。
　　Rambus DRAM
　　尽管如此，曲高和寡的Rambus DRAM内存终究是生不逢时，后来被更高速度的DDR＂掠夺＂其宝座地位。在当时，PC600、PC700的Rambus RDRAM 内存因出现Intel820 芯片组＂失误事件＂、PC800 Rambus RDRAM因成本过高无法获得大众用户拥戴，种种问题让Rambus RDRAM胎死腹中，最终拜倒在DDR内存面前。
　　DDR时代来临
　　DDR
　　DDR SDRAM（简称DDR），可以说是SDRAM的升级版本，DDR在时钟信号上升沿与下降沿各传输一次数据，这使得DDR的数据传输速度为传统SDRAM的两倍。由于仅多采用了下降缘信号，因此并不会造成能耗增加。至于定址与控制信号则与传统SDRAM相同，仅在时钟上升沿传输。此外，由于DDR采用了SSTL2标准的2.5V电压，低于SDRAM的LVTTL标准下的3.3V电压，因此功耗更低。
　　DDR SDRAM
　　DDR内存是作为一种在性能与成本之间折中的解决方案，其目的是迅速建立起牢固的市场空间，继而一步步在频率上高歌猛进，最终弥补内存带宽上的不足。
　　初代DDR内存的频率是200MHz，随后慢慢的诞生了DDR266、DDR333和那个时代主流的DDR400，至于那些500MHz、600MHz、700MHz的都算是超频条了。DDR内存刚出来的时候只有单通道，后来出现了支持双通道的芯片组，让内存的带宽直接翻倍，容量则是从128MB增加到1GB。
　　DDR2
　　随着CPU处理器前端总线带宽的不断提高和高速率局部总线的出现，DDR的性能成了制约处理器性能的瓶颈。因此 2003年Intel公布了 DDR2 SDRAM的开发计划。
　　与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降沿同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存却拥有两倍以上于上一代DDR内存预读取能力。
　　DDR2 SDRAM
　　DDR2能够在100MHz 的发信频率基础上提供每插脚最少400MB/s的带宽，而且其接口将运行于1.8V电压上，从而进一步降低发热量，以便提高频率。从JEDEC组织者阐述的DDR2标准来看，针对PC等市场的DDR2内存将拥有400、533、667MHz等不同的时钟频率，高端DDR2内存拥有800、1000、1200MHz频率。
　　此外，值得注意的是，DDR2舍弃了传统的TSOP，开启了内存FBGA 封装之门，减少了寄生电容和阻抗匹配问题，增加了稳定性。
　　DDR3
　　2007年，JEDEC协会正式推出 DDR3 SDRAM规范，DDR3开始走向舞台。
　　相比于DDR2，得益于生产工艺的精进，DDR3的工作电压从1.8V降到1.5V和1.35V（DDR3L），进一步降低了功耗，减少了发热量，并采用了根据温度自动自刷新、局部自刷新等功能，在一定程度弥补了DDR3延迟时间较长的缺点。
　　同时，因为DDR3可以在1个时钟周期输出8bit的数据，而DDR2是4bit，因此其单位时间内的数据传输量是DDR2的2倍。DDR3的速度从800MHz起跳，最高可以达到1600MHz。DDR3内存与DDR2一样是240Pin DIMM接口，不过两者的防呆缺口位置是不同的，不能混插。常见的容量是512MB到8GB，当然也有单条16GB的DDR3内存，只不过很稀少。
　　Intel酷睿i系列(如LGA1156处理器平台)、AMD AM3主板及处理器的平台都是其＂支持者＂。
　　时至今日，DDR2和DDR3陆续开始退出市场。
　　三星已在2021年末Q4确定停产DDR2；同时三星及海力士计划逐步退出DDR3市场。根据DDR3市占率顶峰期2014年的数据（市占率达84%）显示，三星及海力士市场份额达67%，短期内，两大内存厂商退出市场将在供给端造成显著空缺。
　　DDR4
　　早在遥远的2007年，有关DDR4内存标准的一些信息就被公开。
　　在美国旧金山2008年8月举行的英特尔开发者论坛上，一位来自奇梦达的演讲嘉宾提供了更多关于DDR4的公开信息。在当年关于DDR4的描述中，DDR4将使用30nm制程，运行1.2V的电压、常规总线时钟频率速率在2133MT/s，＂发烧＂级别将达到3200MT/s，于2012年推出市场，到2013年时运行电压将改进至1V。
　　然而到了2011年1月，三星电子宣布完成DDR4 DRAM模块的制造和测试，采用30nm级工艺，数据传输率为2133MT/s，运作电压在1.2V，这也是史上第一条DDR4内存。在此之前，三星电子40nm制程的DRAM芯片的成功流片，成为DDR4发展的关键。
　　三个月之后，SK海力士宣布2400MT/s速率的2GB DDR4存储器模块面世，运作电压同样在1.2V，同时宣布预计在2012年下半年开始大批量生产。此后的2012年5月，美光宣布将在2012年后期使用30nm制程生产DRAM及闪存颗粒。
　　然而直到2014年，DDR4内存才首次得到应用，首款支持DDR4内存的是英特尔旗舰级x99平台。2014年底，起跳频率为2133MHz的DDR4内存产品陆续开始纷纷上市，随着2015年8月，英特尔发布Skylake处理器和100系列主板，DDR4开始真正走向大众，也标志着DDR4时代的到来。
　　DDR4 SDRAM
　　与DDR3相比，DDR4的工作电压从1.5V降到1.2V和1.05V（DDR4L），这意味着功耗更低，发热量更小了。速度方面，DDR4从2133MHz起跳，最高速度可达4266MHz，接近DDR3的三倍。
　　原因在于，一方面DDR4除了可支持传统SE信号外，还引入了差分信号技术，即进化到了双向传输机制阶段；另一方面，DDR4采用了点对点的设计，简化了内存模块的设计，更容易实现高频化；此外，DDR4还采用了三维堆叠封装技术，增大了单位芯片的容量的同时，还采用了温度补偿自刷新、温度补偿自动刷新和数据总线倒置技术，在降低功耗方面起到了很好的效果。
　　另外DDR4增加了DBI、CRC、CA parity等功能，让DDR4内存在更快速与更省电的同时亦能够增强信号的完整性、改善数据传输及储存的可靠性。
　　从DDR到DDR3，每一代DDR技术的内存预取位数都会翻倍，前三者分别是2bit、4bit及8bit，以此达到内存带宽翻倍的目标。不过DDR4在预取位上保持了DDR3的8bit设计，因为继续翻倍为16bit预取的难度太大，DDR4转而提升Bank数量，一个rank单元内的Bank单元数量增长至16个，每个DIMM模块最高拥有8个rank单元。
　　DDR5
　　内存技术的发展与PC市场始终相辅相成。
　　Intel和AMD的处理器竞争越演愈烈，内存的性能成为新的瓶颈。早在2017年，负责计算机内存技术标准的组织JEDEC就宣称将在2018年完成DDR5内存的最终标准，美光、三星等内存厂商在2018年也就开始研发16GB的DDR5产品，甚至在2019年几个厂商都已经开始逐渐量产DDR5内存。但是直到2020年7月，JEDEC才正式发布了DDR5内存的标准，而且起跳就是4800MHz，这比原先想象的要高出不少。
　　据JEDEC介绍，DDR5标准将提供两倍于上代的性能并大大提高电源效率。在DDR5内存标准下，最高内存传输速度能达到6.4Gbps。此外，DDR5也改善了DIMM的工作电压，将电压从DDR4的1.2V降至1.1V，能够进一步提升内存的能效表现。
　　DDR5可以使系统通道数再翻倍（图源：Mircon）
　　在内存密度方面，DDR5内存标准将允许单个内存芯片的密度达到64Gbit，这比DDR4内存标准的16Gbit密度高出4倍。如此高的内存密度，再结合多芯片封装技术，可以实现最高40个单元的堆叠，如此堆叠的LRDIMM有效内存容量可以达到2TB。
　　据DIGITIMES报道，三星电子、SK海力士和美光科技均已扩大其DDR5芯片产量，旨在加速行业从DDR4向DDR5的过渡。消息人士称，将2022年视为DDR5的预热年，2023年DDR5渗透率将大幅提升。
　　从1998年三星生产出最早的商用DDR SDRAM芯片到现在，已经过去了20多年，DRAM内存市场一直在发展，从DDR到DDR2、DDR3、DDR4、DDR5，然后是正在研发的DDR6。
　　从DDR技术和JEDEC规范的演进过程中，我们可以看到，为了配合整体行业对于性能、内存容量和功耗的不断追求，规范的工作电压越来越低，芯片容量越来越大，IO的速率也越来越高。
　　从最早的128Mbps的DDR发展到了当今的6400Mbps的DDR5，每一代DDR的数据速率都翻倍增长。
　　根据Yolle分析，两代内存之间的过渡时间大概只需要两年。这意味着到2023年，DDR5 内存的市场份额将高于DDR4的情况，到2026年，DDR4份额应降至5%以下。整个DRAM市场预计到2026年将达到2000亿美元。
　　DRAM的分支与演进
　　按照应用场景，DRAM分成标准DDR、LPDDR、GDDR三类。JEDEC定义并开发了这三类标准，以帮助设计人员满足其目标应用的功率、性能和尺寸要求。
　　标准型DDR：针对服务器、云计算、网络、笔记本电脑、台式机和消费类应用程序，允许更宽的通道宽度、更高的 密度和不同的外形尺寸；
　　GDDR：Graphics DDR，一般称之为显存，＂G＂代表Graphics，顾名思义，GDDR就是针对图形显示卡所特化的一种DDR内存。2000年后电脑游戏的发展和火爆，人们对于显卡性能需求日益增长。运行电脑游戏对显卡GPU有高速数据交互需求，而且GPU与显存之间的数据交换非常频繁，特别是3D游戏的纹理贴图对显存带宽和容量的要求更高。因此，GDDR应运而生，GDDR适用于具有高带宽需求的计算领域，例如图形相关应用程序、数据中心和AI等，与GPU配套使用；
　　LPDDR：Low Power DDR，是DDR SDRAM的一种，又称为 mDDR(Mobile DDR SDRAM)，是JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的通信标准，以低功耗和小体积著称，提供更窄的通道宽度，专门用于移动式电子产品。
　　DDR、GDDR、LPDDR，分别作为电脑、显卡、手机的内存，都有各自耕耘和专攻的领域，尽管类型多种多样，但万变不离其宗，都是基于DDR的一些原理演变而来。
　　但从不同类型内存发情况来看，它们目前包括以后的关系将不再是继承发展而是平行发展的关系。DDR将继续稳步的走性能路线，而GDDR也更加专注对带宽和容量的优化，至于移动端的扛把子LPDDR近年来市场需求旺盛，技术迭代压力大，有望继续领跑。同时，三种内存上所采用的新技术也可反哺DDR家族，为它们各自的的发展提供借鉴和技术验证。
　　另外，对于迫切需要高带宽的应用，比如游戏和高性能计算，高带宽内存(HBM)成为绕过DRAM传统IO增强模式演进的优秀方案。
　　高带宽内存(HBM)
　　HBM直接和处理器封装的方式不再受限于芯片引脚，突破了IO带宽的瓶颈。另外DRAM和CPU/GPU物理位置的接近使得速度进一步提升。
　　在尺寸上，HBM也使整个系统的设计大大缩小成为可能。目前，HBM2在很大程度上是GDDR6的竞争对手。不过从长远看，因为2D在制造上接近天花板，DRAM仍有很强的3D化趋势。
　　DDR市场格局与国产进展
　　高资金壁垒、高技术壁垒促使DRAM供应端形成寡头垄断市场。存储芯片的设计与制造产业具备较高的技术壁垒和资本壁垒，早期进入存储器颗粒领域的头部企业具备显著的竞争优势。同时随着晶圆制程的不断提升芯片设计和研发的难度持续提升，晶圆制造产线的投资额也随之增长，IDM 模式的存储芯片企业资本支出高企。
　　历经几十年间的多轮行业周期与技术变革后，存储芯片市场形成了寡头垄断格局，市场被韩国和美国的龙头企业主导。从DDR内存芯片市场来看，三大巨头三星、SK海力士、美光技术存在领先优势，据统计数据，三大巨头2021年市占率合计占比超90%。中国台湾存储企业华邦及南亚科技，大陆存储企业长鑫存储为技术追赶者。
　　目前市场上具备DDR5/LPDDR5量产能力的仅为三星、海力士、美光。国内存储龙头合肥长鑫存储计划于2022Q1进行DDR5的试量产。长鑫存储于2016年成立，为业内追赶者，发展较为迅速。长鑫存储于2019年9月发布自主研发的8Gb DDR4芯片正式量产，采用19纳米工艺打造。2020年长鑫存储的DDR4及LPDDR4（X）已入市，主要用于国产的PC/手机端，性能获得市场的认可、价格具备市场吸引力。
　　有消息称，长鑫存储今年还将投产17nm工艺的DDR5内存，未来还会有10G5工艺和DDR6的升级，可见我国在内存芯片领域正在加速追赶，未来在这一领域或将不再受限于国外垄断。
　　此外，芯动科技近日也在LPDDR5X领域率先突破10Gbps，以先进FinFet工艺量产全球最快LPDDR5/5X/DDR5 IP一站式解决方案。除了速度的提升，延迟也降低了15%，非常适合5G通信、汽车高分辨率AR/V、AI边缘计算等应用场景。
　　除了LPDDR5/5X/DDR5，近期芯动科技还正式发布了全球首款GDDR6X高速显存技术，首发的GDDR6/6X Combo IP，单个DQ能达到21Gbps超高速率，已经在多个先进FinFet工艺成功量产出货。芯动科技还率先推出自主研发物理层兼容UCIe标准的IP解决方案Innolink Chiplet，这是首套跨工艺、跨封装的Chiplet连接解决方案，且已在先进工艺上量产验证成功。
　　值得一提的是，今年5月，国内又一家科技公司澜起科技正式宣布，已成功首发试产面向DDR5内存的第二代RCD芯片。RCD芯片是一种缓冲器，位于内存控制器和DRAM IC之间，可以重新分配模块内的命令/地址信号，从而提升信号完整性并将更多内存设备连接到一个DRAM通道。
　　另外，澜起科技还发布了全球首款CXL内存扩展控制器芯片MXC，该芯片可大幅扩展内存容量和带宽。之后不久，三星电子发布首款512GB内存扩展器DRAM模组，该内存模组的CXL内存扩展控制器芯片就是采用了澜起科技的MXC。
　　财信证券表示，高流量应用场景的逐步落地要求更高的服务器性能，而处理器厂商陆续推出新平台标志DDR5开始取代DDR4，这将带来内存接口芯片单价的提升，同时配套芯片的引入也会带来增量空间。
　　写在最后
　　从1971年英特尔发明第一块DRAM开始，这个产业起起伏伏发展了50多年。DRAM行业领头羊也从美国换到日本，如今花落韩国。
　　毫无疑问，随着国产DDR5内存的诞生，市场竞争还会进一步加强。
　　在过去十几年，韩国统治了内存市场，但对未来的情况谁都无法预测。长鑫存储用6年追到只差三星1-2代，也许再用5年就能完全追平三星。
　　毕竟，所有燎原的大火都起源于一粒火种。
　　文章参考：
　　太平洋电脑网，《内存发展历程》
　　凡亿教育，《存储器DDR发展史简介》
　　全栈云技术架构，《深入浅出：全面解读DDR内存原理》
　　闪德资讯，《一文带你回顾DDR内存的前世今生》
　　*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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