2021 年，JEDEC 宣布發(fā)布 JESD79-5 DDR5 SDRAM 標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著行業(yè)向 DDR5dual-inline memory modules（DIMM） 的過渡。DDR5 內(nèi)存帶來了許多關(guān)鍵的性能提升，以及新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)師、設(shè)計(jì)人員和購買人員都想知道 DDR5 與 DDR4 有什么新功能，以及他們?nèi)绾纬浞掷眯乱淮鷥?nèi)存。

本文內(nèi)容：

DDR5 與 DDR4 有什么變化？

DDR5 面臨哪些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？

DDR5 內(nèi)存接口芯片組如何利用 DDR5 for DIMM 的優(yōu)勢(shì)？

性能：DDR5 與 DDR4 DRAM 有什么變化？

從 DDR4 到 DDR5 DIMM 過渡中的七個(gè)最重要的技術(shù)指標(biāo)改進(jìn)如下表 1 所示。

表 1.DDR5 的變化和相對(duì)于 DDR4 DIMM 的優(yōu)勢(shì)

1. DDR5 可擴(kuò)展至 8.4 GT/s

您永遠(yuǎn)無法擁有“足夠”的內(nèi)存帶寬，而 DDR5 有助于滿足對(duì)速度的永不滿足的需求。DDR4 DIMM 在 1.6 GHz 的時(shí)鐘速率下最高可達(dá) 3.2 千兆傳輸/秒 （GT/s），而初始 DDR5 DIMM 的帶寬增加了 50%，達(dá)到 4.8 GT/s。DDR5 中集成了決策反饋均衡 （DFE） 等新功能，可實(shí)現(xiàn)更高的 IO 速度和數(shù)據(jù)速率。

2. 較低的電壓使電源保持在可控范圍內(nèi)

第二個(gè)主要變化是工作電壓 （VDD） 的降低，這有助于抵消以更高速度運(yùn)行帶來的功耗增加。使用 DDR5（DRAM）時(shí)，寄存器時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器 （RCD） 電壓從 1.2 V 降至 1.1 V。命令/地址 （CA） 信號(hào)從 SSTL 更改為 PODL，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)引腳停放在高電平狀態(tài)時(shí)不會(huì)消耗靜態(tài)功耗。

3. DDR5 DIMM 全新電源架構(gòu)

第三個(gè)變化，也是一個(gè)重要的變化，是電源架構(gòu)。使用 DDR5 DIMM，電源管理從主板轉(zhuǎn)移到 DIMM 本身。DDR5 DIMM 將在 DIMM 上配備 12V 電源管理 IC （PMIC），從而實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)電源負(fù)載粒度。PMIC分配1.1 V VDD電源，通過更好的DIMM電源控制，幫助提高信號(hào)完整性和噪聲。

4. DDR5 與 DDR4 通道架構(gòu)

DDR5 的另一個(gè)重大變化是新的 DIMM 通道架構(gòu)，這是我們列表中的第四位。DDR4 DIMM 具有 72 位總線，由 64 個(gè)數(shù)據(jù)位和 8 個(gè) ECC 位組成。使用 DDR5 時(shí)，每個(gè) DIMM 將有兩個(gè)通道。每個(gè)通道的寬度為 40 位：32 個(gè)數(shù)據(jù)位和 8 個(gè) ECC 位。雖然數(shù)據(jù)寬度相同（總共 64 位），但具有兩個(gè)較小的獨(dú)立通道可提高內(nèi)存訪問效率。

在 DDR5 DIMM 體系結(jié)構(gòu)中，DIMM 的左側(cè)和右側(cè)（每個(gè)都由一個(gè)獨(dú)立的 40 位寬通道提供服務(wù)）共享 RCD。在 DDR4 中，RCD 每側(cè)提供兩個(gè)輸出時(shí)鐘。在 DDR5 中，RCD 每側(cè)提供四個(gè)輸出時(shí)鐘。在具有 x4 DRAM 的最高密度 DIMM 中，這允許每組 5 個(gè) DRAM（單列、半通道）接收自己的獨(dú)立時(shí)鐘。為每個(gè)列和半通道提供一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘可提高信號(hào)完整性，有助于解決降低VDD引起的低噪聲容限問題（來自上表的變化#2）。

5. 更長(zhǎng)的Burst Length

第五個(gè)主要變化是Burst Length。DDR4 burst chop length為 4，burst length為 8。對(duì)于 DDR5，burst chop length和burst length將擴(kuò)展到 8 和 16，以增加突發(fā)有效載荷。burst length為 16 （BL16），允許單個(gè)burst 訪問 64 字節(jié)的數(shù)據(jù)，這是典型的 CPU cache line大小。它只能使用兩個(gè)獨(dú)立通道中的一個(gè)來執(zhí)行此操作。這顯著提高了并發(fā)性，并且具有兩個(gè)通道，具有更高的內(nèi)存效率。

6. DDR5 支持更高容量的 DRAM

第六個(gè)值得強(qiáng)調(diào)的變化是 DDR5 對(duì)更高容量 DRAM 設(shè)備的支持。借助 DDR5 buffer chip DIMMs，服務(wù)器或系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在單芯片封裝中使用高達(dá) 64 Gb 的密度 DRAM。DDR4 采用單芯片封裝 （SDP） 的最大容量為 16 Gb DRAM。DDR5 支持片上 ECC、錯(cuò)誤透明模式、封裝后修復(fù)以及讀寫 CRC 模式等功能，以支持更高容量的 DRAM。更高容量DRAM設(shè)備的影響顯然會(huì)轉(zhuǎn)化為更高容量的 DIMM。因此，雖然 DDR4 DIMM 的容量高達(dá) 64 GB（使用 SDP），但基于 DDR5 SDP 的 DIMM 是 DDR5 的四倍，達(dá)到 256 GB。

7. 配備 DDR5 的更智能的 DIMM

DDR5 服務(wù)器 DIMM 芯片組用SPD Hub IC 取代了 DDR4 SPD IC，并增加了兩個(gè)溫度傳感器 （TS） IC。SPD Hub具有集成的 TS，它與兩個(gè)分立的 TS IC 結(jié)合使用，提供來自 RDIMM 的三個(gè)熱遙測(cè)點(diǎn)。

借助 DDR5，芯片之間的通信總線升級(jí)到 I3C，其運(yùn)行速度比 DDR4 中使用的 I2C 總線快 10 倍。DDR5 SPD Hub處理從模塊到基板管理控制器 （BMC） 的通信。DDR5 SPD 集線器使用更快的 I3C 協(xié)議，可縮短初始化時(shí)間，并支持更高的輪詢率和實(shí)時(shí)控制。

從 SPD 集線器傳送到 BMC 的散熱信息可用于管理冷卻風(fēng)扇速度。現(xiàn)在可以更精細(xì)地管理 DRAM 刷新率，以提供更高的性能或更高的保留時(shí)間，如果 RDIMM 運(yùn)行過熱，可以根據(jù)需要限制帶寬以降低熱負(fù)載。

DDR5 的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是什么？

DDR5 的這些變化引入了許多設(shè)計(jì)考慮因素，以應(yīng)對(duì)更高的速度和更低的電壓，從而引發(fā)了新一輪的信號(hào)完整性挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員需要確保主板和 DIMM 能夠處理更高的信號(hào)速度。在執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)仿真時(shí)，需要檢查所有DRAM位置的信號(hào)完整性。

對(duì)于 DDR4 設(shè)計(jì)，主要的信號(hào)完整性挑戰(zhàn)在于雙數(shù)據(jù)速率 DQ 總線，而對(duì)低速命令地址 （CA） 總線的關(guān)注較少。對(duì)于 DDR5 設(shè)計(jì)，即使是 CA 總線也需要特別注意信號(hào)完整性。在 DDR4 中，考慮使用差分反饋均衡 （DFE） 來改進(jìn) DQ 數(shù)據(jù)通道。但對(duì)于 DDR5，RCD 的 CA 總線接收器也需要 DFE 選項(xiàng)，以確保良好的信號(hào)接收。

主板上的供電網(wǎng)絡(luò) （PDN） 是另一個(gè)考慮因素，包括帶有 PMIC 的 DIMM?？紤]到更高的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)速率，您需要確保 PDN 能夠處理以更高速度運(yùn)行的負(fù)載、良好的信號(hào)完整性以及為 DIMM 提供良好的清潔電源。

從主板到 DIMM 的 DIMM 連接器也必須處理新的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)速率。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，在印刷電路板 （PCB） 周圍的時(shí)鐘速度和數(shù)據(jù)速率較高的情況下，必須更加重視系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電磁干擾和兼容性（EMI 和 EMC）。

DDR5 內(nèi)存接口芯片組如何利用 DDR5 for DIMM 的優(yōu)勢(shì)？

好消息是 DDR5 內(nèi)存接口芯片提高了從主機(jī)內(nèi)存控制器發(fā)送到 DIMM 的命令和地址信號(hào)的信號(hào)完整性。兩個(gè)通道中每個(gè)通道的總線都流向 RCD，然后扇出到 DIMM 的兩半。RCD 有效地減少了主機(jī)內(nèi)存控制器看到的 CA 總線上的負(fù)載。

包括 SPD Hub 和 TS 在內(nèi)的擴(kuò)展芯片組可實(shí)現(xiàn)更智能的 DIMM，它可以在 DDR5 的更高數(shù)據(jù)速率下運(yùn)行，同時(shí)保持在所需的功率和散熱范圍內(nèi)。

Rambus 提供 DDR5 內(nèi)存接口芯片組，可幫助設(shè)計(jì)人員充分利用 DDR5 的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)應(yīng)對(duì)更高數(shù)據(jù)、CA 和時(shí)鐘速度帶來的信號(hào)完整性挑戰(zhàn)。Rambus 是業(yè)內(nèi)第一家提供 DDR5 RCD 至 5600 MT/s 的公司，并不斷提高其 DDR5 解決方案的性能，以滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。Rambus DDR5 RCD 現(xiàn)已達(dá)到 7200 MT/s 的性能水平。

審核編輯：劉清