從1998年三星生產(chǎn)出最早的商用DDR SDRAM芯片到現(xiàn)在差不多已經(jīng)過去20多年了，DRAM市場(chǎng)一直在發(fā)展，從DDR到DDR2，DDR3，DDR4，然后是即將進(jìn)入市場(chǎng)的DDR5。今天我們來聊一下DDR的JEDEC規(guī)范。

什么是JEDEC？

JEDEC全稱：JointElectron Device Engineering Council JEDEC是一個(gè)全球性的固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)組織，理論上不隸屬于任何一個(gè)國(guó)家或者政府實(shí)體，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)制定標(biāo)準(zhǔn)。包括很多方面，今天我們只關(guān)注DDR的相關(guān)規(guī)范。 DDR的開發(fā)是從1996年開始，對(duì)應(yīng)JEDEC的規(guī)范 JESD79于2000年發(fā)布。JEDEC規(guī)范由兩部分組成，一個(gè)是針對(duì)memory chip，另外一個(gè)是memory module。當(dāng)然，隨著RDIMM，LRDIMM的興起，JEDEC相對(duì)應(yīng)的制定出了RCD和Data Buffer的規(guī)范。我們今天主要聊JEDEC的SDRAM規(guī)范，也就是JESD79系列, 這里大家需要注意的是這個(gè)規(guī)范是針對(duì)DRAM芯片的，而不是內(nèi)存條。有興趣的同學(xué)可以去JEDEC網(wǎng)站上去下載相對(duì)應(yīng)的規(guī)范，規(guī)范最后面的字母代表版本，比如JESD79-4C的C就代表目前針對(duì)DDR4 SDRAM的規(guī)范的版本是C。而JESD79后面的數(shù)字就代表了是DDR第幾代。目前JEDEC網(wǎng)站上針對(duì)DDR5 SDRAM的規(guī)范還在制定當(dāng)中，如果繼續(xù)按照這個(gè)命名規(guī)律的話，應(yīng)該是JESD79-5。

JEDEC的網(wǎng)站：www.jedec.org

下面這個(gè)表列舉了JEDEC 規(guī)范從DDR到DDR5的主要變化，我們可以看到，為了配合整體行業(yè)對(duì)于性能，容量和省電的不斷追求，規(guī)范的工作電壓越來越低，芯片容量越來越大， IO的速率也越來越高。雖然目前DDR5的JEDEC規(guī)范還沒有正式出臺(tái)，但是我們可以從這個(gè)趨勢(shì)以及現(xiàn)有網(wǎng)上的資料得到相同的結(jié)論。

表 (一)

聲明：目前DDR5的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)還沒有正式發(fā)布，因此這里所有的DDR5相關(guān)的數(shù)據(jù)來自于網(wǎng)上公開的數(shù)據(jù)，后續(xù)以JEDEC發(fā)布為準(zhǔn)。同時(shí)，從DDR5開始，每根內(nèi)存上有兩個(gè)獨(dú)立的通道。

從上面的表里面我們還可以看到，除了電壓，容量和IO的速率變化之外，還列出了Bank，Bank Group，Prefetch和Burst Length的演進(jìn)，bank數(shù)越來越多，到DDR4出現(xiàn)bank group，prefetch也從2n增加到4n，8n。那么這些變化之間有什么聯(lián)系嗎？DDR5又會(huì)有什么樣的變化？要了解這些，我們需要回顧一下SDRAM的基本讀寫操作，以及DRAM的核心頻率和IO頻率。

Prefetch和burst length

雖然我們說現(xiàn)在DDR4的最大速率是3200MT/s, 但是這是指的DDR4的IO頻率，即DDR4和memroy controller之間的接口數(shù)據(jù)傳輸速率。那么DRAM是怎么實(shí)現(xiàn)用比較低的核心傳輸頻率來滿足日益高漲的高速IO傳輸速率的需求呢？這就是靠prefetch來實(shí)現(xiàn)的。

表 (二)

從DDR開始到DDR3很好理解，Prefetch相當(dāng)于DRAM core同時(shí)修了多條高速公路連到外面的IO口，來解決IO速率比內(nèi)部核心速率快的問題，IO數(shù)據(jù)速率跟核心頻率的倍數(shù)關(guān)系就是prefetch。那么這么一路增加prefetch，到了DDR4為什么不繼續(xù)增加prefetch了呢？因?yàn)閜refetch的增加對(duì)應(yīng)的就是burst length的有可能相應(yīng)增加。怎么理解prefetch和burst length之間的關(guān)系呢？Prefetch跟DRAM核心頻率和IO頻率之間的比例相關(guān)，而burst length的長(zhǎng)度跟CPU的cache line大小有關(guān)。Burst length的長(zhǎng)度有可能大于或者等于prefetch。但是如果prefetch的長(zhǎng)度大于burst length的長(zhǎng)度，就有可能造成數(shù)據(jù)浪費(fèi)，因?yàn)镃PU一次用不了那么多。所以從DDR3到DDR4，如果在保持DDR4內(nèi)存data lane還是64的前提下，繼續(xù)采用增加prefetch的方式來提高IO速率的話，一次prefetch取到的數(shù)據(jù)就會(huì)大于一個(gè)cache line的大小 （512bits），對(duì)于目前的CPU系統(tǒng)，反而會(huì)帶來性能問題。那么DDR4是怎么解決的呢？

Bank Group

我們注意到在表一里面，到了DDR4出現(xiàn)了Bank Group,這就是DDR4在不改變prefetch的情況下，能繼續(xù)提升IO速率的秘密武器。DDR4利用Bank group的interleave，實(shí)現(xiàn)IO速率在DDR3基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升。

圖一：DDR1

圖二：DDR2

圖三：DDR3

圖四：DDR4

從上面的圖四中可以看到，每個(gè)bank group有自己的global IO，這樣就可以利用bank group的interleave來進(jìn)一步解決內(nèi)部速度和外部速度不匹配的問題。相當(dāng)于在DDR3的基礎(chǔ)上繼續(xù)修了并行的相對(duì)比較慢的高速公路搭到外面的超高速單行道。 到了DDR5，我們還能繼續(xù)利用Bank Group的interleave來實(shí)現(xiàn)提升IO速率的目的嗎？如果繼續(xù)這樣做的話，對(duì)于速率提升的效果就很有限，所以到了DDR5還是走到了增加prefetch的方向。DDR5的prefetch是16，那么怎么解決我們前面提到的cache line大小的問題呢？DDR5采取的方式是減少DIMM data lane的數(shù)量，從64個(gè)data lane降低到32個(gè)data lane，從而繼續(xù)保持64 Byte的cache line大小。 從以上JEDEC DDR到DDR4的發(fā)展歷史，我們可以看到，DRAM的演進(jìn)就是在為CPU系統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)的基礎(chǔ)上，圍繞著成本、降低電源消耗、加大容量、提高IO速率來不斷演進(jìn)。基于DRAM操作的原理，最大化的提高DRAM的使用率。因此，我們也可以看到DDR5提供了更多的bank數(shù)量和更加細(xì)化的refresh粒度等等，這些都是為了物盡其用，提高系統(tǒng)性能。我們?cè)诤罄m(xù)的文章中，會(huì)繼續(xù)介紹DRAM的基本性能以及DDR5的新功能。

最后留給大家的問題：對(duì)于DDR4，bank group與group之間是tCCD_L還是tCCD_S?為什么？