DDR5内存规范和关键特性

内存技术也经历着不断更新迭代，如今，双倍数据速率（DDR）同步动态随机存取存储器（SDRAM 或直接称为 DRAM）技术，已成为几乎所有从高性能企业数据中心到注重功耗/面积的移动应用中的普遍的存储器。这一切都要归功于DDR 的高密度特性，其采用了电容器作为存储元件的简单架构具有高性能、低延迟、高访问寿命以及低功耗等特点。

内存接口芯片是内存模组（又称内存条）的核心器件。作为服务器CPU 存取内存数据的必由通路，其主要作用是提升内存数据访问的速度及稳定性，满足服务器CPU 对内存模组日益增长的高性能及大容量需求。内存接口芯片应用于服务器内存条，在按技术进行的产品分类上遵循内存接口芯片技术标准，主要为 JEDEC（全球微电子产业的领导标准机构）之DDR 标准，例如DDR2，DDR3，DDR4，DDR5 等。

JEDEC（固态技术协会）定义中开发了三种 DDR 标准：标准DDR、移动 DDR 和图形 DDR，来帮助设计人员满足对内存的要求。JEDEC 目前在 DDR 类别中的最新一代是DDR5。随着JEDEC技术协会发布存储器标准DDR5 SDRAM的最终规范，这将标志着计算机存储器开发的一个重要里程碑。自90年代末以来，DDR的最新版本一直在驱动PC，服务器以及所有产品之间的发展，DDR5再次扩展了DDR内存的功能，使峰值内存速度提高了一倍，同时也大大增加了内存大小。

DDR5 将以较之 DDR4 更低的 I/O 电压 (1.1V) 和更高的密度（基于 16Gb DRAM 晶粒）支持更高的数据速率（高达 6400 Mb/s）。DDR5 DRAM 和双列直插式存储模块 (DIMM) 有望于今年投放市场。

本文概述了 DDR5 DRAM 的几个主要功能，设计人员可以将其部署在服务器、云计算、网络、笔记本电脑、台式机和消费类应用等类型的片上系统 (SoC) 中。

什么是标准 DDR？

具备高密度和高性能的标准 DDR DRAM 有各种型号和外形尺寸，支持 4 (x4) 或 8 (x8) 或 16 (x16) 位的数据宽度。终端应用可以将这些存储器用作分立式 DRAM 或 DIMM。

DIMM 是一款带有多个 DRAM 芯片的印刷电路板 (PCB) 模块，支持 64 或 72 位数据宽度。72 位 DIMM 称为纠错码 (ECC) DIMM，除支持 64 位数据外，还支持 8 位 ECC。

服务器、云和数据中心应用通常使用基于 4 个 DRAM 的 72 个 ECC DIMM，在获得更高密度的 DIMM 的同时还可支持更高的 RAS（可靠性、可用性、可维护性）功能。除此之外，这样的ECC DIMM还能缩短此类应用在存储器发生故障时的停机时间。

对比其他 8 bit 和 16 bit DRAM 的 DIMM 来说，这种方案价格较为便宜，所以此类产品被广泛用于台式机和笔记本电脑中。与此同时，还可以将这些存储器当作分立式 DRAM 来使用。因此，与其他 DDR 类别方案相比时，标准 DDR 通道宽度的灵活性就是其最大的优势。

DDR5 究竟有什么魅力？

与 DDR4 相比，DDR5 新增特征包括：突发长度增加到16拍，其出色的刷新/预充电方案可实现更高的性能，可提高通道利用率的双通道 DIMM 架构，可在DDR5 DIMM 上集成稳压器，可增加的存储区分组，以及可命令/地址片内端接电阻 (ODT）等多种优势。表1将 DDR5 和 DDR4 DRAM/DIMM 的功能进行了对比。

表1：DDR5 对比 DDR4 DRAM/DIMM

除性能更强之外，DDR5 还引入多种 RAS 功能，以保持通道提速后的稳定性。这些 DDR5 通道稳定性的功能包括：占空比调节器 (DCA)、片上 ECC、DRAM 接收 I/O 均衡、RD 和 WR 数据的循环冗余校验 (CRC) 以及内部 DQS 延迟监控。以下是对这些功能的详细说明：

1. 用于补偿占空比失真的占空比调节器 (DCA)

占空比调节器支持主机通过调节 DRAM 内部的占空比来补偿所有 DQS（数据选通）/DQ（数据）引脚上的占空比失真。因此，DCA 功能巩固了读取数据的稳定性。

2. 强化 RAS 的片上 ECC

DDR5 DRAM 为每 128 位数据设置 8 位的 ECC 存储空间，使得片上 ECC 具有强大的 RAS 功能，可以保护存储器阵列免受单个数位错误的影响。

3. DRAM 获得 DQ 均衡以增加裕量

DDR5 DRAM 和 LPDDR5 DRAM 一样，也支持 WR 数据均衡。该功能在 DRAM 端为 WR DQ 打开了新的局面，不仅可以保护通道免受符号间干扰 (ISI) 的影响，增加裕量，还可实现更高的数据速率。

4. RD/WR 数据的循环冗余校验 (CRC)

DDR4 仅支持写数据使用的 CRC，而 DDR5 将 CRC 的适用范围扩展到读数据，从而提供额外保护，避免通道出错。

5. 内部 DQS 延迟监控

内部 DQS 延迟监控机制支持主机调整 DRAM 延迟来补偿电压和温度变化。以 DDR5 速度运行的主机可以使用此功能定期重新训练通道，补偿 DRAM 中延迟引起的 VT 变化。

6. DDR5带来的挑战

从DDR的发展图中可以看到，DDR的传输速率在成倍提升，而其迭代速度也在不断加快。

DDR5的速率最高超过8.4GT/s，达到了前代DDR4最高速率的两倍。更高的速率，带来出色性能的同时，不可避免的提升了设计的困难。

• DDR信号较多，走线较为密集，随着信号速率的增加，传输线之间的串扰也会随之增加。

• 除了串扰外，抖动也是不能被忽视的问题。

• 由于传输线的频率选择特性，频率越高，传输线的插入损耗也会随之增加，信号的衰减和码间干扰的现象也会更加严重。

总结

为满足目标应用的要求，设计人员在为自己的设计选择最佳片外存储器技术时DDR 已成为了必选技术方案之一。从最早的400 Mbps 的 DDR 发展到了当今的 6400 Mbps 的 DDR5，每一代 DDR 的数据速率都翻倍增长。

随着内核数量的增加，DDR5 提供了更高的密度（包括双通道 DIMM 拓扑），从而保证通道效率和其性能，这些优势对于适合服务器、云计算、网络、笔记本电脑、台式机和消费类等应用的 SoC 最为重要。无论设计人员选择哪种 DDR DRAM 技术，都必须在 SoC 中部署兼容的接口 IP 解决方案，以实现与 DRAM 之间的必要连接。