DDR4能否引领新一轮存储变革?

2015-02-03 |  作者:徐文芝 |  来源:新浪科技 |  查看原文

摘要台湾的DRAM产业曾经是台湾科技界指标性产业,但近几年DRAM的供需市场产生很大的变化。

标准DDR4模块展示(图片来源:www.techradar.com)

文/徐文芝

台湾的DRAM产业曾经是台湾科技界指标性产业,但近几年DRAM的供需市场产生很大的变化。

2013年美光(Micron Technology Group)并购日本内存大厂尔必达(Elpida)后,全球DRAM生产几乎由前三大公司:三星(Samsung)、海力士(SK Hynix)以及美光所霸占,侥幸存活的少数厂商只能转而帮其他大厂代工,或是改为生产具有市场利基的产品。如今行动装置与物联网重新带动DRAM市场需求,朝向更小、更省电的方向迈进,若能掌握这股新趋势,未来台湾厂商在内存产业还是大有可为。

动态随机存取内存(Dynamic Random-Access Memory,DRAM)是常见的内存组件。在处理器相关运作中,DRAM经常被用来当作数据与程序的主要暂存空间。相对于硬盘或是闪存(Flash Memory),DRAM具有访问速度快、体积小、密度高等综合优点,因此广泛的使用在各式各样现代的科技产品中,例如计算机、手机、游戏机、影音播放器等等。

自1970年英特尔(Intel)发表最早的商用DRAM芯片-Intel 1103开始,随着半导体技术的进步与科技产品的演进,DRAM标准也从异步的DIP、EDO DRAM、同步的SDRM(Synchronous DRAM)、进展到上下缘皆可触发的DDR DRAM(Double-Data Rate DRAM)。

每一代新的标准,目的不外乎是针对前一代做以下的改进:单位面积可容纳更多的内存、数据传输的速度更快、以及更少的耗电量。更小、更快、更省电,是半导体产业永不停息的追求目标,当然DRAM也不例外。

固态技术协会(JEDEC)于2012年9月正式公布最新的DDR DRAM标准,DDR4(第四代DDR DRAM)。距上一代DDR DRAM,也就是DDR3的发表,已有5年之久。

对于产品日新月异,瞬息万变的科技业而言,5年是非常久的时间。2007年6月第一代iPhone问世,同年DRAM产业宣布DDR3时代来临;到了2012年,iPhone都已经推进到iPhone5了,DRAM才正式进入DDR4,相比之下DRAM的进步不得不说相当缓慢。

随着行动装置的盛行,个人计算机市场逐渐式微,加上缺乏可以刺激消费者积极更新设备的应用程序,这些因素都降低了大众对新一代DRAM标准的渴望。

即使新标准看起来有更多优点,但无法激起消费者的购买欲望,就没有市场,新一代DRAM的需求若不显著,DRAM厂对于投入资金研发新技术的意愿就显得意兴阑珊,新标准的制定也就不那么急迫了。

DDR4 PK DDR3

即使缓步前进,DDR4终究还是来到大家的面前。新的标准必定带来新的气象,让我们来看看DDR4与DDR3有什么不同之处:

图二:DDR4标准与DDR3标准简单对照表(数据源:http://www.micron.com/products/dram/ddr3-to-ddr4)

储存容量:单一的DDR4芯片拥有比DDR3多一倍的储存空间,而每个DDR4模块(module)最多可搭载8个DDR4芯片,比DDR3多一倍。也就是说,DDR4模块的最大容量比DDR3多4倍。主板上相同的位置,DDR4可容纳更大的内存容量;换个角度来说,在容量需求不变的情况下,DDR4所需的空间比DDR3要小。

传输速度:DDR3的传输速度从800MHz(MHz=每秒百万次)到2188MHz不等;而DDR4的传输速度从2188MHz起跳,目前的规格定义到3200MHz,将来可望达到4266MHz。

耗电量:省电是DDR4最明显的改进之处。DDR3所需的标准电源供应是1.5V(伏特,电压单位)而DDR4降至1.2V,专门为行动装置设计的低功耗DDR4(LPDDR4)更降至1.1V。除了降低工作电压,DDR4支持深度省电模式(Deep Power Down Mode),在暂时不需要用到内存的时候可进入休眠状态,无须更新内存(Refresh),可进一步减少待机时功率的消耗。

图三:DDR4 vs. DDR3的标准化能量消耗(图表来源:http://www.extremetech.com)

除了上述的三个主要部份外,DDR4还支持命令/地址总线上的同位核对(parity check),以及在数据写入时,数据总线上支持循环冗余检验(CRC)等功能,以自动侦错的方式来避免因讯号干扰而导致不正确的命令或数据被写入内存,增加高速传输时数据的完整性。

DDR4应用限制

世上没有白吃的午餐。虽说DDR4具有上述的优点,但在应用上却有额外的负担。

首先,跟DDR3相比,DDR4读写指令需要更长的启动时间周期(Read Latency或Write Latency,也就是读写指令下达后,需花费多少时间周期,数据才会出现在接口上)。因此在相同频率下,DDR4的读写效率会比DDR3低。这其实是可以理解的。随着半导体制程技术的提升,内存对外的接口逻辑电路的速度也越变越快(+微信networkworldweixin),但内存内部的反应速度却没有增加,因此对外部的控制电路而言,DDR4的读写指令需要更长的时间周期才能被启动。换句话说,DDR4的输入频率频率或许可以比DDR3快上一倍,但内存的反应速度并没有增快一倍,因此只好定义更多的读写起始周期来因应。若因为系统的限制,使得DRAM的输入频率无法达到太高的频率时,DDR3的读写效率会比DDR4来得好。其实从DDR2进展到DDR3时也有类似的问题发生。新一代的内存在刚推出的时候,价格不但偏高,同频操作下的效率又比旧型内存差,总要过一段时间,市场对高速内存的需求升高,再加上产能提升带动单位内存价格的下降,才会真正达到世代交替。

其次,DDR3有8个独立内存组(bank),每个bank可独立接收读写指令。控制DRAM的逻辑电路若妥善安排内存地址,可以减少相邻读写指令间等待的时间,降低数据总线额外闲置的机率,提高传输的效能。DDR4虽然增加内存组数为16,但却加入内存群组(bank group)的限制。不同bank但若属于同一个bank group,连续读写指令间必须增加等待时间周期,造成数据总线的闲置机率升高,传输效能降低。在此种限制下,如何充分利用数据总线以达成最高效率,对于控制DDR4的逻辑电路设计是新的挑战。

目前各DRAM大厂已陆续推出DDR4的内存模块,英特尔最新个人计算机旗舰平台—Haswell-E搭配X99芯片组全面支持DDR4,价格上比相似规格的DDR3贵上20~50%,实际使用起来却感受不到太大的差别。其实内存的执行速度虽然重要,多数情况下并不是系统效能的瓶颈所在。因此,价格如果不能大幅降低,对桌面计算机的消费者而言,改用DDR4的诱因不大。

图四:2014Q1~Q2全球品牌DRAM营收排行表数据源:DRAMeXchange,Aug,2014

图五:品牌DRAM各国市占率数据源:DRAMeXchange,Aug,2014

行动DRAM兴起带动市场需求

近几年DRAM的供需市场产生很大的变化。 2013年美光(Micron Technology Group)并购日本内存大厂尔必达(Elpida)后,全球DRAM生产几乎由前三大公司:三星(Samsung)、海力士(SK Hynix)以及美光所霸占,小厂只能挑选大厂已经淘汰的小众市场勉强维持(详见图四)。而低功耗的行动DRAM(mobile DRAM)逐渐取代标准型DRAM,成为DRAM产业最重要的市场。根据DRAMeXchange所做的统计,苹果公司(Apple Inc)已是全球DRAM最大采买商,预计2015苹果的产品将占用全球25%的DRAM产能。

DRAMeXchangee更进一步预测,2014年行动DRAM占整体DRAM产出的36%,2015年有机会突破40%大关。由此趋势看来,未来几年,行动内存大有机会取代标准型DRAM,成为最大的DRAM产出。目前高阶智能型手机或平板计算机上的DRAM配备容量大约是1GB~2GB,对省电方面的要求更加严格。今(2015)年多家手机大厂新推出的旗舰型智慧手机计划将搭载低功耗的行动DDR4(LPDDR4),加上苹果新一代iPhone与iPad将提高内建DRAM容量,预期LPDDR4将比标准DDR4更快普及。看准行动DRAM的商机,DRAM三大厂纷纷宣布设置新设备来增加行动DRAM的产量。在标准型DRAM方面,虽然个人计算机市场需求下滑,但近年来云端运算与云端数据储存应用的崛起,带动服务器设备需求逐年攀升,服务器DRAM也跟着稳定成长,成为标准型DDR4切入市场的契机。

以DRAM的基本结构(一个电容和一个晶体管组合成一个记忆单元)来看,未来在速度与耗电量的改进空间不大,产学界早已积极开发类似的内存架构,例如Z-RAM、TTRAM等,DDR4会不会是末代DRAM标准,谁也无法预测。

台湾的DRAM产业曾经是台湾科技界指标性产业,但经过10多年的巨额投资,终究还是敌不过韩国与美国大厂,在下一个DRAM周期的春天来临前就黯然退出主要竞赛行列。侥幸存活的少数厂商只能转而帮其他大厂代工,或是改为生产不被大厂青睐、市场规模较小的产品。如今内存整体市场已经跟10年前大不相同。行动装置与物联网所带动的市场需求,明显地朝向更小、更省电的方向,而非一昧着重在速度跟效率上。若能好好掌握这股新的趋势,未来台湾厂商在内存产业还是大有可为。

作者:

徐文芝

现任:

北美智权

教育训练处研发创新顾问

经历:

美国Marvell公司资深工程师、美国普渡大学电机工程硕士。专精技术领域:数字IC设计、图像处理、内存控制、系统芯片设计

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