DDR13和GDDR15全解析.doc

DDR1 3和GDDR1 5全解析DDR1-3和GDDR1-5全解析2010-12-16 23：34DDR1-3和GDDR1-5全解析2009-09-05 00：47：00通常大家所说的DDR-400、DDR2-800、DDR3-1600等，其实并非是内存的真正频率，而是业界约定俗成的等效频率，这些DDR1/2/3内存相当于老牌SDR内存运行在400MHz、800MHz、1600MHz时的带宽，因此频率看上去很夸张，其实真正的内核频率都只有200MHz而已！内存有三种不同的频率指标，它们分别是核心频率、时钟频率和有效数据传输频率。核心频率即为内存Cell阵列(Memory Cell Array，即内部电容)的刷新频率，它是内存的真实运行频率；时钟频率即I/O Buffer(输入/输出缓冲)的传输频率；而有效数据传输频率就是指数据传送的频率(即等效频率)。SDR和DDR1/2/3全系列频率对照表：常见DDR内存频率对照表通过上表就能非常直观的看出，近年来内存的频率虽然在成倍增长，可实际上真正存储单元的频率一直在133MHz-200MHz之间徘徊，这是因为电容的刷新频率受制于制造工艺而很难取得突破。而每一代DDR的推出，都能够以较低的存储单元频率，实现更大的带宽，并且为将来频率和带宽的提升留下了一定的空间。DDR1/2/3数据预取技术原理：SDRAM(Synchronous DRAM)：同步动态随机存储器之所以被称为同步，因为SDR内存的存储单元频率、I/O频率及数据传输率都是相同的，比如经典的PC133，三种频率都是133MHz。SDR在一个时钟周期内只能读/写一次，只在时钟上升期读/写数据，当同时需要读取和写入时，就得等待其中一个动作完成之后才能继续进行下一个动作。DDR(Double Date Rate SDRAM)：双倍速率同步动态随机存储器双倍是指在一个时钟周期内传输两次数据，在时钟的上升期和下降期各传输一次数据(通过差分时钟技术实现)，在存储阵列频率不变的情况下，数据传输率达到了SDR的两倍，此时就需要I/O从存储阵列中预取2bit数据，因此I/O的工作频率是存储阵列频率的两倍。DQ频率和I/O频率是相同的，因为DQ在时钟上升和下降研能传输两次数据，也是两倍于存储阵列的频率。DDR2(DDR 2SDRAM)：第二代双倍速率同步动态随机存储器DDR2在DDR1的基础上，数据预取位数从2bit扩充至4bit，此时上下行同时传输数据(双倍)已经满足不了4bit预取的要求，因此I/O控制器频率必须加倍。至此，在存储单元频率保持133-200MHz不变的情况下，DDR2的实际频率达到了266-400MHz，而(等效)数据传输率达到了533-800MHz。DDR3(DDR 3SDRAM)：第三代双倍速率同步动态随机存储器DDR3就更容易理解了，数据预取位数再次翻倍到8bit，同理I/O控制器频率也加倍。此时，在存储单元频率保持133-200MHz不变的情况下，DDR3的实际频率达到了533-800MHz，而(等效)数据传输率高达1066-1600MHz。内存位宽-SDR/DDR1/2/3单条内存都是64bit内存模组的设计取决于内存控制器(集成在北桥或者CPU内部)，理论上位宽可以无限提升，但受制因素较多：高位宽将会让芯片组变得十分复杂，对主板布线提出严格要求，内存PCB更是丝毫马虎不得，内存颗粒及芯片设计也必须作相应的调整。可谓是牵一发而动全身，所以多年来业界都是墨守成规，维持64bit的设计不变。相比之下，显卡作为一个整体就没有那么多的顾忌，只需重新设计GPU内部的显存控制器，然后PCB按照位宽要求布线，焊更多的显存颗粒上去就行了，虽然成本也很高但实现512bit并没有太大难度。多通道内存-双通道/三通道既然实现高位宽内存条太难，那么就退而求其次，让两条内存并行传输数据，同样可以让位宽翻倍。目前流行的双通道技术就是如此，北桥或者CPU内部整合了两个独立的64bit内存控制器，同时传输数据等效位宽就相当于128bit。Intel Nehalem核心CPU直接整合三通道内存控制器，位宽高达192bit。但由于CPU、主板、内存方面成本都增加不少，因此在主流Lynnfield核心CPU上面又回归了双通道设计。事实上服务器芯片组已经能够支持四通道内存，对服务器来说成本方面不是问题，只是对稳定性和容错性要求很高。内存颗粒位宽：4/8/16/32bit内存满足不了显卡的需求，显存应运而生1.GPU需要比CPU更高的带宽。GPU不像CPU那样有大容量二三级缓存，GPU与显存之间的数据交换远比CPU频繁，而且大多都是突发性的数据流，因此GPU比CPU更加渴望得到更高的显存带宽支持。位宽频率=带宽，因此提高带宽的方法就是增加位宽和提高频率，但GPU对于位宽和频率的需求还有其它的因素。2.显卡需要高位宽的显存。显卡PCB空间是有限的，在有限的空间内如何合理的安排显存颗粒，无论高中低端显卡都面临这个问题。从布线、成本、性能等多种角度来看，显存都需要达到更高的位宽。最早的显存是单颗16bit的芯片，后来升级到32bit，将来甚至还会有更高的规格出现。而内存则没有那么多要求，多年来内存条都是64bit，所以单颗内存颗粒没必要设计成高位宽，只要提高容量就行了，所以位宽一直维持在4/8bit。3.显卡能让显存达到更高的频率。显存颗粒与GPU配套使用时，一般都经过专门的设计和优化，而不像内存那样有太多顾忌。GPU的显存控制器比CPU或北桥内存控制器性能优异，而且显卡PCB可以随意的进行优化，因此显存一般都能达到更高的频率。而内存受到内存PCB、主板走线、北桥CPU得诸多因素的限制很难冲击高频率GDDR-显存和内存正式分家GDDR作为第一代专用的显存芯片，其实在技术方面与DDR没有任何区别，同样采用了2bit预取技术，理论频率GDDR并不比DDR高多少。不过后期改进工艺的GDDR有了优秀PCB的显卡支持之后，GDDR显存最高冲刺至900MHz，而DDR内存只能达到600MHz左右，显存和内存的差距从此逐渐拉开。TSOP封装的GDDR颗粒，外观规格特性都与DDR内存颗粒没有什么区别，所以在很多人看来GDDR与DDR是可以划等号的。其实两者还是有些差别：?GDDR采用4K循环32ms的刷新周期，而DDR采用8K循环64ms的刷新周期；?GDDR为了追求频率在延迟方面放的更宽一些，毕竟GPU对延迟不太敏感；?GDDR颗粒的容量小、位宽大，一般是816Bit(16MB)的规格，而DDR颗粒的容量大、位宽小，虽然也有16Bit的颗粒，但最常见的还是8Bit和4Bit，单颗容量32MB或64MB。MBGA封装的GDDR 32bit MBGA封装GDDR的单颗位宽首次达到了32Bit，从此就标志着GDDR与DDR正式分道扬镳，32Bit的规格被GDDR2/3/4/5一直沿用至今。GDDR显存的这两种封装：MBGA与TSOP构成的高低配，曾一度一统显卡市场。虽然GDDR已经退出历史舞台，但32Bit主攻中高端、16Bit主攻低端的局面，时至今日依然得到了延续。GDDR2第一版：短命的早产儿高压高发热GDDR源于DDR，GDDR2源于DDR2，而GDDR3在频率方面的表现又与DDR3比较相似，于是很多人认为GDDR3就是显存版的DDR3，这可是个天大的误区。GDDR3：一代王者GDDR3源于DDR2技术改进I/O接口，简化数据处理，控制功耗GDDR3的频率能达到现在这么高，其实并没有什么诀窍，凭借的就是不断改进的工艺制程，来暴力拉升频率。资历稍老点的玩家应该知道，GDDR3于2004年初次登台亮相时，6600GT的显存频率仅为1GHz，并不比GDDR2高，5年过去了，GDDR3从1GHz一路攀升至2GHz甚至2.5GHz，生命力得到了延续。144Ball MBGA封装，为了向下兼容GDDR和GDDR2 144Ball封装的GDDR3主要有2.0ns(1000MHz)和1.6ns(1250MHz)两种速度，1.4ns良率不高产量很小，最高频率止步于1400MHz。曾被7800GTX/GT、6800GS、6600GT、X850/X800/X700等显卡大量采用。由于144Ball封装及PCB电路限制了其频率的提升，很快GDDR3就改用了电气性能更好的136Ball FBGA封装。136Ball FBGA封装，频率容量节节攀升136Ball封装GDDR3的优势如下：?规格不再局限于8M32Bit一种，16M32Bit成为主流，目前32M32Bit已大量采用；?伴随着制造工艺的进步，额定电压从2.0V进一步降至1.8V，但一些高频颗粒可适当加压；?速度从1.4ns起跳，经过1.2ns、1.1ns、1.0ns一路发展至0.8ns、0.7ns，最快速度可突破2500MHz，但这是以牺牲延迟为代价的，好在GPU对延迟不太敏感；GDDR4的技术特性：?使用DDR3的8bit预取技术，以较低的核心频率达到更高带宽，但延迟增加；?采用数据总线转位技术(DBI，Data Bus Inversion，下文做详细介绍)，提高数据精度，降低功耗；?地址线只有GDDR3的一半，多余线用于电源和接地，有利于提升频率，但导致延迟增加；?采用多重同步码(Multi-Preamble)技术，解决了GDDR3存在的爆发限制(Burst Limitation)，从连续地址读取少量数据时的性能大幅提升；?电压从1.8V降至1.5V；?同频功耗下降75%，2400MHz的GDDR4功耗只有2000MHz GDDR3的一半；?采用136Ball FBGA封装，单颗32Bit，向下兼容GDDR3；GDDR5：恐怖的频率是如何达成的和GDDR4一样，GDDR5采用了DDR3的8bit预取技术，核心频率显然不是瓶颈，如何提升I/O频率才是当务之急。但GDDR5并没有让I/O频率翻倍，而是使用了两条并行的DQ总线，从而实现双倍的接口带宽。双DQ总线的结果就是，GDDR5的针脚数从GDDR3/4的136Ball大幅增至170Ball，相应的GPU显存控制器也需要重新设计。GDDR5显存拥有多达16个物理Bank，这些Bank被分为四组，双DQ总线交叉控制四组Bank，达到了实时读写操作，一举将数据传输率提升至4GHz以上！?数据和地址总线转位技术：信号质量高、功率消耗少在1Byte数据中的8个值中，如果超过一半的数值是0，那么GDDR5就会自动执行转位传输，把0变成1、1变成0，通过1个附加的DBI(数据总线转位值)来判定数据流是正位还是反位。GDDR5的这项技术是从GDDR4继承发展而来的。?智能的可编程I/O控制接口：简化PCB设计和成本自动校准引擎可以监控电压和温度变化，通过校验数据输出驱动器导通电阻与ODT终结电阻值来作出补偿，数据、地址、指令终结电阻都可以被软件或驱动控制。?数据遮盖技术：减轻数据总线压力GDDR5的Burst Length(对相邻存储单元连续进行数据传输的周期数)是8bit，也就是说GDDR5颗粒一次至少要传输256bit数据，但很多时候并不是所有的数据都需要被改写，导致无效的数据传输。为此，GDDR5使用了一项数据遮盖技术，通过地址线传输保护信息，所有被保护的数据在传输过程中就不会被改写，只有暴露的数据才会被写入新的数据。如此以来，GDDR5的数据线压力减轻不少，功耗发热也得到进一步控制。?误差补偿技术：提高传输效率，避免灾难性错误为了保证数据在高速传输过程中的有效性，GDDR5新增一项错误侦测与修正技术。GDDR5使用了成熟的CRC(循环冗余校验)，通过DQ和DBI总线，实时检查错误，第一时间重新发送数据。这项技术对于高频率传输数据尤为重要，它能有效的减少数据传输错误导致系统崩溃的概率，大幅减少了由超频或高温导致的一系列问题，而且能够一定程度上提升数据传输效率。?折叠模式：32bit颗粒当作16bit用GDDR5作为高端显卡专用的显卡，只有32bit的颗粒。由于GDDR5拥有两条并行的数据总线，这就使得GDDR5的工作模式变得更加灵活，它既可以工作在32bit模式下也可以工作在16bit模式下。这样一个32bit显存控制器就可以控制两颗GDDR5显存，显存容量可以轻松翻倍。之前我们分析过，TSOP封装的GDDR1还有gDDR2显存，其实在技术上与DDR1/2内存没有本质区别，高位宽(16bit)的内存颗粒可以直接当作显存使用。随着DDR3颗粒大量投产，成本接近DDR2，于是在DDR3内存取代DDR2的同时，也将顺便取代老旧的gDDR2。gDDR3：把内存颗粒改装成显存用以目前的情况来看，DDR3比gDDR2频率高很多，但成本比GDDR3要低，所以gDDR2被取代是板上钉钉的事。AMD率先将DDR3使用在了显卡上，随后得到了业界的一致认可。为了和DDR3内存颗粒区分，DRAM厂将其称为Graphics DDR3 SDRAM，简写为gDDR3，和DDR3内存颗粒一样都是8bit预取技术，单颗16bit，定位中低端显卡；而传统的GDDR3则是Graphics GDDR3 SDRAM的简写，它和DDR2内存一样采用了4bit预取技术，单颗32bit，定位中高端显卡。gDDR3源于DDR3，技术特性上没有区别，主要在封装上面。gDDR3作为对显卡优化的版本，单颗16bit FBGA 96Ball封装；而DDR3多为单颗4/8bit，封装是78/82Ball。也有少数DDR3使用了16bit FBGA 96Ball封装，由于位宽太大仅用于特殊场合。在前文的内存部分，关于内存颗粒的位宽、通道、Bank等做了一些介绍，这些技术参数对于显存同样适用，但显存也有自己的一套规格定义，下面就逐一介绍：规格：16M32Bit是什么意思?当您浏览网站或者查看显卡规格时，往往都会看到类似某某显卡使用了4颗16M32Bit的GDDR3显存这样的文字，这其中16M32Bit就是该显存颗粒的主要规格，是国际统一的命名标准，可以到存储厂商官方网站上查到。16M32Bit中，16M表示显存存储单元的容量为16Mbit，32Bit是单颗显存的数据位宽，这种标称不容易理解，需要经过换算才能得到符合我们使用习惯的规格。容量：单颗显存容量=存储单元容量数据位宽?以最常见的16M32bit GDDR3显存为例，1632?=64MB，一颗显存就是64MB的容量，那么这块显卡用了4颗显存就组成了256MB。很多人可能会纳闷上面的公式中为何要除以8，因为官方规格中的16M的单位是Megabit(兆位)而不是MegaByte(兆字节)，它两之间的换算需要除以8。速度：显存理论频率=1000?时钟周期2大家常说某某显卡采用了1.4ns颗粒，另一个显卡用了更快的1.2ns颗粒，超频更猛等等这个1.2ns就是显存的时钟周期，同样的我们需要换算成更容易理解的数字。套用以上公式，我们来算算主流规格显存的理论频率是多少：2.0ns颗粒=1000?.02=1000MHz=1.00GHz 1.6ns颗粒=1000?.62=1250MHz=1.25GHz 1.4ns颗粒=1000?.42=1429MHz1.40GHz 1.2ns颗粒=1000?.22=1667MHz1.65GHz 1.1ns颗粒=1000?.12=1818MHz1.80GHz 1.0ns颗粒=1000?.02=2000MHz=2.00GHz 0.8ns颗粒=1000?.82=2500MHz=2.50GHz为什么要乘以2，因为DDR系列存储颗粒属于双倍传输，在工作频率和数据位宽相同的情况下，显存带宽是SDRAM的2倍，因此大家习惯于在基础频率上乘2，超高的频率确实比较好看。位宽：显存位宽=单颗显存数据位宽显存数量这个不难理解，比如显卡使用了4颗16M32bit GDDR3显存，那么位宽就是32bit4=128bit。需要注意的是，并非所有情况下这个公式都成立，除了显存数量之外，GPU显存控制器的位宽决定了显卡位宽上限。低端显卡核心拥有128Bit显存控制器，因此4颗GDDR3显存就能满足位宽需求，即便PCB上集成了8颗显存，显卡位宽依然是128bit。如果是中端显卡的话，8颗显存正好是256Bit，与核心相吻合。带