DDR1-3和GDDR1-5全解析.doc

ddr1-3和gddr1-5全解析目前cpu用的内存正在从ddr2向ddr3过渡，而gpu用的显存则是以gddr2/3为主、跳过gddr4、直奔gddr5而去。或许很多朋友一时还难以接受gddr5那夸张的频率、不明白gddr相比ddr发展速度为何如此“超前”、甚至搞不清楚gddr1/2/3/4/5和ddr1/2/3之间“说不清道不明”的关系。 如果您是一位求知欲很强的电脑爱好者，那么本文非常适合您，笔者特意搜集了大量官方技术文档，为大家献上内存和显存鲜为人知的奥秘近年来cpu（中央处理器）和gpu（图形处理器）的发展速度之快让人目不暇接，新产品的运算能力成倍提升，此时就对内存子系统提出了严峻的需求，因为cpu/gpu运算所需的数据和生成的数据都是来自于内存/显存，如果存储速度跟不上，那么就会浪费很多时间在数据等待上面，从而影响cpu/gpu的性能发挥。 为了让内存/显存不至于造成瓶颈，芯片厂商都在想方设法的提高带宽：amd和intel相继将内存控制器整合在了cpu内部，大大降低了延迟并提高存储效率，intel旗舰级cpu能够支持三通道内存，带宽提升50%；ati和nvidia也先后使用了512bit的显存控制器，总带宽倍增。 是何原因导致业界三大巨头如此大费周折呢？这是因为内存技术的发展速度，其实并不如大家想象中的那么快，受到很多技术难题和传统因素的制约，本文就对内存和显存的发展历程及相关技术进行详细分析。 内存的存取原理及难以逾越的频障：在半导体科技极为发达的台湾省，内存和显存被统称为记忆体（memory），全名是动态随机存取记忆体（dynamic random access memory，dram）。基本原理就是利用电容内存储电荷的多寡来代表0和1，这就是一个二进制位元（bit），内存的最小单位。dram的存储单元结构图 dram的结构可谓是简单高效，每一个bit只需要一个晶体管加一个电容。但是电容不可避免的存在漏电现象，如果电荷不足会导致数据出错，因此电容必须被周期性的刷新（预充电），这也是dram的一大特点。而且电容的充放电需要一个过程，刷新频率不可能无限提升（频障），这就导致dram的频率很容易达到上限，即便有先进工艺的支持也收效甚微。 “上古”时代的fp/edo内存，由于半导体工艺的限制，频率只有25mhz/50mhz，自sdr以后频率从66mhz一路飙升至133mhz，终于遇到了难以逾越的障碍。此后所诞生的ddr1/2/3系列，它们存储单元官方频率（jedec制定）始终在100mhz-200mhz之间徘徊，非官方（超频）频率也顶多在250mhz左右，很难突破300mhz。事实上高频内存的出错率很高、稳定性也得不到保证，除了超频跑简单测试外并无实际应用价值。 既然存储单元的频率（简称内核频率，也就是电容的刷新频率）不能无限提升，那么就只有在i/o（输入输出）方面做文章，通过改进i/o单元，这就诞生了ddr1/2/3、gddr1/2/3/4/5等形形色色的内存种类，首先来详细介绍下ddr1/2/3之间的关系及特色通常大家所说的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。 sdr和ddr1/2/3存储原理示意图： 虽然存储单元的频率一直都没变，但内存颗粒的i/o频率却一直在增长，再加上ddr是双倍数据传输，因此内存的数据传输率可以达到核心频率的8倍之多！通过下面的示意图就能略知一二：那么，内存io频率为什么能达到数倍于核心频率呢？相信很多人都知道，ddr1/2/3内存最关键的技术就是分别采用了2/4/8bit数据预取技术（prefetch），由此得以将带宽翻倍，与此同时i/o控制器也必须做相应的改进。 ddr1/2/3数据预取技术原理： 预取，顾名思义就是预先/提前存取数据，也就是说在i/o控制器发出请求之前，存储单元已经事先准备好了2/4/8bit数据。简单来说这就是把并行传输的数据转换为串行数据流，我们可以把它认为是存储单元内部的raid/多通道技术，可以说是以电容矩阵为单位的。内存数据预取技术示意图：并行转串行 这种存储阵列内部的实际位宽较大，但是数据输出位宽却比较小的设计，就是所谓的数据预取技术，它可以让内存的数据传输频率倍增。试想如果我们把一条细水管安装在粗水管之上，那么水流的喷射速度就会翻几倍。 明白了数据预取技术的原理之后，再来看看ddr1/2/3内存的定义，以及三种频率之间的关系，就豁然开朗了： 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（ddr3sdram）：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。 综上可以看出，ddr1/2/3的发展是围绕着数据预取而进行的，同时也给i/o控制器造成了不小的压力，虽然存储单元的工作频率保持不变，但i/o频率以级数增长，我们可以看到ddr3的i/o频率已逼近1ghz大关，此时i/o频率成为了新的瓶颈，如果继续推出ddr4（注意不是gddr4，两者完全不是同一概念，后文会有详细解释）的话，将会受到很多未知因素的制约，必须等待更先进的工艺或者新解决方案的出现才有可能延续ddr的生命。前面介绍的是关于历代内存的技术原理，可以说是比较微观的东西，反映在宏观上，就是常见的内存颗粒及内存条了，这都是些看得见摸得着的东西，但有些概念还是不容易理解，这里一一进行说明： 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 理论上，完全可以制造出一颗位宽为64bit的芯片来满足一条内存使用，但这种设计对技术要求很高，良品率很低导致成本无法控制，应用范围很窄。 所以内存芯片的位宽一般都很小，台式机内存颗粒的位宽最高仅16bit，常见的则是4/8bit。这样为了组成64bit内存的需要，至少需要4颗16bit的芯片、8颗8bit的芯片或者16颗4bit的芯片。 而显卡对位宽要求很高，容量反而退居其次，所以显存颗粒的位宽普遍比内存颗粒大（这就是显存和内存主要区别之一），比如gddr3/4/5颗粒都是32bit，4颗就能满足低端卡128bit的需要，8颗可以满足高端卡256bit的需要；而低端gddr2颗粒为16bit，需要8颗才能组成低端卡128bit的需要。 内存芯片的逻辑bank 在芯片的内部，内存的数据是以bit为单位写入一张大的矩阵中，每个单元称为cell阵列，只要指定一个行一个列，就可以准确地定位到某个cell，这就是内存芯片寻址的基本原理。这个阵列我们就称为内存芯片的bank，也称之为逻辑bank（logical bank）。 不可能只做一个全容量的逻辑bank，因为单一的逻辑bank将会造成非常严重的寻址冲突，大幅降低内存效率。所以大容量内存颗粒都是由多个逻辑bank叠加而成的。简单来说，我们可以把一个bank看作是一片平面的矩阵纸，而内存颗粒是由多片这样的纸叠起来的。 一个bank的位宽就是内存颗粒的位宽，内存控制器一次只允许对一个bank进行操作，由于逻辑bank的地址线是公用的，所以在读写时需要加一个逻辑bank的编号，这个动作被称为片选。 内存条的物理bank 内存控制器的位宽必须与内存条的位宽相等，这样才能在一个时钟周期内传输所有数据，这个位宽就被成为一个物理bank（通常是64bit），每条内存至少包含一个bank，多数情况下拥有二个物理bank。 一个物理bank不会造成带宽浪费，理论上是最合理的配置，但为了实现大容量内存，单条内存多物理bank也是允许的，但内存控制器所能允许的最大bank数存在上限，常见的是双物理bank设计，只有特殊内存或者服务器内存才会使用四bank以上的设计，因为这种内存兼容性不好，“挑”芯片组。 事实上显卡上也存在双物理bank设计，目的就是为了实现超大显存容量，比如1gb的9800gt，正反两面共有16颗16m32bit的gddr3显存，总位宽达512bit，实际上显存控制器只支持256bit，这样就是双物理bank。早在sdram时代，显卡上用的“显存颗粒”与内存条上的“内存颗粒”是完全相同的。在那个时候，gpu本身的运算能力有限，对数据带宽的要求自然也不高，所以高频的sdram颗粒就可以满足要求。某tnt2显卡，使用的是pc166的sdr内存颗粒 内存满足不了显卡的需求，显存应运而生 本是同根生的状况一直持续到sdr和ddr交接的时代，其实最早用在显卡上的ddr颗粒与用在内存上的ddr颗粒仍然是一样的。后来由于gpu特殊的需要，显存颗粒与内存颗粒开始分道扬镳，这其中包括了几方面的因素： 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由此算来，显存与内存“分家”既是意料之外，又是情理之中的事情了。为了更好地满足显卡gpu的特殊要求，一些厂商(如三星等)推出了专门为图形系统设计的高速ddr显存，称为“graphics double data rate dram”，也就是我们现在常见的gddr。 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 16bit：8m16bit 4.0ns tsop ii封装的gddr，单颗16mb，理论频率500mhz当年9550、fx5700等128bit中端卡需要搭配8颗才能组成128bit 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：1.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；2.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；3.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。 为了实现更大的位宽，并进一步提升gddr的性能，后期很多厂商改用了电气性能更好的mbga封装，当然也有内存颗粒使用mbga封装，但规格已有了较大差异，主要是颗粒位宽不同。mbga封装的gddr 32bit：4m32bit 2.2ns mbga封装的gddr，单颗16mb，理论频率900mhz8颗组成128mb 256bit规格，是gddr1最后的辉煌 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第二版：统一低端显卡 永远的配角 由于第一代gddr2的失败，高端显卡的显存是直接从gddr跳至gddr3的，但gddr2并未消亡，而是开始转型。几大dram大厂有针对性的对gddr2的规格和特性做了更改（说白了就是ddr2的显存版），由此gddr2第二版正式登上显卡舞台，时至今日依然活跃在低端显卡之上。gddr2第二版相对于第一版的改进主要有：1.工作电压从2.5v降至1.8v，功耗发热大降；2.制造工艺有所进步，功耗发热进一步下降，成本降低，同时良率和容量有所提升；3.颗粒位宽从32bit降至16bit，只适合低端显卡使用；4.封装形式从144ball mbga改为84ball fbga，外观上来看从正方形变成长方形或者长条形； 各大厂商均有gddr2颗粒 由于电压的下降，第二代gddr2的频率要比第一代gddr2低，主要以2.5ns(800mhz)和2.2ns(900mhz)的规格为主，当然也有2.8ns(700mhz)的型号。直到后期制造工艺上去之后，第二代gddr2才以1.8v电压突破了1000mhz，最高可达1200mhz，赶超了第一代高压gddr2的记录。 采用gddr2显存的经典显卡有：7300gt、7600gs、x1600pro、8500gt一大堆低端显卡。注意三星官方网站对于显存的分类 相信很多朋友也注意到了，本页gddr2的第一个字母为小写，几大dram厂商在其官方网站和pdf中就都是这么写的，以示区分。我们可以这么认为：大写g表示显卡专用，32bit定位高端的版本；而小写g表示为显卡优化，16bit定位低端的版本，本质上与内存颗粒并无区别。 事实上，gddr3和gddr3之间也是这种关系，稍后我们会做详细介绍。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 无论gddr还是gddr2，由于在技术方面与ddr/ddr2并无太大差别，因此最终在频率方面gddr并不比ddr高太多。在经历了gddr2的失败之后，两大图形巨头nvidia和ati对jedec组织慢如蜗牛般的标准制订流程感到越来越失望，认为他们制定的显存不能适应gpu快节奏的产品更新换代周期，于是nvidia和ati的工作人员积极参与到了jedec组织当中，以加速显存标准的起草及制定。 双方一致认为，显存与内存在数据存储的应用方面完全不同，在内存核心频率(电容刷新频率)无法提升的情况下，单纯提高i/o频率来获得高带宽很不现实。因此，必须要有一种针对高速点对点环境而重新定义的i/o接口。于是gddr3诞生了，这是第一款真正完全为gpu设计的存储器。 gddr3和gddr2/ddr2一样，都是4bit预取架构，gddr3主要针对gddr2高功耗高发热的缺点进行改进，并提升传输效率来缓解高延迟的负面影响。点对点dqs，读写无需等待gddr2只有一条数据选择脉冲（dqs），是单一双向的，而gddr3则拥有读与写两条独立的dqs，而且是点对点设计。这样做的好处在于，在读取之后如果马上进行写入时，不必再等dqs的方向转变，由此实现读写操作的快速切换。 相比gddr2/ddr2，gddr3的读写切换动作可以少一个时钟周期，如果需要对某一个连续的区块同时读写数据时，gddr3的速度就要比gddr2快一倍。 由于存储单元自身的特性，内存颗粒的逻辑bank是无法同时读写数据的，并不存在“全双工”一说，但gddr3的这项改进让顺序读写成为可能。gpu本身缓存很小，与显存之间的数据交换极其频繁，读写操作穿插进行，因此gddr3点对点设计的dqs可以让显存存储效率大增。但对于cpu来说，读写切换并不如gpu那么频繁，而且cpu拥有大容量的二三级缓存，所以gddr3这种设计并不能极大的提升内存带宽，也没有引入到下一代ddr3当中。改进i/o接口，简化数据处理，控制功耗 同时gddr3也对i/o控制电路和终结电阻进行了修改，它不再沿用gddr2的“推式（push pull）”接收器，而将其改为虚拟开极逻辑方式（pseudo open drain logic），并且通过将所有的三相数据信号转移到本位电路上，来简化数据处理，将dc电流压至最小，只有当逻辑low移至总线上时才会消费电力，从而很好的控制了功耗和发热。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。 明白了gddr3的原理技术后，再来看看实物。gddr3和gddr1类似，也有两种封装形式： 144ball mbga封装，为了向下兼容gddr和gddr2 最初的gddr3采用了144ball mbga封装，这与gddr和gddr2第一版完全相同，外观也是正方形，三者的电气性能相似，支持gddr3的gpu也可使用gddr显存，pcb和电路只需做少量调整。三星2.0ns 8m32bit gddr3颗粒 144ball封装的gddr3只有8m32bit一种规格，所以8颗显存组成256mb 256bit、或者4颗显存组成128mb 128bit是当时的主流。5700ultra就首次使用了gddr3取代了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 为了提高电气性能和环保水平，从2005年开始，gddr3开始采用全新的136ball fbga封装，并统一使用无铅封装工艺。新封装使得显卡pcb必须重新设计，但也为gddr3的腾飞铺平了道路。三星0.8ns gddr3显存 16m32bit规格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； 当gddr3的频率首次达到2000mhz时，很多人都认为离极限不远了，于是未雨绸缪的抓紧制定gddr4规范，但没想到在dram厂商的努力及新工艺的支持下，gddr3的生命得到了延续，0.8ns 0.7ns的型号相继量产，而且容量更大的32m32bit颗粒也成为主流，基本上能够满足高中低端所有显卡的需要。当前速度最快0.77ns gddr3显存颗粒，理论频率可达2600mhz 当年2.2ns gddr最高可达900mhz，核心频率和i/o频率止步于450mhz。经过5年时间的发展，gddr3凭借新工艺终于在核心频率和i/o频率方面取得突破，核心频率可达600mhz以上，i/o频率超过1200mhz，此时过高的i/o频率成为了新的瓶颈。gddr3采用了ddr2的4bit预取技术，所以采用ddr3 8bit预取技术的显存只能按顺序命名为gddr4。gddr4是在gddr3的基础上发展而来的，它继承了gddr3的两大技术特性，但内核改用ddr3的8bit预取技术，并加入了一些新的技术来提升频率。 gddr4的技术特性：1.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；2.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；3.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；4.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；5.电压从1.8v降至1.5v；6.同频功耗下降75%，2400mhz的gddr4功耗只有2000mhz gddr3的一半；7.采用136ball fbga封装，单颗32bit，向下兼容gddr3；gddr4的确更好超，但性能提升有限 由于采用了8bit预取技术，因此在相同频率下gddr4的核心频率（即电容刷新频率）只有gddr3的一半，理论上来讲gddr4最高频率可达gddr3的两倍。但值得注意的是，虽然核心频率通过8bit预取技术减半，但gddr4与gddr3的i/o频率是完全相同的，因此gddr4频率提升的瓶颈在于i/o频率而不是核心频率。 由于制造工艺和技术水平的限制，虽然三星官方宣称早已生产出3ghz以上的gddr4，但实际出货的gddr4只有2ghz-2.5ghz，此后改进工艺的gddr3也追平了这一频率。在相同频率下，gddr4比起gddr3虽然功耗发热低，但延迟大性能稍弱，再加上成本高产量小，gddr4遭受冷落并不意外。 导致gddr4失败的非技术方面原因 gddr3是nvidia和ati参与jedec组织后共同制定的显存标准，而gddr4在标准制定过程中双方产生了较大的分歧。nvidia较为保守，认为应该保持ddr2 4bit预取技术不变，继续改进i/o控制器来提升频率；而ati则比较激进，准备直接使用ddr3 8bit预取技术。 双方争执的结果就是在jedec组织中德高望重的ati获胜（据称ati有位高层在jedec身居要职），而nvidia则明确表示不支持gddr4。因此gddr4其实就是ati一手策划的，但得不到nvidia支持的话，gddr4立马就失去了6成以上的市场，由此导致dram厂不敢贸然投产。 最终只有三星一家生产了少量的gddr4显存，其他家都在观望。当然其他dram厂商都没闲着，它们把精力都投在了深挖gddr3的潜力当中，于是我们看到了gddr3的频率节节攀升，gddr4在没有成本优势的情况下，也没有频率优势，恰好当时的几代a卡更没有性能优势，gddr4自然只有死路一条。 只有ati生产过搭载gddr4的显卡，数量虽然不多但横跨了三代产品：x1950xtx、hd2600xt和hd3870(也包括对应的专业卡)与当年nvidia使用gddr2的显卡数量相等。nvidia在遭遇滑铁卢后果断放弃了gddr2，而ati对于gddr4则是难以割舍，三年时间三代产品都有使用，但一直都是非主流。 gddr4的失败并不是技术原因，和当年的gddr2相比它要成熟很多，没推起来的原因主要是对手太强：ati的对手nvidia很强大，另外gddr4的对手gddr3生命力太顽强了。即便使用了8bit预取技术，可gddr4还是没有与gddr3拉开频率差距，因为瓶颈在i/o控制器上面而不是内核，而gddr5就是用来解决这一瓶颈的。 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。gddr5各项总线工作频率示意图 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！ 以往gddr1/2/3/4和ddr1/2/3的数据总线都是ddr技术(通过差分时钟在上升沿和下降沿各传输一次数据)，官方标称的频率x2就是数据传输率，也就是通常我们所说的等效频率。而gddr5则不同，它有两条数据总线，相当于rambus的qdr技术，所以官方标称频率x4才是数据传输率。比如hd4870官方显存频率是900mhz，而大家习惯称之为3600mhz。 失败乃成功之母，冒险使用gddr5助rv770挑战gtx200 gddr4的失败并没有阻挡ati前进的脚步，在意识到gddr4频率提升的瓶颈之后，gddr5草案的制定就被提上日程，ati和nvidia技术人员重新聚首，开展第二次合作共商大计。gddr5吸取了前辈们的诸多优点，可谓是取其精华弃其糟粕，在i/o改进方面双方也不再有太多矛盾。 技术方面的问题不难解决，最难的是时间和进度。ati在r600上面冒险使用512bit显存控制器来提升显存带宽，结果输得一败涂地，于是rv670只好回归256bit，导致性能原地踏步。而gddr4相比gddr3没有频率优势，因此ati迫切的需要gddr5迅速投产以满足新一代gpu的需要，rv770只有256bit，急需高频显存的支持。 对手nvidia对于gddr5当然很感兴趣，但却一点都不着急，保守的nvidia决定坚守gddr3，gtx200核心使用了512bit显存控制器来提升带宽。比起r600的环形总线，nvidia从256bit到384bit再到512bit一步一个脚印走出来的交叉总线显然更加成熟。 以256bit对抗512bit，ati只能将筹码全部押在gddr5身上，于是在gddr5标准尚未完全确立之前，ati已经在紧锣密鼓的测试性能，并督促dram厂投产。可以说gddr5和gddr2/4一样也是个早产儿，但失败乃成功之母，有了完善的技术规格和制造工艺的支持，gddr5一出世便令人刮目相看。 凭借gddr5翻倍的数据传输率，hd4870以256bit将448bit的gtx260挑落马下，迫使nvidia通过降价、提升规格、改进工艺等诸多手段来反击。128bit的hd4770性能也完胜256bit的9600gt并直逼9800gt。gddr5在gddr3/4优秀特性的基础上，还有诸多改进和新特性，下面就对它们进行详细分析。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。 dram在传输数据时，只有0会消耗电能，减少0的传输数量，既能保证信号质量，也能减少内部终结电阻和外部终结电路的功率消耗。gddr5的地址总线也使用了类似的技术，通过额外的abi通道来转位数据流，从而较少信号噪声，并降低功耗。智能的可编程i/o控制接口：简化pcb设计和成本 gddr5对i/o控制器做了很多改进，加入了全新的自动校准引擎，保证gddr5显存颗粒更好的适应gpu显存控制器的需求，确保数据传输稳定可靠。 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。gddr5的针脚更多，但布线更简洁 此外gddr5还能支持时间延迟和信号强度调整，灵活的协调数据同步，以往通过“蛇形走线”平衡延迟的方法彻底成为历史，gddr5没有这种顾虑，因此能极大的简化pcb布线和成本，并有利于冲击更高频率。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。 其实，gddr3/4都可以通过这种方式扩充显存容量，但原理则完全不同。此前必须gpu的显存控制器在设计时支持双bank模式才能支持更多的显存颗粒。而现在，8颗gddr5显存总计256bit可以直接被128bit的gpu使用，从而简化了显存控制器设计，hd4770就是很好的例子。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。 可以看出，在高端gddr5将会取代gddr3，而低端gddr3将会取代gddr2，中端则会出现三代共存的局面。虽然gddr3单颗位宽只有gddr3的一半，但存储密度却是gddr3的两倍，而且在相同频率下(比如2000mhz)，gddr3的核心频率是gddr3的一半，因此功耗发热要低很多。对于位宽不高的中低端显卡来说，gddr3大容量、低成本、低功耗发热的特性简直相当完美！ 上图就是现代官方网站列出的gddr3和gddr3两种显存的规格参数表，注意它们的全称，是否有g，真的是差之毫厘谬以千里。 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16m3