歡迎來到DDR5的新世界

作者 : 邵樂峰,EE Times China

從應用端角度來看,在PC與平板電腦、伺服器;邊緣運算和AI時代對低延遲、低功耗、高速、大頻寬的需求,以及領導廠商示範效應的四大加持下,DDR5的普及被按下了「快速鍵」。

2020年7月15日,為了解決從用戶端系統到高性能伺服器的廣泛應用所面臨的性能和功耗挑戰,JEDEC固態技術協會正式發佈了下一代主流記憶體標準DDR5 SDRAM的最終規範(JESD79-5),為全球電腦記憶體技術拉開了新時代的序幕。JEDEC將DDR5描述為一種「具備革命意義」的記憶體架構,認為它的出現標誌著整個產業即將向DDR5伺服器雙列直插式記憶體模組(DIMM)過渡。

DDR5身後的推動力

市場調研機構Omdia分析指出,對DDR5的市場需求從2020年開始逐步顯現,到2022年,DDR5將佔據整個DRAM市場份額的10%,2024年則將進一步擴大至43%;Yole Développement則預測稱,DDR5的廣泛採用應該會從2022年的伺服器市場開始,2023年,手機、筆記型電腦和PC等主流市場將開始廣泛採用DDR5,出貨量明顯超過DDR4,兩種技術間完成快速過渡。

簡單回顧一下就能發現,記憶體頻寬成長速度遠遠趕不上處理器性能的提升速度,這是DDR5推出的根本動力所在。例如2000~2019年,記憶體頻寬從約1GB/s迅速提升至200GB/s,但與此同時,處理器核心數量也從早期的單核、雙核,增加到目前一個系統中最高可以超過60個處理器核心。在這樣一個存在超多核心處理器的系統中,分攤到每個處理器核心上的可用頻寬是嚴重不足的,提升DRAM頻寬的呼聲日趨高漲。

而另一方面,從應用端角度來看,在PC與平板電腦、伺服器,尤其是中國伺服器市場的高速成長;邊緣運算和AI時代對低延遲、低功耗、高速、大頻寬的需求,以及AMD/英特爾(Intel)/SK海力士(SK Hynix Semiconductor)等領先廠商示範效應四大合力的加持下,DDR5的普及同樣被按下了「快速鍵」。

  • 資料中心

針對「DDR5將首先出現在哪些應用裡?」的問題,業界普遍認為它將緊隨DDR4的步伐,率先導入資料中心,而其先前幾代產品的演進都是優先應用於PC中。以中國市場為例,2020年,在中國政府「新基建」戰略的引領下,資料中心迎來了發展的新契機。TrendForce的資料顯示,得益於全國範圍內超大規模資料中心的建設,今年第一季,中國佔據了全球伺服器總需求的27.2%。

這一趨勢加速推動了DDR向更快、更高效的新一代產品演進,中國各大廠商紛紛佈局DDR5記憶體並力推其廣泛商業化。國金證券研究所報告稱,就全球DRAM記憶體市場而言,伺服器消耗了2020年全球DRAM記憶體用量的34%,預計伺服器用DRAM記憶體數量將在2021年同比成長近40%,並於2024年超過整體DRAM用量的50%以上。

  • PC與平板電腦

Canalys於2021年5月5日公佈了第一季全球電腦市場報告:全球電腦市場出貨量同比成長53.1%,達到了1.221億台。其中,Google Chromebook成長最為明顯,出貨量1,200萬台,同比成長274.6%。除此之外,平板電腦成長51.7%,出貨量3,970萬台。

PC及平板電腦的出貨量大漲,對於DDR記憶體的需求也顯著增加,DDR5已經開始被推向市場的風口。TrendForce預測,DDR5在PC DRAM市場中的市佔率,將從2020年的不到1%,成長到2021年10%,呈現10倍以上的成長幅度。

值得注意的是,由於PC消費者對整機價格敏感度極高,且DDR5初期推出的價格與DDR4相比存在較高溢價,英特爾也只是在剛剛推出的第12代Core處理器Alder Lake平台上才選擇支援DDR5記憶體,AMD則預計將在2022年推出的Zen 4平台中選擇全系支援DDR5記憶體。

  • 邊緣運算

許多邊緣運算應用的主要目標是圍繞與較低延遲相關的新服務。為了支援較低的延遲,許多新系統都採用了一些最新的產業介面標準,包括PCIe 5.0、LPDDR5、DDR5、HBM2E、USB 3.2、CXL、基於PCIe的NVMe,以及其他基於新一代標準的技術。與上一代產品相比,這些技術中的每一種都透過頻寬改進來降低延遲。

同時,AI演算法正在突破記憶體頻寬要求的極限。顯然,它不僅需要高容量的記憶體能力來支援這些需求,還需把許多複雜的應用放在邊緣雲端中執行。為了支持實現這種能力,設計人員在新的晶片組中採用DDR5並不是一件令人感到意外的事情。

DDR5有什麼價值?

在回答這個問題之前,顯然應該先瞭解一下DDR4與DDR5之間的關係。

 

表1:DDR4與DDR5在一些特性上的對比。

(來源:綜合與Anandtech數據)

 

DDR記憶體可以在一個時脈週期內兩次發送和接收資料訊號,這一速率是20世紀70年代、80年代和90年代生產的DRAM的兩倍。DDR4是2014年下半年發佈的第四代DDR SDRAM,而DDR5雖然是第五代,但與DDR2、3和4的升級演進相比有了很大的變化。前幾代產品的演進重點主要集中在如何降低功耗上,行動和終端應用是其主要推動力;而DDR5的主要推動因素,則是因為新型處理器核心數量越來越多,導致現有的記憶體頻寬跟不上節奏,必須進一步提高頻寬的需求。

DDR5 SDRAM的核心價值,主要實現在以下四個方面:

1.更高速度、更低電壓

DDR5最亮眼的部分,就是速度比已經「超級快」的DDR4還要快。與1.6GHz時脈頻率下DDR4記憶體最高3.2Gbps的傳送速率相比,全新DDR5記憶體的最高傳輸速率達到了6.4Gbps,提升了一倍。此外,DDR5也改善了DIMM的工作電壓,將供電電壓從DDR4的1.2V降至1.1V,進一步提升了記憶體的能效表現。

 

DDR5速度比DDR4還要快。

(來源:JEDEC)

 

2.更高的記憶體密度

DDR4在單裸晶封裝(SDP)模式下僅支援最高16Gb的DRAM容量,而DDR5記憶體標準將這一數位提高到了64Gb。這意味著,DDR5 DIMM在SDP模式下的最高容量可達256GB,是DDR4 64Gb最大容量的4倍。同時,DDR5還支援最高40個單元的堆疊,從而可使其有效記憶體容量達到2TB。

3.更新的供電與通道架構

DDR5 DIMM將電源管理從主機板轉移到了記憶體模組本身,透過一顆板載12V電源管理晶片來確保更加精細的系統電源負載。每個通道的突發長度從8位元組(BL8)翻倍到16位元組(BL16),併發能力的提高使得記憶體訪問效率得到了提升。在接腳設計上,DDR5記憶體將保持與DDR4相同的288個接腳數,但由於定義不同,所以不能相容DDR4插槽。

4.更高的頻率和刷新

依照JEDEC的說法,DDR5記憶體的接腳頻寬(頻率)是DDR4的兩倍,總傳輸頻寬可提升38%,4800MHz的起始頻率也比DDR4 3,200MHz增加了50%。然而這僅僅是一個開始,未來,DDR5記憶體的最高頻率甚至可望達到8400MHz,系統頻寬會繼續提高至當前水準的兩倍以上。

核心玩家的DDR5計畫

資料統計顯示,DRAM記憶體晶片佔2020年中國IC市場的19%。而包括三星(Samsung)、SK海力士和美光(Micron Technology)在內的三大廠商總共生產了全球大約86%的DRAM晶圓,貢獻了全球DRAM產業95%的營收,他們的最新進展,無疑成為DDR5市場的風向指標。

  • SK海力士

SK海力士於2018年11月成功開發全球首款16Gb DDR5 DRAM之後,向英特爾等核心客戶提供樣品,並完成了一系列測試與性能、相容性驗證等程式,意味著SK海力士在即將到來的DDR5市場隨時能夠銷售相關產品。2020年10月,SK海力士又宣佈推出全球首個DDR5 DRAM模組。若與矽通孔(TSV)技術結合,更能夠組成容量高達256GB的高容量模組。

SK海力士推出的DDR5 DRAM的資料傳輸速率高達4,800~5,600Mbps,其速率相較前一代DDR4最多提升了1.8倍。5,600Mbps的傳輸速率意味著能夠在1秒內傳輸9部全高畫質(FHD)電影。不僅如此,該產品的工作電壓由前一代的1.2V降到了1.1V,成功減少了20%的功耗。

  • 美光

美光於2020年啟動了DDR5技術賦能計畫(Technology Enablement Program,TEP)。該計畫旨在加快市場對DDR5的採用,並為生態系統2022年廣泛使用支援DDR5的平台做好準備。目前,該計畫已經吸引了包括系統和晶片服務商、管道合作夥伴、雲端服務提供者和OEM在內的100多家業界領先企業的250餘位設計和技術人員參與。

如下圖所示,相比3,200MHz DDR4,同為3,200MHz的DDR5可以提供1.36倍的更高效頻寬。不過,美光科技資深副總裁暨運算與網路事業部總經理Raj Hazra強調,DDR5的上市絕非一蹴可幾,它需要生態系統的強力支援。

 

(來源:美光)

 

「相比5年前,現在的資料中心儲存系統更加複雜,涵蓋了封裝記憶體、HVN/高頻寬記憶體、DDR4/DDR5、CXL等多種形式。透過這些開放的方式,我們現在可以把記憶體和運算結合,利用近記憶體(near memory)和遠記憶體(far memory)的層級劃分,實現資料中心的創新。」Hazra說。這對於將AI應用規模化至關重要,因為龐大的AI模型在處理時必須要模組化、可擴展,使得記憶體和儲存技術不僅要能夠分散處理,還要在必要的時候實現聚合。

  • 三星

在2021年的HotChips 33大會上,三星公佈了旗下首款也是業內首款的單條512GB DDR5記憶體條,頻率為7,200MHz。根據三星發佈的資訊,此次展示的512GB單條DDR5記憶體條產品採用了三星旗下的8H堆疊TSV技術,透過八層從的堆疊實現更小的體積。相較於之前三星推出的4H TSV技術的DDR4記憶體條,其能減少接近40%的晶片間間隙。

 

 

三星認為,消費級用戶短期內的需求不會超過64GB,即使是在升級到DDR5以後,消費級使用者的需求也應該是在64GB左右徘徊。而根據三星的預期,市場主流需求將在2023~2024年才會過渡到DDR5記憶體,在此時間前,DDR4還將會是市場主流。

TrendForce的研究資料也證實了這種判斷。根據現在已經擬定的交易,以主流模組DDR4 1G*8 2,666Mbps均價來看,其季漲幅已接近25%,超出原先市場預期的兩成,與之高度相關的伺服器DRAM價格漲幅也同步擴大。加上DDR3、DDR4、mobile DRAM與graphics DRAM價格都在高漲,推動今年第二季整體DRAM均價漲幅上調18~23%。

本文原刊登於EE Times China

 

 

 

 

 

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