搜索
ATIHD4870X2产品专区报价促销美图文章参数点评论坛剪不断理还乱!DDR1-3和GDDR1-5全解析编者按：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。为让评测文章更具参考价值，同时也让广大网友能够看到自己最感兴趣的内容，泡泡网DIY评测室特意开设了“YouThink.Ido”板块，您可以将最感兴趣的内容、甚至任何想法发送到邮箱“Think@PCPOP.COM”，或加QQ群40891155共同探讨，我们会有针对性地挑选网友关注的热点进行评测，一旦您的建议被采纳，我们会为您送出精美礼物一份！往日经典文章回顾：●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（DynamicRandomAccessMemory，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(MemoryCellArray，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/OBuffer（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（SynchronousDRAM）：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（DoubleDateRateSDRAM）：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（DDR2SDRAM）：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。IntelNehalem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（LogicalBANK）。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