迎接 DRAM 新時代 – 淺談 DDR4 的技術變革與市場趨勢

作者 | 發布日期 2015 年 01 月 24 日 0:00 | 分類 晶片 , 零組件
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動態隨機存取記憶體(Dynamic Random-Access Memory,DRAM)是常見的記憶體元件。在處理器相關運作中,DRAM 經常被用來當作資料與程式的主要暫存空間。相對於硬碟或是快閃記憶體(Flash Memory),DRAM 具有存取速度快、體積小、密度高等綜合優點,因此廣泛的使用在各式各樣現代的科技產品中,例如電腦、手機、遊戲機、影音播放器等等。



自 1970 年英代爾(Intel)發表最早的商用 DRAM 晶片-Intel 1103 開始,隨著半導體技術的進步與科技產品的演進,DRAM 標準也從非同步的 DIP、EDO DRAM、同步的 SDRM(Synchronous DRAM)、進展到上下緣皆可觸發的 DDR DRAM(Double-Data Rate DRAM)。每一代新的標準,目的不外乎是針對前一代做以下的改進:單位面積可容納更多的記憶體、資料傳輸的速度更快、以及更少的耗電量。更小、更快、更省電,是半導體產業永不停息的追求目標,當然 DRAM 也不例外。

固態技術協會(JEDEC)於 2012 年 9 月正式公布最新的 DDR DRAM 標準,DDR4(第四代 DDR DRAM)。距上一代 DDR DRAM,也就是 DDR3 的發表,已有 5 年之久。對於產品日新月異,瞬息萬變的科技業而言,5 年是非常久的時間。2007 年 6 月第一代 iPhone 問世,同年 DRAM 產業宣布 DDR3 時代來臨;到了 2012 年,iPhone 都已經推進到 iPhone5 了,DRAM 才正式進入 DDR4,相比之下 DRAM 的進步不得不說相當緩慢。隨著行動裝置的盛行,個人電腦市場逐漸式微,加上缺乏可以刺激消費者積極更新設備的應用程式,這些因素都降低了大眾對新一代 DRAM 標準的渴望。即使新標準看起來有更多優點,但無法激起消費者的購買慾望,就沒有市場,新一代 DRAM 的需求若不顯著,DRAM 廠對於投入資金研發新技術的意願就顯得意興闌珊,新標準的制定也就不那麼急迫了。

 

DDR4 PK.DDR3

即使緩步前進,DDR4 終究還是來到大家的面前。新的標準必定帶來新的氣象,讓我們來看看 DDR4 與 DDR3 有什麼不同之處:

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▲ DDR4 標準與 DDR3 標準簡單對照表(Source:micron

  • 儲存容量: 單一的 DDR4 晶片擁有比 DDR3 多一倍的儲存空間,而每個 DDR4 模組(module)最多可搭載 8 個 DDR4 晶片,比 DDR3 多一倍。也就是說,DDR4 模組的最大容量比 DDR3 多 4 倍。主機板上相同的位置,DDR4 可容納更大的記憶體容量;換個角度來說,在容量需求不變的情況下,DDR4所需的空間比 DDR3 要小。
  • 傳輸速度: DDR3 的傳輸速度從 800MHz(MHz = 每秒百萬次)到 2188MHz 不等;而 DDR4 的傳輸速度從 2188MHz 起跳,目前的規格定義到 3200MHz,將來可望達到 4266MHz。
  • 耗電量: 省電是 DDR4 最明顯的改進之處。DDR3 所需的標準電源供應是 1.5V(伏特,電壓單位)而 DDR4 降至 1.2V,專門為行動裝置設計的低功耗 DDR4(LPDDR4)更降至 1.1V。除了降低工作電壓,DDR4 支援深度省電模式(Deep Power Down Mode),在暫時不需要用到記憶體的時候可進入休眠狀態,無須更新記憶體(Refresh),可進一步減少待機時功率的消耗。
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▲ DDR4 vs. DDR3的標準化能量消耗(Source:extremetech

除了上述的三個主要部份外,DDR4 還支援命令/位址匯流排上的同位核對(parity check),以及在資料寫入時,資料匯流排上支援循環冗餘核對(CRC)等功能,以自動偵錯的方式來避免因訊號干擾而導致不正確的命令或資料被寫入記憶體,增加高速傳輸時資料的完整性。

 

DDR4 應用限制

世上沒有白吃的午餐。雖說 DDR4 具有上述的優點,但在應用上卻有額外的負擔。

首先,跟 DDR3 相比,DDR4 讀寫指令需要更長的啟動時間週期(Read Latency 或 Write Latency,也就是讀寫指令下達後,需花費多少時間周期,資料才會出現在介面上)。因此在相同頻率下,DDR4 的讀寫效率會比 DDR3 低。這其實是可以理解的。隨著半導體製程技術的提升,記憶體對外的介面邏輯電路的速度也越變越快,但記憶體內部的反應速度卻沒有增加,因此對外部的控制電路而言,DDR4 的讀寫指令需要更長的時間周期才能被啟動。換句話說,DDR4 的輸入時脈頻率或許可以比 DDR3 快上一倍,但記憶體的反應速度並沒有增快一倍,因此只好定義更多的讀寫起始周期來因應。若因為系統的限制,使得 DRAM 的輸入時脈無法達到太高的頻率時,DDR3 的讀寫效率會比 DDR4 來得好。其實從 DDR2 進展到 DDR3 時也有類似的問題發生。新一代的記憶體在剛推出的時候,價格不但偏高,同頻操作下的效率又比舊型記憶體差,總要過一段時間,市場對高速記憶體的需求升高,再加上產能提升帶動單位記憶體價格的下降,才會真正達到世代交替。

其次,DDR3 有 8 個獨立記憶體組(bank),每個bank可獨立接收讀寫指令。控制 DRAM 的邏輯電路若妥善安排記憶體位址,可以減少相鄰讀寫指令間等待的時間,降低資料匯流排額外閒置的機率,提高傳輸的效能。DDR4 雖然增加記憶體組數為 16,但卻加入記憶體群組(bank group)的限制。不同 bank 但若屬於同一個 bank group,連續讀寫指令間必須增加等待時間週期,造成資料匯流排的閒置機率升高,傳輸效能降低。在此種限制下,如何充分利用資料匯流排以達成最高效率,對於控制 DDR4 的邏輯電路設計是新的挑戰。

目前各 DRAM 大廠已陸續推出 DDR4 的記憶體模組,英代爾最新個人電腦旗艦平台 — Haswell-E 搭配 X99 晶片組全面支援 DDR4,價格上比相似規格的 DDR3 貴上 20~50%,實際使用起來卻感受不到太大的差別。其實記憶體的執行速度雖然重要,多數情況下並不是系統效能的瓶頸所在。因此,價格如果不能大幅降低,對桌上型電腦的消費者而言,改用 DDR4 的誘因不大。

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▲ 2014 Q1~Q2 全球品牌 DRAM 營收排行表(Source:DRAMeXchange, Aug, 2014)

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▲ 品牌 DRAM 各國市占率(Source:DRAMeXchange, Aug, 2014)

行動 DRAM 興起帶動市場需求

近幾年 DRAM 的供需市場產生很大的變化。 2013 年美光(Micron Technology Group)併購日本記憶體大廠爾必達(Elpida)後,全球 DRAM 生產幾乎由前三大公司:三星(Samsung)、海力士(SK Hynix)以及美光所霸佔,小廠只能挑選大廠已經淘汰的小眾市場勉強維持。而低功耗的行動 DRAM(mobile DRAM)逐漸取代標準型 DRAM,成為 DRAM 產業最重要的市場。根據 DRAMeXchange 所做的統計,蘋果公司(Apple Inc)已是全球 DRAM 最大採買商,預計 2015 蘋果的產品將佔用全球 25% 的 DRAM 產能。

DRAMeXchangee 更進一步預測,2014 年行動 DRAM 占整體 DRAM 產出的 36%,2015 年有機會突破 40% 大關。由此趨勢看來,未來幾年,行動記憶體大有機會取代標準型 DRAM,成為最大的 DRAM 產出。目前高階智慧型手機或平板電腦上的 DRAM 配備容量大約是 1GB~2GB,對省電方面的要求更加嚴格。今年多家手機大廠新推出的旗艦型智慧手機計畫將搭載低功耗的行動 DDR4(LPDDR4),加上蘋果新一代 iPhone 與 iPad 將提高內建 DRAM 容量,預期 LPDDR4 將比標準 DDR4 更快普及。看準行動 DRAM 的商機,DRAM 三大廠紛紛宣布設置新設備來增加行動 DRAM 的產量。在標準型 DRAM 方面,雖然個人電腦市場需求下滑,但近年來雲端運算與雲端資料儲存應用的崛起,帶動伺服器設備需求逐年攀升,伺服器 DRAM 也跟著穩定成長,成為標準型 DDR4 切入市場的契機。

以 DRAM 的基本結構(一個電容和一個電晶體組合成一個記憶單元)來看,未來在速度與耗電量的改進空間不大,產學界早已積極開發類似的記憶體架構,例如 Z-RAM、TTRAM 等,DDR4 會不會是末代 DRAM 標準,誰也無法預測。

台灣的 DRAM 產業曾經是台灣科技界指標性產業,但經過 10 多年的巨額投資,終究還是敵不過韓國與美國大廠,在下一個 DRAM 週期的春天來臨前就黯然退出主要競賽行列。僥倖存活的少數廠商只能轉而幫其他大廠代工,或是改為生產不被大廠青睞、市場規模較小的產品。如今記憶體整體市場已經跟 10 年前大不相同。行動裝置與物聯網所帶動的市場需求,明顯地朝向更小、更省電的方向,而非一昧著重在速度跟效率上。若能好好掌握這股新的趨勢,未來台灣廠商在記憶體產業還是大有可為。

(本文由 北美智權報 授權轉載;作者/徐文芝) 

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