DRAM選擇為何突然變得更加復(fù)雜？

芯片制造商開始在同一個(gè)高級封裝中集成多種類型和風(fēng)格的DRAM，為日益分布式的存儲器和更復(fù)雜的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。

盡管多年來一直有人預(yù)測DRAM將被其他類型的內(nèi)存所取代，但它仍然是幾乎所有計(jì)算中的基本組件。它的足跡沒有消失，而是在增加，選擇的數(shù)量也在增加。

有幾個(gè)因素推動著這種擴(kuò)張。其中包括：

系統(tǒng)中計(jì)算元素的數(shù)量和密度不斷增加，以更快地處理更多數(shù)據(jù)，特別是對于AI/ML和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。更多的內(nèi)核需要更多的內(nèi)存，因?yàn)樾枰幸粋€(gè)地方來存儲和處理數(shù)據(jù)。

通常情況下，這其中的大部分將在緩存中處理，SRAM一直是L1到L3緩存的首選內(nèi)存。但是SRAM不再以與數(shù)字邏輯相同的速度擴(kuò)展。因此，它在芯片上占據(jù)了更大比例的空間，DRAM速度的提高使得一些類型的緩存適合L3緩存。

來回移動數(shù)據(jù)受到帶寬和距離的限制，因此僅僅在一個(gè)物理位置添加更多內(nèi)存并不一定會提高性能。事實(shí)上，它可能會適得其反。

出于以上種種原因，芯片制造商正在使用更多的DRAM。在某些情況下，DRAM——尤其是高帶寬存儲器（HBM）——正在取代一些SRAM。DRAM在耐用性方面有著良好的記錄，也有成熟的工藝，而且比SRAM便宜得多。Objective Analysis總經(jīng)理吉姆漢迪（Jim Handy）表示，根據(jù)原始數(shù)據(jù)，同樣容量的SRAM成本可能是DRAM的2500倍以上，具體取決于DRAM的類型。［1］

有一系列的動態(tài)隨機(jī)存取存儲器當(dāng)然可以。有些很快，比如英王陛下，而且還貴。其他類型較慢但便宜，如基本DDR DIMMs。不過，有所改變的是，在異構(gòu)架構(gòu)中，兩者都可以扮演重要的角色，此外還有多種其他類型的DRAM和更具針對性的內(nèi)存，例如MRAM或者ReRAM.

“我們正在尋找一種混合模式，在同一個(gè)系統(tǒng)中使用不同的DRAM技術(shù)，”微軟高級技術(shù)營銷經(jīng)理科斯·吉切夫說節(jié)奏。“如果您真的需要非常高的性能，并且愿意為此付費(fèi)，那么您可能會選擇HBM。您可以將它用于L3緩存，或者您需要立即訪問的任何東西。如果您仍然需要更多的內(nèi)存，但是有一點(diǎn)延遲，您可以在RDIMM（已注冊的雙列直插式內(nèi)存模塊）或MRDIMM（多路復(fù)用器等級的DIMM）。如果您正在尋找大容量，那么您可能會考慮后面的DRAM巨災(zāi)超賠分保。該技術(shù)開始針對非常特殊的應(yīng)用，具有真正的高帶寬和低功耗，更大的內(nèi)存占用，但延遲稍長。將所有這些結(jié)合在一起是每個(gè)人解決這些問題的方向?！?/p>

就像高級節(jié)點(diǎn)或高級打包中的幾乎每一項(xiàng)改進(jìn)一樣，解決一個(gè)問題會導(dǎo)致另一個(gè)問題。盡管如此，潛在的理論是合理的，在今天的市場上也有證據(jù)。例如，可能有必要讓一些功能以最高速度運(yùn)行，如AI，這將使高帶寬內(nèi)存成為最佳選擇。但并不是所有的功能都是必不可少的，也不是所有的功能都需要那樣的性能。在某些情況下，GDDR5或GDDR6可能就足夠了。在其他地方，可能是LPDDR，在其他地方可能是DDR4。所有這些都有不同的相關(guān)成本，這些成本可以通過來回移動數(shù)據(jù)的資源以及內(nèi)存芯片的貨幣價(jià)值來衡量。

另一方面，并非所有的DRAM都是一樣的，只是添加不同風(fēng)格的DRAM而沒有充分了解它們將如何影響其他組件會導(dǎo)致問題。重要的是以避免未來問題的方式集成它們，包括復(fù)雜的平面規(guī)劃，以避免信號完整性和防止熱量問題。眾所周知，DRAM和heat不太協(xié)調(diào)。但也有一些以前從未認(rèn)真考慮過的新問題。

“DRAMs發(fā)展的大問題分為兩類——常見的問題（更多的帶寬和容量、管理電源），以及一些新的問題（更具挑戰(zhàn)性的可靠性，導(dǎo)致片內(nèi)ECC和劃船錘保護(hù)），”斯蒂芬吳說，研究員和杰出的發(fā)明家蘭布斯。“對于新的挑戰(zhàn)，在芯片上放置更多的電容會增加片內(nèi)錯誤的發(fā)生率，因此您現(xiàn)在看到的DRAMs會在數(shù)據(jù)返回控制器之前進(jìn)行一些片內(nèi)錯誤糾正。并且發(fā)生像RowHammer這樣的相鄰單元干擾問題，因?yàn)檫@些單元彼此非常接近，以至于訪問一組單元會導(dǎo)致非常接近的相鄰單元的位翻轉(zhuǎn)。”

哪里最有效

越來越多的選擇也讓人們很難決定使用哪些內(nèi)存。DRAM的選擇通常基于性能、功耗、成本、可靠性（糾錯碼，以及充分測試和供應(yīng)鏈安全）和容量。因此，如果DRAM將用于L3緩存，它可能需要高性能和低功耗。如果它將用于高級封裝中的低級功能，它可能是標(biāo)準(zhǔn)的DIMM。

但這些選擇中的每一種都會影響整體芯片或系統(tǒng)級封裝設(shè)計(jì)，并帶來特定的設(shè)計(jì)考慮。

“過去，DDR4和LPDDR4并不復(fù)雜，”產(chǎn)品營銷高級經(jīng)理Graham Allan說新思科技。“一個(gè)客戶會啟用DDR4，另一個(gè)客戶會啟用LPDDR4，因此存在重疊。隨著DDR5和LPDDR5一代代的發(fā)展，這些應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)完全不同，接口協(xié)議和物理信號也是如此。DDR5通常希望與成噸成噸的DRAMs（大容量）進(jìn)行通信，因此您主要是與寄存器DIMMs進(jìn)行接口。使用LPDDR，您通常只能與一個(gè)包裝或設(shè)備對話，并且該設(shè)備中最多有兩個(gè)負(fù)載。LPDDR也是地面終端。DDR端接到正電壓軌。這些是非常不同的物理接口和協(xié)議，這意味著客戶需要選擇一個(gè)或另一個(gè)。”

還有一些中間選項(xiàng)可以幫助在多個(gè)應(yīng)用程序中使用相同的設(shè)計(jì)。例如，根據(jù)工作負(fù)載的不同，MRDIMMs可以用于將容量或帶寬翻倍。Allan表示：“多路復(fù)用器級DIMMs的容量和速度是SDRAM（同步DRAM）的兩倍?！八拿烂钪幵谟贒RAMs不會改變。它以兩種不同的模式運(yùn)行。它的運(yùn)行方式類似于負(fù)載減少的DIMM，但速度不會翻倍。在這種模式下，您可以使用它來獲得更高的容量?；蛘咚远嗦放帕心Ｊ焦ぷ?，這使DRAMs和外部接口之間的帶寬加倍?！?/p>

那是畫面的一部分。另一部分是PHY或物理層，它為內(nèi)存提供物理接口。phy因使用的DRAM類型而異，隨著數(shù)據(jù)量的增加和設(shè)計(jì)的日益多樣化，phy變得尤為重要。

phy還可以鏈接在一起成為一種主堆棧，以便管理復(fù)雜設(shè)備中的內(nèi)存資源，無論該設(shè)備是GDDR6還是LPDDR4。這樣，所有類型的DRAM都可以被視為可用資源并進(jìn)行集中管理。

公司副總裁兼總經(jīng)理Balaji Kanigicherla表示：“通過管理帶寬的某種結(jié)構(gòu)，一切都是可見和可尋址的瑞薩科技（公司名稱）基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部?！斑@不僅僅是關(guān)于提高密度或記憶的物理學(xué)，這是材料科學(xué)。存儲器的應(yīng)用架構(gòu)是行業(yè)的發(fā)展方向。密度需要提高，因?yàn)槟Ｍ谙嗤膸捪芦@得更大的容量。我們可以根據(jù)每美元或每千兆字節(jié)的路徑進(jìn)行混合搭配，并且可以在SSD、DRAM和本地片上SRAM緩存之間使用分層。這將轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)系統(tǒng)的總擁有成本，并考慮我們將為每一層支付的成本?！?/p>

這實(shí)質(zhì)上提高了內(nèi)存管理的抽象級別。Kanigicherla說：“你可以從當(dāng)前的模式發(fā)展到在全球?qū)用娼鉀Q內(nèi)存問題，并基本上創(chuàng)建足夠有效的互連來管理緩存或減少延遲?！斑@就像是全局可尋址內(nèi)存的一個(gè)分區(qū)。很明顯，你需要提供帶寬。但好消息是，對于人工智能工作負(fù)載，它們對延遲不太敏感，對帶寬更敏感。所以你可以把這項(xiàng)技術(shù)放大。在CXL和UCIe之間，應(yīng)該有一種更漸進(jìn)的方式來分解內(nèi)存，可能包括光學(xué)互連，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的完整全局視圖。但這需要整個(gè)行業(yè)來實(shí)現(xiàn)。這可不簡單?！?/p>

圖：系統(tǒng)DRAM的集中控制。來源：瑞薩

內(nèi)存池是另一種選擇，并且在數(shù)據(jù)中心越來越受歡迎。內(nèi)存池對DRAM的作用相當(dāng)于超大規(guī)模擴(kuò)展對處理器內(nèi)核的作用。當(dāng)需要額外的內(nèi)存時(shí)，可以通過與額外的計(jì)算核心相同的方式獲得，通常通過CXL接口。

Rambus‘ Woo在最近的一次演講中說：“池化背后的想法是，如果我有一組服務(wù)器，它們每個(gè)都有內(nèi)存，那么它們每個(gè)都不太可能同時(shí)使用所有的內(nèi)存容量?！笨ㄋ古潦录?。“更有意義的做法是，將部分容量放入外部機(jī)箱，并像資源池一樣對待它。當(dāng)處理器需要的內(nèi)存超過機(jī)箱內(nèi)的容量時(shí)，它們可以在短時(shí)間內(nèi)取出并配置一些內(nèi)存，將其用于計(jì)算，然后將其放回池中。這是讓很多業(yè)內(nèi)人士感到興奮的新功能之一。再遠(yuǎn)一點(diǎn)，一旦你做了這些類型的事情，你就可以開始考慮通過開關(guān)連接內(nèi)存和池。CXL標(biāo)準(zhǔn)也允許多級交換。這種靈活性將有助于提高各種應(yīng)用的性能和總擁有成本。”

其他記憶方法

除了更傳統(tǒng)的方法之外，DRAM正在向不同的方向發(fā)展。這部分是因?yàn)橄虍悩?gòu)集成和高級打包的轉(zhuǎn)變，以及更多的領(lǐng)域特定設(shè)計(jì)，部分是因?yàn)樘幚砀咏鼣?shù)據(jù)源的好處。

“比較計(jì)算和DRAM，我們用17%的能量進(jìn)行計(jì)算，用63%的能量將數(shù)據(jù)從一點(diǎn)移動到另一點(diǎn)，”的內(nèi)存技術(shù)專家Jongsin Yun說西門子數(shù)字工業(yè)軟件?！斑@是相當(dāng)大的能量。我們可以節(jié)約成本，提高速度和能效。當(dāng)前的解決方案是在緩存中增加更多的內(nèi)存，但這是一個(gè)昂貴的解決方案。我們不需要將所有數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)移到DRAM。我們可以在內(nèi)存中進(jìn)行一些計(jì)算，或者使用一些基于GPU的人工智能卷積，這樣我們就可以在不轉(zhuǎn)移內(nèi)存的情況下進(jìn)行計(jì)算?！?/p>

如今的選擇比以往任何時(shí)候都多，處于開發(fā)階段的選擇也更多。華邦例如，開發(fā)了一些基于DRAM的內(nèi)存解決方案，但它們超越了傳統(tǒng)的DRAM使用模式。一個(gè)是該公司的單模立方體（定制超帶寬元件）架構(gòu)。另一種是偽靜態(tài)DRAM，它介于SRAM和DRAM之間，不需要外部數(shù)據(jù)重寫。這兩者都是針對可穿戴設(shè)備和邊緣服務(wù)器等特定市場。

“現(xiàn)在最熱門的話題是生成式人工智能，”華邦電子美國公司的營銷主管CS林說。“但是，數(shù)據(jù)中心中發(fā)生的事情與我們關(guān)注的地方有著不同的要求，并且有著非常不同的密度。我們專注于16千兆字節(jié)/秒及以下的密度，但該解決方案可擴(kuò)展至256千字節(jié)/秒。它以非常接近HBM2的帶寬運(yùn)行，但具有非常低的功耗優(yōu)勢?！?/p>

圖：立方體方法，延遲約25ns，5X單位密度高于14納米SRAM。來源：華邦

Lin說，這種方法的好處是能夠使用標(biāo)準(zhǔn)DRAM來提高性能，而不是依賴最先進(jìn)的處理節(jié)點(diǎn)。通常，更高的密度會產(chǎn)生延遲，但CUBE架構(gòu)使用數(shù)千個(gè)硅通孔來傳輸數(shù)據(jù)，這些通孔可以根據(jù)對更高帶寬或更高速度的需求進(jìn)行靈活分配。這允許更細(xì)粒度的系統(tǒng)架構(gòu)，以及更小的占用空間。

另一種方法是均衡化。這個(gè)計(jì)劃已經(jīng)醞釀了一段時(shí)間，但最終似乎越來越有吸引力。Synopsys的Allan解釋說：“均衡改善了您在信道末端接收的數(shù)據(jù)?！昂唵蝸碚f，這就像符號間干擾。當(dāng)一系列位通過通道傳輸時(shí)，當(dāng)一位完成時(shí)，實(shí)際上已進(jìn)入下一位的時(shí)域。信號上升和下降以及從1到0的轉(zhuǎn)換需要超過一個(gè)單位的時(shí)間間隔。你不是從穩(wěn)態(tài)低電位開始的。你正從一個(gè)更高的狀態(tài)開始。您使用決策反饋均衡來偏移輸入接收器中的采樣點(diǎn)。那么，我現(xiàn)在如何優(yōu)化我的輸入接收器，使1和0檢測具有相似的裕量呢？我真的沒有感覺到有什么東西會把基準(zhǔn)電壓正好放在中間。”

內(nèi)存計(jì)算也即將出現(xiàn)。雖然已經(jīng)有一些使用MRAM的商業(yè)方法，但普林斯頓大學(xué)的研究人員在2019年紙展示了FPGA中的外部DRAM控制器，它可以與現(xiàn)成的DRAM一起使用，以創(chuàng)建大規(guī)模并行計(jì)算。研究人員聲稱，這種方法克服了所謂的內(nèi)存墻，即邏輯性能超過了內(nèi)存帶寬。

權(quán)衡

那么，與DRAM相比，SRAM的使用量有多大呢？這沒有簡單的公式，因?yàn)檫@不是蘋果與蘋果的比較。

“真的沒有什么神奇的方法可以做到這一點(diǎn)，”首席技術(shù)官和聯(lián)合創(chuàng)始人王乘說Flex Logix?！拔覀兊拇蟛糠衷O(shè)計(jì)權(quán)衡來自模擬SRAM帶寬、SRAM容量和DRAM帶寬的性能評估。這是我們的三個(gè)主要旋鈕?；旧希覀冇兴姆N標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模的計(jì)算，不同數(shù)量的SRAM和DRAM帶寬適用于我們的標(biāo)準(zhǔn)IP產(chǎn)品。這是基于我們運(yùn)行模型的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以確定什么更好。如果我們有兩倍的SRAM容量，一些型號可以運(yùn)行得更好。如果通過將SRAM增加一倍，您的性能幾乎可以增加一倍，并且您將另外20%的面積用于2倍性能，那就太好了。但是，還有許多其他型號無法從額外的SRAM中受益，這樣一來，你就白白增加了那個(gè)區(qū)域。這就是擁有準(zhǔn)確的周期性能評估非常重要的原因。在我們的例子中，它不精確到單個(gè)周期，但它精確到8%，這超過了我們所需要的。然后，您可以對適當(dāng)?shù)腟RAM/DRAM計(jì)算權(quán)衡進(jìn)行大量架構(gòu)分析，這可能因工作負(fù)載類型而異?！?/p>

這是復(fù)雜的數(shù)學(xué)，隨著系統(tǒng)被分解成異構(gòu)元素，如小芯片，它變得更加復(fù)雜?！癝RAM需要每比特更多的晶體管來實(shí)現(xiàn)。的首席產(chǎn)品經(jīng)理Takeo Tomine說：“與DRAM相比，它的密度更低，價(jià)格更貴，讀寫時(shí)的功耗也更高?！盇nsys?！澳壳?，SRAM是在CPU通常采用的先進(jìn)finFET技術(shù)節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)的，由于finFET器件的熱阻較高，因此更容易受到熱效應(yīng)（自熱）的影響?！?/p>

在某些情況下，使用什么類型的內(nèi)存，以及在哪里使用，可能會歸結(jié)為設(shè)備的預(yù)期壽命?！坝袃蓚€(gè)主要的可靠性問題會導(dǎo)致記憶壽命的縮短，”Tomine說?！耙粋€(gè)是互連可靠性與技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小導(dǎo)致存儲器的壽命，因?yàn)樽詿釋?dǎo)致嚴(yán)重的電遷移（EM），這是最關(guān)鍵的可靠性問題之一。隨著技術(shù)的發(fā)展，材料和工藝技術(shù)不斷提高電磁壽命。第二是來自不同設(shè)備架構(gòu)的可靠性挑戰(zhàn)。在將器件架構(gòu)從finFETs轉(zhuǎn)移到納米片再到CFETs的過程中，熱阻率急劇增加，這意味著器件溝道的δT更高。器件自熱將與金屬焦耳熱耦合。器件的自熱會影響柵氧化層擊穿（時(shí)間相關(guān)的介電擊穿），還會降低HCI（熱載流子注入），這會惡化器件的BTI（偏置溫度不穩(wěn)定性）?！?/p>

可靠性是對存儲器設(shè)備在給定時(shí)間內(nèi)無故障運(yùn)行的能力的度量。智能手機(jī)的預(yù)期壽命為4年，而汽車、軍事或金融服務(wù)器應(yīng)用的預(yù)期壽命可能為10至15年（或更長），因此這一時(shí)間框架可能會有很大不同。能夠理解可能影響存儲器壽命的潛在交互是至關(guān)重要的，并且它們可能因架構(gòu)、存儲器類型和使用而異。

這也會影響所使用的內(nèi)存類型和整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)。因此，如果記憶可以被交換，那么壽命就沒有那些記憶被嵌入某種高級包裝并密封起來那么重要?！斑@就像有一個(gè)DRAM卡池，今天就可以升級，”瑞薩的Kanigicherla說?！笆褂肏BM，如果出現(xiàn)問題，你什么也做不了，所以你扔掉了一個(gè)非常昂貴的芯片。在CPU方面，服務(wù)器連接得非常緊密，您無法做太多事情來升級任何東西。這就是為什么這個(gè)全局共享內(nèi)存的概念是可行的。其中一些解決方案會自動出現(xiàn)?！?/p>

延遲增加了另一個(gè)權(quán)衡?！坝绕涫荋BM，你把處理器和DRAM放得很近，”Cadence IP Group產(chǎn)品營銷總監(jiān)Frank Ferro說?！斑@樣做有很多好處。HBM發(fā)展相當(dāng)迅速。我們幾乎每兩年就會看到性能的提高。所以曲線很陡。但是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，2.5D仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。優(yōu)化內(nèi)插器并幫助客戶設(shè)計(jì)，這確實(shí)是對話的關(guān)鍵部分?！?/p>

結(jié)論

自1967年發(fā)明以來，DRAM一直是計(jì)算的關(guān)鍵。雖然多年來無數(shù)的內(nèi)存技術(shù)對它提出了挑戰(zhàn)，但沒有什么能取代它。鑒于圍繞這項(xiàng)技術(shù)的狂熱活動，在可預(yù)見的未來，沒有什么能取代它。

現(xiàn)在的DRAM不止一種類型，而是多種類型，每種類型都在不斷發(fā)展，并產(chǎn)生新的想法。從內(nèi)存到處理元件的物理連接，到服務(wù)器機(jī)架外的內(nèi)存池，每個(gè)層面都有創(chuàng)新。目前正在努力縮短信號在內(nèi)存和處理器內(nèi)核之間的傳輸距離，這將減少傳輸數(shù)據(jù)所需的電量和每個(gè)周期所需的時(shí)間。

總的來說，DRAM仍然是一個(gè)充滿活力和創(chuàng)新的領(lǐng)域，而且還會有更多的創(chuàng)新和不同的方法來整合一個(gè)對性能、成本、可靠性和壽命有重大影響的內(nèi)存解決方案。

審核編輯：黃飛