DDR4的技術(shù)變革與應(yīng)用限制_市場趨勢解析

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（Dynamic Random-Access Memory，DRAM）是常見的內(nèi)存元件。在處理器相關(guān)運(yùn)作中，DRAM 經(jīng)常被用來當(dāng)作資料與程序的主要暫存空間。相對于硬盤或是快閃內(nèi)存（Flash Memory），DRAM 具有存取速度快、體積小、密度高等綜合優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛的使用在各式各樣現(xiàn)代的科技產(chǎn)品中，例如電腦、手機(jī)、游戲機(jī)、影音播放器等等。自 1970 年英代爾（Intel）發(fā)布最早的商用 DRAM 芯片－Intel 1103 開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步與科技產(chǎn)品的演進(jìn)，DRAM 標(biāo)準(zhǔn)也從非同步的 DIP、EDO DRAM、同步的 SDRM（Synchronous DRAM）、進(jìn)展到上下緣皆可觸發(fā)的 DDR DRAM（Double-Data Rate DRAM）。每一代新的標(biāo)準(zhǔn)，目的不外乎是針對前一代做以下的改進(jìn)：單位面積可容納更多的內(nèi)存、資料傳輸?shù)乃俣雀?、以及更少的耗電量。更小、更快、更省電，是半?dǎo)體產(chǎn)業(yè)永不停息的追求目標(biāo)，當(dāng)然 DRAM 也不例外。

固態(tài)技術(shù)協(xié)會（JEDEC）于 2012 年 9 月正式公布最新的 DDR DRAM 標(biāo)準(zhǔn)，DDR4（第四代 DDR DRAM）。距上一代 DDR DRAM，也就是 DDR3 的發(fā)布，已有 5 年之久。對于產(chǎn)品日新月異，瞬息萬變的科技業(yè)而言，5 年是非常久的時(shí)間。2007 年 6 月第一代 iPhone 問世，同年 DRAM 產(chǎn)業(yè)宣布 DDR3 時(shí)代來臨；到了 2012 年，iPhone 都已經(jīng)推進(jìn)到 iPhone5 了，DRAM 才正式進(jìn)入 DDR4，相比之下 DRAM 的進(jìn)步不得不說相當(dāng)緩慢。隨著移動(dòng)設(shè)備的盛行，個(gè)人電腦市場逐漸式微，加上缺乏可以刺激消費(fèi)者積極更新設(shè)備的應(yīng)用程序，這些因素都降低了大眾對新一代 DRAM 標(biāo)準(zhǔn)的渴望。即使新標(biāo)準(zhǔn)看起來有更多優(yōu)點(diǎn)，但無法激起消費(fèi)者的購買欲望，就沒有市場，新一代 DRAM 的需求若不顯著，DRAM 廠對于投入資金研發(fā)新技術(shù)的意愿就顯得意興闌珊，新標(biāo)準(zhǔn)的制定也就不那么急迫了。

DDR4 PK.DDR3

即使緩步前進(jìn)，DDR4 終究還是來到大家的面前。新的標(biāo)準(zhǔn)必定帶來新的氣象，讓我們來看看 DDR4 與 DDR3 有什么不同之處：

DDR4 標(biāo)準(zhǔn)與 DDR3 標(biāo)準(zhǔn)簡單對照表（Source：micron）

儲存容量： 單一的 DDR4 芯片擁有比 DDR3 多一倍的儲存空間，而每個(gè) DDR4 模組（module）最多可搭載 8 個(gè) DDR4 芯片，比 DDR3 多一倍。也就是說，DDR4 模組的最大容量比 DDR3 多 4 倍。主機(jī)板上相同的位置，DDR4 可容納更大的內(nèi)存容量；換個(gè)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(guī)格定義到 3200MHz，將來可望達(dá)到 4266MHz。

耗電量： 省電是 DDR4 最明顯的改進(jìn)之處。DDR3 所需的標(biāo)準(zhǔn)電源供應(yīng)是 1.5V（伏特，電壓單位）而 DDR4 降至 1.2V，專門為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的低功耗 DDR4（LPDDR4）更降至 1.1V。除了降低工作電壓，DDR4 支持深度省電模式（Deep Power Down Mode），在暫時(shí)不需要用到內(nèi)存的時(shí)候可進(jìn)入休眠狀態(tài)，無須更新內(nèi)存（Refresh），可進(jìn)一步減少待機(jī)時(shí)功率的消耗。

DDR4 vs. DDR3的標(biāo)準(zhǔn)化能量消耗（Source：extremetech）

除了上述的三個(gè)主要部份外，DDR4 還支持命令/位址匯流排上的同位核對（parity check），以及在資料寫入時(shí)，資料匯流排上支持循環(huán)冗余核對（CRC）等功能，以自動(dòng)偵錯(cuò)的方式來避免因訊號干擾而導(dǎo)致不正確的命令或資料被寫入內(nèi)存，增加高速傳輸時(shí)資料的完整性。

DDR4 應(yīng)用限制

世上沒有白吃的午餐。雖說 DDR4 具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用上卻有額外的負(fù)擔(dān)。

首先，跟 DDR3 相比，DDR4 讀寫指令需要更長的啟動(dòng)時(shí)間周期（Read Latency 或 Write Latency，也就是讀寫指令下達(dá)后，需花費(fèi)多少時(shí)間周期，資料才會出現(xiàn)在界面上）。因此在相同頻率下，DDR4 的讀寫效率會比 DDR3 低。這其實(shí)是可以理解的。隨著半導(dǎo)體制程技術(shù)的提升，內(nèi)存對外的界面邏輯電路的速度也越變越快，但內(nèi)存內(nèi)部的反應(yīng)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(shí)間周期才能被啟動(dòng)。換句話說，DDR4 的輸入時(shí)脈頻率或許可以比 DDR3 快上一倍，但內(nèi)存的反應(yīng)速度并沒有增快一倍，因此只好定義更多的讀寫起始周期來因應(yīng)。若因?yàn)橄到y(tǒng)的限制，使得 DRAM 的輸入時(shí)脈無法達(dá)到太高的頻率時(shí)，DDR3 的讀寫效率會比 DDR4 來得好。其實(shí)從 DDR2 進(jìn)展到 DDR3 時(shí)也有類似的問題發(fā)生。新一代的內(nèi)存在剛推出的時(shí)候，價(jià)格不但偏高，同頻操作下的效率又比舊型內(nèi)存差，總要過一段時(shí)間，市場對高速內(nèi)存的需求升高，再加上產(chǎn)能提升帶動(dòng)單位內(nèi)存價(jià)格的下降，才會真正達(dá)到世代交替。

其次，DDR3 有 8 個(gè)獨(dú)立內(nèi)存組（bank），每個(gè)bank可獨(dú)立接收讀寫指令?？刂?DRAM 的邏輯電路若妥善安排內(nèi)存位址，可以減少相鄰讀寫指令間等待的時(shí)間，降低資料匯流排額外閑置的機(jī)率，提高傳輸?shù)男?。DDR4 雖然增加內(nèi)存組數(shù)為 16，但卻加入內(nèi)存群組（bank group）的限制。不同 bank 但若屬于同一個(gè) bank group，連續(xù)讀寫指令間必須增加等待時(shí)間周期，造成資料匯流排的閑置機(jī)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(dá)成最高效率，對于控制 DDR4 的邏輯電路設(shè)計(jì)是新的挑戰(zhàn)。

目前各 DRAM 大廠已陸續(xù)推出 DDR4 的內(nèi)存模組，英代爾最新個(gè)人電腦旗艦平臺 — Haswell-E 搭配 X99 芯片組全面支持 DDR4，價(jià)格上比相似規(guī)格的 DDR3 貴上 20~50%，實(shí)際使用起來卻感受不到太大的差別。其實(shí)內(nèi)存的執(zhí)行速度雖然重要，多數(shù)情況下并不是系統(tǒng)效能的瓶頸所在。因此，價(jià)格如果不能大幅降低，對桌上型電腦的消費(fèi)者而言，改用 DDR4 的誘因不大。

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

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

移動(dòng)DRAM興起帶動(dòng)市場需求

近幾年 DRAM 的供需市場產(chǎn)生很大的變化。 2013 年美光（Micron Technology Group）并購日本內(nèi)存大廠爾必達(dá)（Elpida）后，全球 DRAM 生產(chǎn)幾乎由前三大公司：三星（Samsung）、海力士（SK Hynix）以及美光所霸占，小廠只能挑選大廠已經(jīng)淘汰的小眾市場勉強(qiáng)維持。而低功耗的移動(dòng) DRAM（mobile DRAM）逐漸取代標(biāo)準(zhǔn)型 DRAM，成為 DRAM 產(chǎn)業(yè)最重要的市場。根據(jù) DRAMeXchange 所做的統(tǒng)計(jì)，蘋果公司（Apple Inc）已是全球 DRAM 最大采買商，預(yù)計(jì) 2015 蘋果的產(chǎn)品將占用全球 25% 的 DRAM 產(chǎn)能。

DRAMeXchangee 更進(jìn)一步預(yù)測，2014 年移動(dòng) DRAM 占整體 DRAM 產(chǎn)出的 36%，2015 年有機(jī)會突破 40% 大關(guān)。由此趨勢看來，未來幾年，移動(dòng)內(nèi)存大有機(jī)會取代標(biāo)準(zhǔn)型 DRAM，成為最大的 DRAM 產(chǎn)出。目前高端智能手機(jī)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(yán)格。今年多家手機(jī)大廠新推出的旗艦型智能手機(jī)計(jì)劃將搭載低功耗的移動(dòng) DDR4（LPDDR4），加上蘋果新一代 iPhone 與 iPad 將提高內(nèi)建 DRAM 容量，預(yù)期 LPDDR4 將比標(biāo)準(zhǔn) DDR4 更快普及?？礈?zhǔn)移動(dòng) DRAM 的商機(jī)，DRAM 三大廠紛紛宣布設(shè)置新設(shè)備來增加移動(dòng) DRAM 的產(chǎn)量。在標(biāo)準(zhǔn)型 DRAM 方面，雖然個(gè)人電腦市場需求下滑，但近年來云端運(yùn)算與云端資料儲存應(yīng)用的崛起，帶動(dòng)服務(wù)器設(shè)備需求逐年攀升，服務(wù)器 DRAM 也跟著穩(wěn)定成長，成為標(biāo)準(zhǔn)型 DDR4 切入市場的契機(jī)。

以 DRAM 的基本結(jié)構(gòu)（一個(gè)電容和一個(gè)電晶體組合成一個(gè)記憶單元）來看，未來在速度與耗電量的改進(jìn)空間不大，產(chǎn)學(xué)界早已積極開發(fā)類似的內(nèi)存架構(gòu)，例如 Z-RAM、TTRAM 等，DDR4 會不會是末代 DRAM 標(biāo)準(zhǔn)，誰也無法預(yù)測。

***的 DRAM 產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)是***科技界指標(biāo)性產(chǎn)業(yè)，但經(jīng)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(gè) DRAM 周期的春天來臨前就黯然退出主要競賽行列。僥幸存活的少數(shù)廠商只能轉(zhuǎn)而幫其他大廠代工，或是改為生產(chǎn)不被大廠青睞、市場規(guī)模較小的產(chǎn)品。如今內(nèi)存整體市場已經(jīng)跟 10 年前大不相同。移動(dòng)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)所帶動(dòng)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***廠商在內(nèi)存產(chǎn)業(yè)還是大有可為。