法定继承人DDR5

　　要说到DDR5，必须首先明确一个问题。它与目前主流的DDR5显存，即GDDR5并不是一回事虽有一定的血缘关系，但关系已经相当远了。DDR5是从目前主流的DDR4发展而来。但GDDR5却是从DDR3进化而来的。此外还有另一个发展路线上的低功耗产品LPDDR5。虽然技术有些关联，但主要面向移动、集成市场（图1）。

　　DDR5的规范其实在2016年就开始规划，也就是说DDR4刚刚开始走上正轨。厂商们就在筹划下一代内存了。这一规范主要由三星提出、美光参与。具体性能方面。规划中的DDR5从3.2GHz等效频率起跳，主流频率会达到6.4GHz，容量则为16GB起跳电压1.1V。而从目前公布的一些DDR5颗粒来看。似乎厂商有意直接出货6.4GHz左右的高频产品（图2），与目前已经进入主流价位的DDR 43×00内存拉开档次。
　　微小的进步和出色的兼容性
　　总体来看，DDR5其实就是等效频率翻倍的DDR4，而其翻倍的方式也和之前的DDR2、3、4一样，利用了每个时钟周期内电平的不同来触发（图3），在保持基础频率的基础上可以获得数倍的等效运行频率。这样渐进式的发展兼容性更好，是DDR5成为下一代标准的主要原因之，。
　　当然，DDR5已经需要在一个时钟周期内触发惊人的32次动作，所以需要非常精确地测量时钟脉冲和电平，并且维持非常高的运行速度和稳定性。为此DDR5颗粒和内存条中也增加了一些新模块、电路和算法，比如用来修正时钟相位、减小时钟误差的相位插值/旋转器（PhaseRotator），用来调整均分时间的延迟锁定回路（Delay-Locked Loop），以及注入锁相振荡器（Injection LockedOscillator）和前向反馈均衡电路（FFE）等。很显然，虽然DDR5没有进行架构大改，但更复杂的电路及元件以及早期的良品率问题还是会明显提升成本，所以预计其上市价格将大幅高于DDR4内存。
　　DDR6紧随其后
　　作为DDR5最有可能的后继产品，DDR6也已经初露端倪。这次的先行厂商是SK海力士，其开发的DDR6内存预期速率12GHz，即DDR6-12000，正好又是主流DDR5速率的两倍。DDR6还可能采用更高的每周期数据传输能力等技术进一步提升性能，使其成为一次性能跨越较大的内存升级。根据媒体采访透露出的信息，SK海力士预计DDR6将在5年～6年内发展完成，正式进入主流市场。
　　需要注意的是，SK海力士在研的“后DDR5”产品仍为技术概念，目前成型的主要有两种，其中一种是延续现有的数据传输规范，另一种则是将DRAM与CPU等片上系统的处理技术结合。很显然，后一种其实和目前HBM内存的使用方式很类似。
　　GDDR显存与LPDDR内存
　　在内存规范中，很多人经常会被GDDR和LPDDR搞糊涂。其实GDDR基本与同代DDR没有什么关系，而是有着自己的发展路线，只是有时会有一些交叉。比如GDDR2是DDR2内存的优化版本，而GDDR3内存基本上是原封不动照搬了DDR3颗粒，后续的GDDR4、GDDR5（图4）、GDDR5X都是进一步优化的GDDR3（DDR3）。GDDR6（图5）的变化更大一些，每个芯片配置了两条x8/x16通道，而GDDR5仅有一条通道，此外电压下降到1.35V，耗能降低了35%左右，因此获得了和HBM甚至HBM2显存一较高下的能力。同时其针脚数量也比GDDR5X有所减少，生产、使用都更方便。
　　当然与DDR内存颗粒相比，GDDR还是有一些改变的，比如修改了外部接口，使用更高的集成度，可以用更少的颗粒提供足够的带宽，但在一定程度上牺牲了延迟，R寸也略大一些。GDDR还会尽量提升运行效率，获得更高的等效频率，同时降低功耗。当然这些能力除了对架构、工艺的修改外，也是因为显存利润较高，所以厂商也更倾向于在GDDR颗粒的制造中投入更新的技术、制程。
　　至于LPDDR系列，则是（Low Power Double DataRate SDRAM，低功耗DDR内存）的简称，它们的技术、架构与同代DDR内存基本相同（图6），但使用非常低的电压，如LPDDR4使用1.1V电压，使其功耗大幅降低。
　　需要注意的是，LPDDR和低电压DDR内存如DDR3L也不一样，其电压更低，功耗也更小，因此平台定位就完全不同，前者主要用于手机、平板电脑等设备，而后者则和普通DDR内存的应用方式基本相同，主要用于笔记本电脑，也大量用于台式电脑中。

蛰伏的HBM

　　除了DDR5，目前已经很成熟的内存技术还有HBM（高带宽内存），它在高端显卡上的表现也很抢眼。为什么来自CPU大厂AMD，并且早就宣布过要进军PC内存市场的HBM，却迟迟没有真正的动作？它又会不会借着第二代产品HBM2的成熟和本次PC内存的升级进入内存市场呢？要理解这些问题，咱们先得了解HBM内存及其特点。
　　顾名思义，HBM内存最大的特色就是位宽特别高，可以在较低频率下实现很高的数据传输率。如果以道路进行比喻，那么DDR内存就是通过不斷提高车速来换取更快的数据运输速度，而HBM则是把路尽量拓宽，通过并行更多的车辆来换取更大的数据运输量。HBM的封装构造也和DDR内存完全不同，是多层颗粒层叠放置（图7），所以体积可以做得很小（图8）。 　　日日M内存的问题也恰恰在于它的工作方式，由于带宽非常大但频率相对较低，所以与核心连接的线路更复杂、对延迟的敏感度更高。要用HBM做PC内存的话，内存插槽与处理器接口间就必须尽量接近，而且线路非常复杂密集;而如果像GPU一样把它直接做在CPU封装内（图9），就要放弃内存插槽，这都需要对主板结构进行大改。
　　另外的问题来自CPU，HBM能用于GPU的原因是现在GPU显存位宽都很大，主流产品192bit起步，使用HBM内存的Vega 64（010）和Titan V更达到了2048bit和3072bit。但目前主流CPU的内存控制器只能使用128 bit双通道，根本没法充分利用HBM的高带宽，甚至还限制了可用的内存容量。
　　HBM仍需机会
　　DDR内存终归是一种改进式产品，速率一直加倍、加倍就需要越来越精细地控制、识别时钟电平，稍微有一点波动就会造成频率不稳，长远看来必然难以为继，这也是为什么在“后DDR5”时代的内存开发中，出现了类似HBM的与CPU集成的方案。
　　笔者认为，HBM或者更新架构的内存无疑是未来的发展方向，不过这需要处理器、主板甚至整个PC架构大改，因此仍需要等待机会。
　　目前看来，HBM的机会主要有两种，一是遇到了非常强力的推手，例如支持HBM，同时具有划时代意义的处理器及相应平台。但在目前已知的下一代产品如第三代锐龙、Sunny Cove中，都没有确认会支持HBM，而且它们似乎都没有采用超高内存带宽的设计，应该也无法发挥HBM的能力。
　　二是DDR模式的渐改方式出现问题，过高的频率和过于精细的分频让DDR内存变得非常不稳定，或者需要添加更多额外的元件、电路，使得成本无限制地上涨。此时HBM或其他类型的内存，以及新的PC架构就会占有成本优势，进而成为新的主流。
　　目前的内存选购策略
　　从目前的情况可以判断，两种淘汰DDR内存的机会最近都不会出现，所以DDR内存的生命还是相当长的。对准备装机的用户来说，并未商品化的DDR5也无需等待，从平台支持和自身的成本来看，它大规模取代DDR4内存估计要到2022年了，近期公布的处理器如锐龙300和X570芯片组即使开始支持DDR5，也必然会保留对DDR4的支持，且主流主板肯定也会有DDR4插槽的。

彻底革命新的内在方式

　　作为目前电脑中的主力通信协议，PCle的历史已经很长了，即使是PCle 3.0也有着近10年的历史。这在电脑设备标准中是比较少见的长寿了。而从PCle 1.0到3.0，虽然每一代的带宽只提升为两倍（图11），但实际体验却有很大的区别。
　　以显卡为例，一代PCle可以很好地支持早期GPU，PCle 2.0时代可以让显卡配合处理器进行异构运算，PCle3.0足够的带宽让双显卡并联完全可以不用桥接器。另外比如现在流行的高速M.2 SSD，也只有在单通道达到1GB/s的PCle 3.0时代才能拉开与SATA接口的差距。

　　那么PCle 4.0呢？现在的RTX 2080 Ti已经把PCle 3.0×8的带宽吃得干干净净，实际带宽需求在PCle 3.0×10左右（图12）。所以不用等下一代显卡，现在RTX 2080 Ti SLI（8+8）或者RTX未来的顶级Titan型号就已经需要更大的带宽了。此外使用PCle 4.0的SSD性能也非常强，传输速度已经可达到6.4GB/s级别（PCle 4.0×4），而且已经有用于服务器中的产品（图13）。
　　然而这些传统应用并不是PCle 4.0带来的最大改变。其实我们计算一下就会发现，PCle4.0×16插槽的带宽已经达到了32GB/s，接近双通道DDR4 2400内存（38.4GB/s）的带宽，完全是内存级别的传输速度。而在其上运行的3D Xpoint产品则拥有极强的潜力，目前已经可以提供远超NAND，更接近内存的传输速度、相应延迟等指标（图14）。

　　在目前已经大量使用PCle 4.0的服務器领域，英特尔已经推出了一种新形态的存储架构，即将基于3D Xpoint技术的产品作为内存与SSD存储之间的缓冲（图15），可以大幅降低相应元件的压力，同时大幅提升系统整体性能。甚至可以说英特尔最新的服务器芯片，在性能方面的提升已经开始依赖于这种新架构了（图16）。

　　那么，与PCle 4.0搭配的3D Xpoint技术到底有何神奇之处，用于服务器的3D Xpoint产品与现在大家熟悉的用来加速硬盘的傲腾有什么不同呢？
　　改变格局的搭档 3D XPoint
　　3D XPoint是一种由英特尔与美光（Micron）共同开发的存储技术，虽然其具体原理和结构都仍在保密中，不过基本可以确定，它是一种使用电阻来标记数据状态的新型存储技术。由于电阻这种特性无需电荷来维持，所以其存储的数据是“非易失性”的，也就是除非进行主动擦除，否则断电之后数据仍然存在。 　　3D XPoint的结构非常简单，由选择器与内存单元共同构成，它们位于线路的交叉位置，可以通过电流快速改变内存单元的电阻，或者读取其中的电阻状态。这一过程中电阻的改变是非常快的，而同时所需的电压也比目前的NAND擦写更低。
　　3D Xpoint不仅读写快，而且因为始终是以bit为基本单位进行操作，在擦写时的系统消耗更是远低于NAND，因为后者在这一过程中需要进行至少Kbit为单位的数据块操作，而不能直接以bit為单位进行擦写。所以3D Xpoint设备并不需要NAND设备使用的垃圾回收机制等设计，可以极大地简化控制器与固件结构，同时也可以提供更高的性能与更低的功耗。

　　3D XpointfAPCle 4.0应用模式
　　目前的NAND SSD速度为500MB/s～6GB/s，而高速系统内存的带宽则为48GB/s（双通道DDR4 3000），两者间差了一个数量级;NAND颗粒的延迟为100微秒，DRAM只有十几纳秒，相差了4个数量级左右。目前的3D Xpoint性能恰好在其中间，且更加靠近内存，例如其延迟比NAND小1000倍，与DRAM一样为纳秒级别，如果作为系统内存，可以获得与DRAM类似的性能，同时还具有关机数据保留、低功耗等很多与现在完全不同的应用能力（图17）。

　　借助PCle 4.0×16通道的力量，3D Xpoint设备带宽则可达到32GB/s，同样更接近系统内存带宽。我们这里讨论的带宽还只是单条插槽的能力，如使用类似内存的多插槽多通道技术，3D Xpoint存储带宽还可倍增（图18）。而即使是目前在消费级平台上更常见的NVMe接口3D Xpoint设备，在同样常用的NVMe（PCle4.0）×4通道支持下，带宽也可达到6.4GB/s～8GB/s，很适合作为内存与SATA SSD、HD之间的存储缓冲设备。
　　其他存储技术和PC形态
　　除了3D Xpoint之外，相变存储器、高速磁存储设备等新形态存储产品，在高带宽的PCle 4.0或者未来的PCle 5.0时代，也都可能成为改变电脑内存架构的新力量。而其高性能的基础，除了更先进的高速存储技术之外，新的PCle总线、插槽提供的高带宽也是必不可少的。
　　当然，也许要到PCle 5.0甚至更遥远的PCle 6.0时代，新形态存储技术和应用模式才能真正成熟。不过在PCle 4.0时代，以3D Xpoint为首的新存储技术至少已经揭开了PC架构发展的契机，未来的PC形态，就在这一刻悄悄地开始改变了。