DDR5 記憶體將啟航，來談談關於規格技術的某些事

2020 年 7 月 14 日，半導體標準化組織 JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）發表 JESD79-5 DDR5 SDRAM 標準，帶來許多關鍵性性能強化。隨英特爾近期正式發表第 12 代 Core 處理器（代號 Alder Lake），意味 2021 年是 DDR5 記憶體啟航元年。

（Source：美光）

此文盡量設法排除高深莫測的DRAM相關技術名詞，讓各位迅速了解DDR5相對DDR4的優勢與可能的影響，最後再同場加映英特爾Atom x6000系列引進的「In-Band ECC」技術，讓大家瞧瞧英特爾如何在沒有ECC模組下提供類似除錯功能。

「理所當然」的提升資料傳輸率

初期DDR5可提供超過DDR4 50%資料傳輸率，最終預期可達2.6倍8.4Gbps。回顧JEDEC SDRAM歷代演進，提升幅度算頗驚人，但到頭來也只是充分反應相隔八年累積的製程技術成長。

至於「一定會膨脹」的容量看似沒什麼好提，但後面會提到DDR5強化資料可靠性的手段。

更低電壓與嶄新電源架構

（Source：美光）

持續降低工作電壓也是歷代JEDEC SDRAM的傳統，從20年前DDR 2.5V一路調降到DDR5 1.1V，讓記憶體運作「理論上」更節能省電。

但當DDR5基礎工作電壓降到1.1V時，意味更小訊號容限，所以過去由主機板負責的電源管理功能，就轉移到記憶體模組本身，因此DDR5會多一顆PMIC，直接控制記憶體電源，提供更佳訊號辨識能力。

不過多了這顆PMIC也就墊高成本，都將轉嫁給製造商成本和消費者帳單，以及更高的缺料風險。

兩倍的Bank群組、通道架構與突發存取長度

Bank意指DRAM顆粒可單獨運作的儲存單元。DDR5採用八個Bank群組而成的32 Bank，是DDR4兩倍。DRAM因儲存原理是需定時更新（Refresh）資料的電容，DDR4與前代更新時無法執行其他操作，但DDR5可透過Same Bank Refresh （REFsb）命令，允許系統更新某些Bank時，可存取其他Bank的資料。

換言之，DDR5存取可用性起碼是DDR4兩倍。

（Source：美光）

DDR5另一個規格面重大變化（也許是最重要者），在於將雙通道實作於單模組。過去DDR都是72位元（64位元資料＋8位元ECC），但DDR5變成兩組40位元（32位元資料＋8位元ECC）。兩個較小獨立通道可提高記憶體存取效率，特別是縮短存取延遲。分而治之的結構，也可便於提高訊號完整性。

（Source：英特爾）

看起來似乎好棒棒？但對伺服器會用到的ECC模組就不是這樣了，因拆成兩邊都需要完整ECC，會增加額外顆粒數量，例如原本18個顆粒的ECC模組就可能變成20顆，意味更高成本。

（Source：Rambus）

再來就是跟以上雙通道結構息息相關的突發存取長度（Burst Length）了，這數字決定單一讀寫指令可存取的資料量。DDR5的BL從DDR4八倍增到16，這對時下的主流處理器是個「魔術數字」。為何？DDR5的雙通道結構讓單次資料存取寬度變成32位元（4 Byte），BL16就代表「可一次填充處理器的64 Byte快取記憶體區塊」。

換句話說，一條DDR5模組可同時滿足兩個64 Byte快取區塊的需求，是DDR4兩倍。

（Source：美光）

更高的記憶體有效頻寬比例

一般來說，JEDEC SDRAM的記憶體有效頻寬比例，多半是約定俗成的80%（理論和實際畢竟有差距），但DDR5結合這麼多架構改進，按某些記憶體模組廠商估算，這次有機會達85%~90%，很接近Rambus水準（號稱90%以上）。搞了這麼多年，JEDEC SDRAM「總算」看到Rambus的車尾燈，值得大書特書一下。

筆者不得不先談談Rambus這個英特爾晶片組發展史的黑歷史了。Rambus發展出一系列所謂「Protocol-Based DRAM」將傳統匯流排的定址、控制與資料，都包在類似網路封包的Packet內，然後DRAM內部整合大多數控制單元功能，每顆DRAM如同一個網路裝置，連接一條超高速序列（Serial）匯流排「串串樂」。也因此，Rambus DRAM不能有空記憶體模組，未使用記憶體模組須安裝「假的」CRIMM（Continuity RIMM）當終端。

Protocol-Based DRAM可用更少資料線就達成更高記憶體頻寬，也會有更高記憶體有效頻寬。Rambus的缺點也很明顯，更長存取延遲、高昂製造成本、更高發熱量，以及Rambus惡名昭彰的授權費。與PC133 SDRAM相比，同容量Rambus價格多達2~3倍。日後FB-DIMM（Fully-Buffered DIMM）也繼承類似Rambus的精神，終究難逃相同的命運。

更高的資料可靠度

以電容為儲存原理的DRAM，顆粒容量及儲存密度成長，背後藏著諸多潛在風險，如像構成地球低強度背景輻射的帶電粒子，引起位元翻轉的記憶體軟錯誤（Soft Error)，這也成為潛在資安攻擊目標。這也是為何高效能非揮發性記憶體一直視為遲早取代DRAM的主因之一（雖然遲遲沒有發生）。

為了強化穩定性，DDR5支援晶粒內建除錯（On-Die ECC）機制，每128位元資料就附帶8位元除錯碼。不過筆者並不認為這能取代標準ECC模組，只能說確保容量更大的DDR5顆粒可維持和過去同等級的資料可靠度。

這會增加多少潛在顆粒成本，只有原廠自己心知肚明。總之談錢傷感情，就乾脆不談了。

（Source：美光）

同場加映：英特爾Atom x6000系列的In-Band ECC

既然全文提到這麼多次ECC，筆者就同場加映談談英特爾新一代Atom x6000處理器（代號Elkhart Lake）導入的In-Band ECC（或稱In-Line ECC）技術，不需要ECC記憶體模組也能達到相似資料可靠度。

針對工業自動化的相關應用，英特爾Atom x6000系列補強不少新功能，如工業級時間敏感網路（Time Sensitive Networking，TSN）和時間協調運算（Time Coordinated Computing，TCC），安全性和管理性也絲毫不含糊。基本上，論針對特定生態系統的解決方案完整度，也是現階段AMD依舊不及英特爾的先天弱點。

（Source：英特爾）

說穿了，In-Band ECC藉由DRAM內分割一塊特定區域，存放記憶體資料的ECC碼。以Atom x6000為例，每64 Byte資料分配到2 Byte ECC，記憶體容量預留1/32放置後者。處理器記憶體控制也勢必多出相關後繼處理步驟。

（Source：Synopsys）

但天底下沒有白吃的午餐，In-Band ECC固然達成「低成本的高可靠度」，但前提是犧牲記憶體的讀寫性能。照英特爾官方說法，啟動In-Band ECC後，記憶體讀取效能劇降至原本一半，記憶體寫入更下探到三分之一。話說回來，這對工業物聯網應用，或許的確是值得的代價。

最後，終於是升級記憶體的好時機了嗎？

（Source：JEDEC）

秉持勤儉持家的原則，筆者死守DDR3多年，連現在用的主機板都刻意選支援DDR3的華碩Z170M-3 D3，死撐活撐，直到最近微軟Windows 11判了確定無法升級的死刑。看在遲早得面對現實升級整台桌機的份上，看到DDR5明顯演化，說不想直奔DDR5絕對是騙人的。

但時下世界正處於史上前所未見的「萬物缺料」，什麼都漲，DDR5價格何時才能降到可負擔的水準，筆者實在毫無樂觀的理由，只能繼續看硬體測試網站的效能測試數據過過乾癮了。

（首圖來源：shutterstock）