DDR4 記憶體即將導入個人電腦平台，簡單看懂改朝換代的意義

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JEDEC 於 2012 年間，正式發布下一世代記憶體標準規範 DDR4，相較於現行 DDR3 資料傳輸速率上看 3200Mbps，標準電壓由 DDR3 的 1.5V 調降至 1.2V，意味性能提升之餘還更為省電。Intel 預定年底推出的 X99 平台將會率先支援，在此之前先來簡單搞懂，升級 DDR4 的效益究竟是？

記憶體規格的演進，向來令眾多使用者牙癢癢，因為新世代製品價格必然高出一截。不過除非規範早已不敷應用需求、製造商面臨物理限制，否則 JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council ，美國電子工程設計發展聯合協會）還不至於善變的頻繁更改規格，各世代記憶體的生命週期說來還算是頗長。

DDR3 瓶頸是卡在速率實現

▲ 近代記憶體規範演進歷程示意圖，變化是工作電壓降低、資料傳輸速率提升。

現行 DDR3 規範是於 2007 年頒布，約莫在 2009 年起開始大量導入個人電腦平台應用，典型規格特徵為 DDR3-800 / 800Mbps、1.5V。JEDEC 因應各類電腦系統、行動裝置，對於節能省電與性能的需求，前些年陸續再頒布 DDR3-1866/2133、DDR3L 1.35V 低電壓等規範。

時至今日，DDR3 仍然算是好用，不過已經漸漸無法滿足 HPC（High-performance computing system，高效能計算系統）之類商業應用的需求。資料傳輸速率為其中關鍵，即便你能舉一反三的說，DDR3 不也是能達到如 DDR3-2600 以上速率規格了，沒有非要 DDR4 不可的理由吧？

得留意，那可是藉由 XMP 之類超頻功能而來，既然是超頻那就有相容性問題。其次雖然 JEDEC 規範已經開到 DDR3-2133，晶圓廠是否願意大量投產原生顆粒也是個問題，現實是常見最高規格原生顆粒仍停留在 DDR3-1600。因此那些高時脈模組，都是拿比如 DDR3-1600 之類顆粒超頻而來，代價是得提高工作電壓。左看右看，這招顯然不適用於商用電腦環境，如此便構成改朝換代的合理性。

DDR4 傳輸速率上看 3200Mbps

▲ 此示意圖是以雙通道組合為比較基礎。

依據 JEDEC 當前頒布規範而言，DDR4 起始規格為 DDR4-1600，理論資料傳輸頻寬為 12.8GB/s。其餘規格分別是 DDR4-1866（14.9GB/s）、DDR4-2133（17GB/s）、DDR4-2400（19.2GB/s）、DDR4-2666（21.3GB/s），目前規範定義最高規格是 DDR4-3200，資料傳輸頻寬高達 25.6GB/s。

反觀 DDR3 世代產品，當前常見產品規格是 DDR3-1333（10.6GB/s）、DDR3-1600（12.8GB/s），在零售通路市場很容易購買到原生顆粒模組產品。雖然 JEDEC 已將 DDR3-1866（14.9GB/s）、DDR3-2133（17GB/s）納入規範中，由於需要較先進製程來生產，基於獲利有限且 DDR4 即將到來等因素，晶圓廠投產意願有限而不容易看到。

如同 DDR2 跨入 DDR3 世代那樣，從 DDR3 進化到 DDR4 世代，彼此高、低規格產品同樣會重疊到。不過就現實面而言，當模組廠商生產意願提高，市場上也比較容易購買到實體產品時，通常已經距離首波上市產品一段時日。未來我們實際採購 DDR4 模組時，能買到的基本規格產品也許是 DDR4-1866 甚至 DDR4-2133，升級的動作並不會失去意義。（以 Micron 目前產出的樣品為例，是自 DDR4-2133 起跳）

預設工作電壓降低 20％

▲ JEDEC 亦擬定了 DDR4 低電壓規範，可低至 1.05V。

除了資料傳輸速率的提升，DDR4 另一改革重點是基本工作電壓降低，由 DDR3 的 1.5V 調降到 1.2V。規範中亦擬定了低電壓版本，現行 DDR3L 是 1.35V，低電壓版本 DDR4 預估是約為 1.05V。單看這數值頗為無感，其意義是在於解決高時脈耗電量問題，因為電流需求量會伴隨脈提升而拉高，簡單帶入功率公式即可看出效益。

雖然電壓值看起來不過約莫 20％差距，得留意在現實中，DDR3-1866、1.5V 原生顆粒已經很少見，更遑論原生 DDR3-2133 顆粒。那些超過 DDR3-1866 時脈組態的模組，都是採用 DDR3-1600 甚至 DDR3-1333 顆粒超頻而來，故電壓普遍會拉高到 1.60～1.7V 不等，意味耗電量會隨之拉高更多。基於這些現實面限制因素，不容忽視 DDR4 這看似小小的變化，這可是相當關鍵的轉變。

▲ DDR4 產品普遍將以目前最先進的半導體製程投產，其目標為 2xnm 世代。

DDR3 自 2007 年頒布以來，廠商不盡然是以 4xnm 世代製程投產，最早先可是從 5xnm 這樣一路演進走過來。DDR4 基於新世代產品結構上有些許的不同，而且初期投入量產的毛利比較高，晶圓廠會願意以最新製程技術來生產。新製程有利於改善半導體漏電流現象，能夠降低真實消耗功率，並且讓工作溫度也降低些。

此外，DDR4 架構中新增了 POD（Pseudo Open Drain，偽開放汲極）介面，用以減少 I/O 電源消耗量，據稱讀寫資料理論消耗功率隻有 DDR3 的一半左右。因此從消耗功率角度來看，DDR4 節能性可就不隻電壓值那區區約 2x％差異而已，實體產品可能會如配圖顯示那般高。

新增 Bank Group 群組設計

▲ 舊世代記憶體規範架構示意圖。

DDR 記憶體核心架構中都具備預取（Prefetch）機制，當前主流 DDR3 模組為 8N 設計，DDR4 沿用了這設計，此外還新增納入 Bank Group 架構設計。預取意味在 1 個時脈週期內，得以傳輸多少資料量給予 I/O Buffer 單元，8N 即代表為 8bit。參考配圖來看預取架構，可以將之想像為記憶體模組內部運作，預取設計數量相似於多通道概念。

DDR4 如能提升至 64N 設計，和時下 64bit 處理器的暫存器（Register）對等匹配，1 個時脈週期就能傳送完 1 筆運算處理資料，那麼理論效率自然會更佳。不過這將導緻線路布局複雜化，從而使得製造成本攀升，因此 JEDEC 維持了 8N 結構設計。

但是為了進一步提高效率（縮短存取延遲），DDR4 新增了 4 個 Bank Group 資料組設計，如下圖所示組成幾個小群組，具備獨立啟動操作讀、寫等動作特性。Bank Group 資料組可套用多工的觀念來想像，這代表 DDR4 在同一時脈工作周期內，至多可以處理 4 筆資料，效率自然是好過於 DDR3。

▲ DDR4 記憶體規範架構示意圖。

預取和記憶體核心時脈有連動關係式，簡單換算法是傳輸速率除以預取數量，可得到真實核心時脈。例如 DDR3-1600 是代表數據速率，基於 DDR3 採用 8N 預取架構，那麼 1600 / 8 即為 200MHz。壓低核心時脈為之重要，考量點不外乎是設計難度、生產良率、物理限制，乃至於總和的生產成本等考量。

因此在這 2 張示意圖中，可發現從 SDRAM 一路至 DDR4，記憶體陣列內的時脈標示，是落在 100～266MHz 之譜。其中 DDR2、DDR3 即便同為 100～266MHz，圖例顯示 I/O 傳輸速率卻是 DDR2-1066 與 DDR3-2133 之別，這正是基於預取架構的因素。

顆粒改採用 8CE 堆疊封裝

▲ DDR4 模組基本容量為 4GB，不久的未來要達到 16GB 相當輕而易舉。

由此可見，DDR4 的變革是利多於弊，而且除了帶來更高資料傳輸速率，其預設基本容量也有所提升。DDR3 記憶體顆粒，標準是採用 4 顆裸晶圓堆疊封裝，DDR4 將堆疊數量增加到 8 顆。意味在桌上型電腦常見雙面配置組合模式下，DDR4 模組須在電路闆上塞入 2 倍數量顆粒，即可提供 2 倍於 DDR3 產品的容量，。

DDR3 模組基本容量為 1GB，目前大量量產的產品之中，單支常見最高容量為 8GB（雙面模組共配置 16 顆顆粒）。雖然亦有 16GB 產品推出，但模組廠商大多走變通模式，在電路闆正反兩面塞入 32 顆顆粒來達成，這並非是常態。而 DDR4 基本容量是設定在 4GB，視晶圓廠顆粒產出狀態而言，未來想採購單支 16GB 模組並非難事，隻要口袋小朋友足夠就可行。

以上簡而言之，DDR4 對使用者而言，初期確實是有投入成本比較高等問題。但是其優勢為資料傳輸速率更高、消耗功率更低，而且得以帶來更高容量單一模組，概觀而言是利多弊少。

[圖擷取自網路，如有疑問請私訊]