深入理解DDR：DDR的演进

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本文作者：烓围玮未。主要从事ISP/MIPI/SOC/车规芯片设计/SOC架构设计

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技术的演进总是随着出现问题和需求，然后解决问题，然后又出现新的问题和需求这种循环不断向前演进。DDR的演进也是这样，各种需求的产生，问题的解决，同时伴随着新的技术的提出。这些解决问题的思想也是我们需要去借鉴和了解到。所以我们先了解一下DDR的演进过程。

一、SDR

DDR SDRAM 可以说是从SDR开始的。20世纪90年代，Intel公司推出了首款同步动态随机存储器SDR SDRAM。SDR SDRAM的核心特点是它使用一个单一的系统时钟信号来同步数据的读写操作，这意味着数据在时钟信号的上升沿或下降沿时刻被读取或写入

SDRAM英文全称“Synchronous Dynamic Random Access Memory”，译为“同步动态随机存取内存”或“同步动态随机存储器”，是动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory，简称DRAM)家族的一份子。同步、动态、随机是其性能特点的外在说明，也是其区别其他存储器的核心特点。

同步(Synchronous)：

• SDRAM的“同步”特性意味着它与系统的时钟信号同步工作。这种同步机制允许内存控制器（如CPU或FPGA）以固定的时钟周期来访问内存，从而提高了内存的访问效率和数据传输速率。

• 在SDRAM之前，异步DRAM（如FPM DRAM）需要等待内存就绪信号才能进行数据传输，这限制了数据传输速率。SDRAM通过同步接口消除了这种等待，使得数据传输更加高效。

动态(Dynamic)：

• “动态”指的是SDRAM需要定期刷新以保持其存储的数据。这是因为SDRAM使用电容来存储数据，而电容会逐渐放电，导致数据丢失。因此，SDRAM需要周期性地刷新以重新充电，保持数据的完整性。

• 动态刷新机制是DRAM技术的一个关键特点，它允许在较小的物理空间内存储更多的数据，但也需要额外的电路和能量来维持数据。

随机(Random)：

• SDRAM的“随机”访问能力意味着它可以在任何时间点访问任何内存地址的数据，而不需要按照特定的顺序。这与顺序访问存储器（如磁带）形成对比，后者需要按顺序访问数据。

• 随机访问能力是现代计算机系统的关键特性，它允许快速、灵活地访问数据，提高了系统的响应速度和处理能力。

SDRAM的基本单元和后面的DDR基本一致，也是由基本的memory cell组成：

多个memory cell组成的memory array也和后来的DDR类似：

引脚相比后来的DDR简单一些，但是基本的功能都和后来的DDR类似：

SDRAM的内部结构如下：

SDRAM内部包含一个逻辑控制单元，内部包含模式寄存器和命令解码器。外部通过CS_N、RAC_N、CAS_N、WE_N以及地址总线向逻辑控制单元输入命令，命令经过命令解码器进行译码后，将控制参数保存到模式寄存器中，逻辑控制单元进而控制逻辑运行。

外部通过地址总线输入地址信息，地址信息在逻辑控制单元进行逻辑控制时起到辅助作用，除此之外，复用的地址总线与Bank控制逻辑、行地址复用器、列地址计数锁存器、列地址解码器等内部器件共同作用，精确选定存储阵列中与行列地址相对应的存储单元，进而进行数据存取操作。

SDRAM的基本操作包括初始化，读写，refresh，Active，precharge等都已经形成，并且集成到后来的DDR。

由于SDRAM现在用的比较少，这里就不具体分析了。后续会选择最新的DDR5做具体分析。

二、DDR1

DDR1（Double Data Rate 1）内存是SDR SDRAM（Single Data Rate Synchronous DRAM）的下一代产品，于2000年左右推出。DDR1的主要特点是通过在每个时钟周期的上升沿和下降沿都进行数据传输，将数据传输速率提高了一倍。这使得DDR1在相同的时钟频率下，能够提供比SDR SDRAM更高的带宽。

相比SDRAM，DDR1的一些技术改进如下：

• 双倍数据率（Double Data Rate, DDR）：

DDR1内存在每个时钟周期的上升沿和下降沿都进行数据传输，因此其数据传输速率是SDR SDRAM的两倍。例如，如果时钟频率为100MHz，SDR SDRAM的传输速率为100MT/s，而DDR1的传输速率为200MT/s。

• 引脚定义：

DDR1使用了新的引脚布局，包括专用的时钟信号线（CLK和CLK#），以支持双倍数据率操作。此外，DDR1还引入了专用的命令和地址信号线，以提高信号完整性和可靠性。DDR1内存模块为184针脚，比SDRAM多出了16个针脚，主要包含了新的控制、时钟、电源和接地等信号。

• 电压：

DDR1的工作电压为2.5V，比SDR SDRAM的3.3V或5V有所降低，有助于减少功耗和发热。

• 速度范围：

DDR1的速度范围从200MT/s到400MT/s。常见的DDR1内存模块（DIMM）包括PC1600、PC2100、PC2700和PC3200，分别对应200MT/s、266MT/s、333MT/s和400MT/s的数据传输速率。

• 预取机制：

DDR1采用了2位预取（2n prefetch），即一个内部存储体可以一次提供2个数据字。这提高了数据传输效率，减少了内部延迟。

• 接口改进：

DDR1采用了更细间距的BGA（球栅阵列）封装，允许更高的引脚密度，从而支持更高的数据传输速率和更多的功能。

• 可靠性：

DDR1引入了一些基本的可靠性增强功能，如On-Chip Driver Impedance Control（OCDC），用于改善信号完整性和减少反射噪声。

• DLL技术：

DDR1使用了DLL(Delay Locked Loop，延时锁定回路)技术，提供了一个数据滤波信号，使得存储控制器可以精确定位数据，每16次输出一次，并重新同步来自不同存储器模块的数据。

DDR1是第一代双倍数据速率同步动态随机存取存储器，标志着内存技术的一个重要里程碑。DDR1的初始频率为200MHz，后来发展到DDR-266、DDR-333和主流的DDR-400。

DDR1和SDRAM的对比如下表所示：

从DDR1开始，DDR的主要演进方向就是性能，容量，功耗三个方面。IO速率越来越高，工作电压越来越低，芯片容量越来越大，以适应不断提高的需求。由于工作电压的不同，不同时代的DDR之间是不向前兼容的。

三、DDR2

DDR2（Double Data Rate 2）内存是DDR1内存的下一代产品，于2003年左右推出。DDR2内存通过进一步的技术改进，显著提高了数据传输速率、降低了功耗，并且改善了信号完整性。DDR2内存的主要特点是4位预取、更低的工作电压和新的引脚布局。

DDR2的技术特点重点如下：

双倍数据率（Double Data Rate, DDR）：

• 数据传输方式：在每个时钟周期的上升沿和下降沿都进行数据传输，与DDR1相同，但数据传输速率进一步提高。

• 速度范围：DDR2的速度范围从400MT/s到1066MT/s，常见的DDR2内存模块（DIMM）包括PC2-3200、PC2-4200、PC2-5300和PC2-6400，分别对应400MT/s、533MT/s、667MT/s和800MT/s的数据传输速率。

工作电压：

• DDR2：工作电压为1.8V，比DDR1的2.5V进一步降低，有助于减少功耗和发热。

引脚布局：

• DDR2：240针脚，单槽口。新的引脚布局支持更高的数据传输速率和更多的功能，同时保持与DDR1不兼容。

预取机制：

• DDR2：采用4位预取（4n prefetch），即一个内部存储体可以一次提供4个数据字。这进一步提高了数据传输效率，减少了内部延迟。

信号完整性：

• DDR2：引入了多项技术改进，如On-Chip Driver（OCD）、On-Die Termination（ODT）和Post-CAS（Post Command Address Strobe），这些技术显著提高了信号完整性和数据传输的可靠性。

• OCD（On-Chip Driver）：通过调整上拉/下拉电阻值，使电压相等，减少DQ-DQS的倾斜，提高信号的完整性。

• ODT（On-Die Termination）：内建核心的终结电阻器，减少信号反射，提高信号品质。

• Post-CAS：允许CAS信号（读写/命令）在RAS信号后面的一个时钟周期插入，提高内存的利用效率。

延迟时间：

• DDR2：由于4位预取和更高的数据传输速率，DDR2的延迟时间相对较长。例如，DDR2-800的典型延迟时间为CL5-5-5-15，而DDR1-400的典型延迟时间为CL2-2-2-5。

DDR2和DDR1对比总结如下表所示：

总体来说，DDR2相比DDR1主要是预取机制，电压，速率，容量等核心参数的提升。同时提出来各种新技术来解决信号完整性的问题，这个主要是工程实现方面，这里就不展开了。

四、DDR3

DDR3（Double Data Rate 3）内存是DDR2内存的下一代产品，于2007年左右推出。DDR3在DDR2的基础上进行了多方面的改进，显著提高了数据传输速率、降低了功耗，并且改善了信号完整性。DDR3内存是2010年至2020年左右的主流内存技术，广泛应用于个人电脑、服务器和工作站等领域。

DDR3的主要技术特点如下：

数据传输方式：

• 双倍数据率（Double Data Rate, DDR）：在每个时钟周期的上升沿和下降沿都进行数据传输，与DDR1和DDR2相同，但数据传输速率进一步提高。

• 速度范围：DDR3的速度范围从800MT/s到2133MT/s，常见的DDR3内存模块（DIMM）包括PC3-6400、PC3-8500、PC3-10600、PC3-12800和PC3-17000，分别对应800MT/s、1066MT/s、1333MT/s、1600MT/s和2133MT/s的数据传输速率。

工作电压：

• DDR3：工作电压为1.5V，比DDR2的1.8V进一步降低，有助于减少功耗和发热。某些高性能DDR3内存模块甚至支持1.35V的工作电压，进一步降低功耗。

引脚布局：

• DDR3：240针脚，单槽口。虽然针脚数与DDR2相同，但引脚布局不同，因此DDR3内存模块与DDR2内存模块不兼容。

预取机制：

• DDR3：采用8位预取（8n prefetch），即一个内部存储体可以一次提供8个数据字。这进一步提高了数据传输效率，减少了内部延迟。

数据选通信号（DQS）：

• DDR3：DQS信号与数据传输同步，确保数据在每个时钟周期的两个边沿都能准确捕获。DDR3还引入了DQS的双向传输，提高了数据传输的灵活性和可靠性。

初始化和校准：

• DDR3：需要进行DLL校准，同时引入了更多的校准和优化技术，如OCD（On-Chip Driver）、ODT（On-Die Termination）、ZQ校准、SRT（Self-Refresh Temperature）和RASR（Reduced Active to Precharge Time）等，进一步提高了信号完整性和数据传输的可靠性。

• OCD（On-Chip Driver）：通过调整上拉/下拉电阻值，使电压相等，减少DQ-DQS的倾斜，提高信号的完整性。

• ODT（On-Die Termination）：内建核心的终结电阻器，减少信号反射，提高信号品质。

• ZQ校准：通过外部电阻器校准内部终结电阻器，确保信号的稳定性和可靠性。

• SRT（Self-Refresh Temperature）：根据温度变化调整自刷新模式，减少功耗。

• RASR（Reduced Active to Precharge Time）：减少激活到预充电的时间，提高内存的利用效率。

延迟时间：

• DDR3：由于8位预取和更高的数据传输速率，DDR3的延迟时间相对较长，典型的延迟时间为CL5/6/7/8/9/10/11/12/13/14/15。

容量与频率：

• DDR3内存模块支持更大的容量，常见的容量是512MB到8GB，也有单条16GB的DDR3内存，频率从800MHz起步，最高可达2400MHz。

DDR3和DDR2对比总结如下表所示：

五、DDR4

DDR4（Double Data Rate 4）内存是DDR3内存的下一代产品，于2014年左右开始商用。DDR4在DDR3的基础上进行了多方面的改进，显著提高了数据传输速率、降低了功耗，并且改善了信号完整性和可靠性。

DDR4是在 DDR3 基础上进行的一系列重大改进，旨在提高数据传输速率、降低功耗、增加容量和提高可靠性。以下是 DDR4 相较于 DDR3 的主要提升点：

数据传输速率

• DDR3：速度范围从 800MT/s 到 2133MT/s，常见频率包括 1066MHz、1333MHz、1600MHz 和 2133MHz。

• DDR4：速度范围从 1600MT/s 到 3200MT/s，甚至更高，常见频率包括 2133MHz、2400MHz、2666MHz 和 3200MHz。

• 提升：DDR4 的起始频率就已经达到了 DDR3 的最高频率，最高频率更是翻了一番，显著提高了数据传输速率和带宽。

工作电压

• DDR3：标准工作电压为 1.5V，低功耗版本为 1.35V。

• DDR4：标准工作电压为 1.2V，低功耗版本为 1.05V 或更低。

• 提升：更低的工作电压显著降低了功耗和发热量，延长了电池寿命，特别适合移动设备和数据中心的应用。

最大容量

• DDR3：单条最大容量为 16GB。

• DDR4：单条最大容量为 64GB，甚至更高。

• 提升：更高的容量支持更大的内存需求，适用于高性能计算、大数据处理和虚拟化等应用场景。

引脚布局和外观

• DDR3：240 针脚，单槽口，金手指为直线型。

• DDR4：288 针脚，单槽口，金手指为弯曲型，防呆口位置更接近中央。

• 提升：不同的引脚布局和外观设计确保了 DDR4 不兼容 DDR3，避免了误插的可能性，同时也提高了信号完整性和可靠性。

预取机制

• DDR3：8 位预取（8n prefetch）。

• DDR4：8 位预取（8n prefetch）。DDR4保持了DDR3的8-bit预取设计，没有翻倍到16-bit，而是通过增加Bank Group的数量来变相提高预取位宽。DDR4可以看作是在每个Bank Group中每次操作16-bit的数据，如果是两个Bank Group则相当于16n预取，如果是四个Bank Group则相当于32n预取。

信号完整性

• DDR3：通过 OCD（On-Chip Driver）、ODT（On-Die Termination）和 Post-CAS 等技术提高信号完整性。

• DDR4：除了 OCD、ODT 和 ZQ 校准外，还引入了 SRT（Self-Refresh Temperature）和 RASR（Reduced Active to Precharge Time）等技术，进一步提高了信号完整性和数据传输的可靠性。

• 提升：更先进的校准和优化技术确保了更高的信号完整性和数据传输的可靠性。

延迟时间

• DDR3：典型的延迟时间为 CL5/6/7/8/9/10/11/12/13/14/15。

• DDR4：典型的延迟时间为 CL15/16/17/18/19/20/21/22/23/24。

• 提升：虽然延迟时间较长，但由于更高的数据传输速率和带宽，整体性能仍然优于 DDR3。

可靠性

• DDR3：基本的错误检测和校正功能。

• DDR4：引入了 CRC（循环冗余校验）和芯片奇偶校验技术，提高了数据传输的可靠性。

• 提升：更高级的错误检测和校正功能确保了数据的准确性和系统的稳定性。

功耗管理

• DDR3：支持基本的功耗管理功能。

• DDR4：引入了新的深度断电模式（Deep Power Down Mode），在系统待机时进一步降低功耗。

• 提升：更精细的功耗管理技术有助于降低整体功耗，延长电池寿命。DDR4的功耗比DDR3L（DDR3低电压）更低，能够在提升性能和带宽50%的同时降低总体计算环境的能耗，能源节省高达40%。

DDR4和DDR3对比总结如下表所示：

DDR4 在多个方面相对于 DDR3 进行了显著的改进，包括更高的数据传输速率、更低的功耗、更大的容量、更好的信号完整性和更高的可靠性。这些改进使得 DDR4 成为 2014 年至 2024 年左右的主流内存技术。

六、DDR5

DDR5是JEDEC固态技术协会在2020年7月正式发布的最新一代双倍数据速率同步动态随机存取内存标准。与前代DDR4相比，DDR5旨在提供更高的性能、更低的功耗以及更强的可靠性，以满足日益增长的数据处理需求，特别是在高性能计算、数据中心、人工智能、机器学习等领域。

其实内存的性能一直都是瓶颈。早在2017年，负责计算机内存技术标准的组织JEDEC就宣称将在2018年完成DDR5内存的最终标准，美光、三星等内存厂商在2018年也就开始研发16GB的DDR5产品，甚至在2019年几个厂商都已经开始逐渐量产DDR5内存。但是直到2020年7月，JEDEC才正式发布了DDR5内存的标准。

DDR标准的发展其实远慢于PCIE等协议，可能是因为DDR的并行接口提高速度带来的困难远高于SerDes接口，同时DDR对功耗的要求更高。

以下是 DDR5 的详细特点和与 DDR4 的对比：

数据传输速率

• DDR4：

• 速度范围：1600MT/s 至 3200MT/s 及以上

• 常见频率：2133MHz、2400MHz、2666MHz、3200MHz

• DDR5：

• 速度范围：3200MT/s 至 8400MT/s 及以上

• 常见频率：3200MHz、4800MHz、6400MHz、8400MHz

• 提升：DDR5 的起始频率已经达到了 DDR4 的最高频率，最高频率更是显著提升，显著提高了数据传输速率和带宽。

工作电压

• DDR4：

• 标准工作电压：1.2V

• 低功耗版本：1.05V 或更低

• DDR5：

• 标准工作电压：1.1V

• 低功耗版本：1.0V 或更低

• 提升：更低的工作电压进一步降低了功耗和发热量，延长了电池寿命，特别适合移动设备和数据中心的应用。

最大容量

• DDR4：

• 单条最大容量：64GB，甚至更高

• DDR5：

• 单条最大容量：256GB，甚至更高

• 提升：更高的容量支持更大的内存需求，适用于高性能计算、大数据处理和虚拟化等应用场景。

引脚布局和外观

• DDR4：

• 引脚数：288 针脚

• 金手指：弯曲型

• 防呆口位置：更接近中央

• DDR5：

• 引脚数：288 针脚（与 DDR4 相同，但引脚定义不同）

• 金手指：弯曲型

• 防呆口位置：更接近中央

• 提升：虽然引脚数相同，但引脚定义不同，确保了 DDR5 不兼容 DDR4，避免了误插的可能性，同时也提高了信号完整性和可靠性。

预取机制

• DDR4：

• 8 位预取（8n prefetch）

• DDR5：

• 16 位预取（16n prefetch）

• 提升：DDR5 采用了 16 位预取机制，相比 DDR4 的 8 位预取，显著提高了数据传输效率，减少了内部延迟，提高了整体性能。

信号完整性

• DDR4：

• 通过 OCD（On-Chip Driver）、ODT（On-Die Termination）、ZQ 校准、SRT（Self-Refresh Temperature）、RASR（Reduced Active to Precharge Time）等技术

• DDR5：

• 除了上述技术外，还引入了更高级的信号完整性技术，如增强的 ODT、更精细的 ZQ 校准、改进的温度补偿自刷新（TCSR）和温度补偿自动刷新（TCAR）等

• 提升：更先进的校准和优化技术确保了更高的信号完整性和数据传输的可靠性。

延迟时间

• DDR4：

• 典型的延迟时间为 CL15/16/17/18/19/20/21/22/23/24

• DDR5：

• 典型的延迟时间为 CL32/36/40/44/48

• 提升：虽然延迟时间较长，但由于更高的数据传输速率和带宽，整体性能仍然优于 DDR4。

可靠性

• DDR4：

• 引入了 CRC（循环冗余校验）和芯片奇偶校验技术

• DDR5：

• 进一步增强了可靠性功能，包括更高级的 CRC 校验、更精细的奇偶校验、ECC（Error Correction Code）等

• 提升：更高级的错误检测和校正功能确保了数据的准确性和系统的稳定性。

功耗管理

• DDR4：

• 引入了新的深度断电模式（Deep Power Down Mode）

• DDR5：

• 进一步优化了功耗管理技术，包括更精细的深度断电模式、动态电压和频率调节（DVFS）、改进的功耗状态转换等

• 提升：更精细的功耗管理技术有助于进一步降低整体功耗，延长电池寿命。

Bank Group 和 Rank 数量

• DDR4：

• 一个 rank 单元内的 Bank 数量为 16 个

• 每个 DIMM 模块最多 8 个 rank

• DDR5：

• 一个 rank 单元内的 Bank 数量增加到 32 个

• 每个 DIMM 模块最多 16 个 rank

• 提升：更多的 Bank 和 Rank 数量进一步提高了并行访问的能力，从而提高内存带宽和性能。

电源管理

• DDR4：

• 电源管理由主板提供

• DDR5：

• 引入了片上电源管理（PMIC，Power Management IC），直接在内存模块上管理电源，提高了电源效率和稳定性

• 提升：片上电源管理技术进一步提高了电源效率和系统的稳定性。

DDR4和DDR3对比总结如下表所示：

DDR5 在多个方面相对于 DDR4 进行了显著的改进，包括更高的数据传输速率、更低的功耗、更大的容量、更好的信号完整性和更高的可靠性。这些改进使得 DDR5 成为未来高性能计算、数据中心和高端个人电脑的主要内存技术。

总结

从DDR技术的演进过程中，我们可以看到，DDR的主要演进方向就是性能，容量，功耗三个方面，为了配合整体行业对于性能、内存容量和功耗的不断追求，规范的工作电压越来越低，芯片容量越来越大，IO的速率也越来越高。

但是其核心技术一直都没有太多的变化，那就是：

1. 双沿传输；

2. Prefetch技术；

DDR 内存技术的发展遵循了几个核心规律：提高数据传输速率、降低功耗、增加容量、提高可靠性和信号完整性。这些改进使得 DDR 内存在性能、功耗和可靠性方面不断进步，满足了不断增长的计算需求。正在开发中的DDR6也一定是朝着这个方向努力。

以下是 DDR1 到 DDR5 的主要特点对比表格：

了解一个技术的发展过程，其实是一个非常有意思的事情。不但可以深入的理解技术的产生和由来，而且还能体会解决问题的思想，以后如果碰到类似的问题可以拿来借鉴。

后面我会以最新的DDR5来深入理解DDR技术。希望能一起学习，一起进步。

后纪

技术很重要，技术背后的思想更重要！

技术背后的某些思想就是你解决以后问题的钥匙。我的文章可能一篇中知识点不太多，但是力求让你能深入理解，为你进阶打下基础。如果有一点点收获，也算是我对中国芯片行业的一点点贡献吧。

赠人玫瑰，手有余香。如果你有所收获，麻烦花一秒时间帮我点个赞和在看吧，谢谢！

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参考文献

https://blog.csdn.net/wordwarwordwar/article/details/78936755

https://blog.csdn.net/weixin_46022434/article/details/122753673

https://blog.csdn.net/zyhse/article/details/120771121