內(nèi)存作為計(jì)算機(jī)的重要部件，近幾年發(fā)展迅速，從SDRAM到如今的DDR3，內(nèi)存經(jīng)歷了多個(gè)技術(shù)時(shí)代。本文就內(nèi)存的發(fā)展簡(jiǎn)單講解內(nèi)存的存儲(chǔ)原理和內(nèi)存技術(shù)發(fā)展歲遇到的瓶頸。

       內(nèi)存和顯存被統(tǒng)稱為記憶體（Memory），全名是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體（Dynamic Random Access Memory，DRAM）。基本原理就是利用電容內(nèi)存儲(chǔ)電荷的多寡來(lái)代表0和1，這就是一個(gè)二進(jìn)制位元（bit），內(nèi)存的最小單位。

DRAM的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)圖

    DRAM的結(jié)構(gòu)可謂是簡(jiǎn)單高效，每一個(gè)bit只需要一個(gè)晶體管加一個(gè)電容。但是電容不可避免的存在漏電現(xiàn)象，如果電荷不足會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)，因此電容必須被周期性的刷新（預(yù)充電），這也是DRAM的一大特點(diǎn)。而且電容的充放電需要一個(gè)過(guò)程，刷新頻率不可能無(wú)限提升（頻障），這就導(dǎo)致DRAM的頻率很容易達(dá)到上限，即便有先進(jìn)工藝的支持也收效甚微。

    “上古”時(shí)代的FP/EDO內(nèi)存，由于半導(dǎo)體工藝的限制，頻率只有25MHz/50MHz，自SDR以后頻率從66MHz一路飆升至133MHz，終于遇到了難以逾越的障礙。此后所誕生的DDR1/2/3系列，它們存儲(chǔ)單元官方頻率（JEDEC制定）始終在100MHz-200MHz之間徘徊，非官方（超頻）頻率也頂多在250MHz左右，很難突破300MHz。事實(shí)上高頻內(nèi)存的出錯(cuò)率很高、穩(wěn)定性也得不到保證，除了超頻跑簡(jiǎn)單測(cè)試外并無(wú)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

    既然存儲(chǔ)單元的頻率（簡(jiǎn)稱內(nèi)核頻率，也就是電容的刷新頻率）不能無(wú)限提升，那么就只有在I/O（輸入輸出）方面做文章，通過(guò)改進(jìn)I/O單元，這就誕生了DDR1/2/3、GDDR1/2/3/4/5等形形色色的內(nèi)存種類(lèi)。

    通常大家所說(shuō)的DDR-400、DDR2-800、DDR3-1600等，其實(shí)并非是內(nèi)存的真正頻率，而是業(yè)界約定俗成的等效頻率，這些DDR1/2/3內(nèi)存相當(dāng)于老牌SDR內(nèi)存運(yùn)行在400MHz、800MHz、1600MHz時(shí)的帶寬，因此頻率看上去很夸張，其實(shí)真正的內(nèi)核頻率都只有200MHz而已！

    內(nèi)存有三種不同的頻率指標(biāo)，它們分別是核心頻率、時(shí)鐘頻率和有效數(shù)據(jù)傳輸頻率。核心頻率即為內(nèi)存Cell陣列(Memory Cell Array，即內(nèi)部電容)的刷新頻率，它是內(nèi)存的真實(shí)運(yùn)行頻率；時(shí)鐘頻率即I/O Buffer（輸入/輸出緩沖）的傳輸頻率；而有效數(shù)據(jù)傳輸頻率就是指數(shù)據(jù)傳送的頻率（即等效頻率）。

● SDR和DDR1/2/3全系列頻率對(duì)照表：

常見(jiàn)DDR內(nèi)存頻率對(duì)照表

    通過(guò)上表就能非常直觀的看出，近年來(lái)內(nèi)存的頻率雖然在成倍增長(zhǎng)，可實(shí)際上真正存儲(chǔ)單元的頻率一直在133MHz-200MHz之間徘徊，這是因?yàn)殡娙莸乃⑿骂l率受制于制造工藝而很難取得突破。而每一代DDR的推出，都能夠以較低的存儲(chǔ)單元頻率，實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，并且為將來(lái)頻率和帶寬的提升留下了一定的空間。

● SDR和DDR1/2/3存儲(chǔ)原理示意圖：

    雖然存儲(chǔ)單元的頻率一直都沒(méi)變，但內(nèi)存顆粒的I/O頻率卻一直在增長(zhǎng)，再加上DDR是雙倍數(shù)據(jù)傳輸，因此內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到核心頻率的8倍之多！通過(guò)下面的示意圖就能略知一二：

    那么，內(nèi)存IO頻率為什么能達(dá)到數(shù)倍于核心頻率呢？

    相信很多人都知道，DDR1/2/3內(nèi)存最關(guān)鍵的技術(shù)就是分別采用了2/4/8bit數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)（Prefetch），由此得以將帶寬翻倍，與此同時(shí)I/O控制器也必須做相應(yīng)的改進(jìn)。

● DDR1/2/3數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)原理：

    預(yù)取，顧名思義就是預(yù)先/提前存取數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)在I/O控制器發(fā)出請(qǐng)求之前，存儲(chǔ)單元已經(jīng)事先準(zhǔn)備好了2/4/8bit數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)這就是把并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流，我們可以把它認(rèn)為是存儲(chǔ)單元內(nèi)部的Raid/多通道技術(shù)，可以說(shuō)是以電容矩陣為單位的。

內(nèi)存數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)示意圖：并行轉(zhuǎn)串行

    這種存儲(chǔ)陣列內(nèi)部的實(shí)際位寬較大，但是數(shù)據(jù)輸出位寬卻比較小的設(shè)計(jì)，就是所謂的數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)，它可以讓內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸頻率倍增。試想如果我們把一條細(xì)水管安裝在粗水管之上，那么水流的噴射速度就會(huì)翻幾倍。

    明白了數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)的原理之后，再來(lái)看看DDR1/2/3內(nèi)存的定義，以及三種頻率之間的關(guān)系，就豁然開(kāi)朗了：

● SDRAM（Synchronous DRAM）：同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器

    之所以被稱為“同步”，因?yàn)镾DR內(nèi)存的存儲(chǔ)單元頻率、I/O頻率及數(shù)據(jù)傳輸率都是相同的，比如經(jīng)典的PC133，三種頻率都是133MHz。

    SDR在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只能讀/寫(xiě)一次，只在時(shí)鐘上升期讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)，當(dāng)同時(shí)需要讀取和寫(xiě)入時(shí)，就得等待其中一個(gè)動(dòng)作完成之后才能繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。

● DDR（Double Date Rate SDRAM）：雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器

    雙倍是指在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的上升期和下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)(通過(guò)差分時(shí)鐘技術(shù)實(shí)現(xiàn))，在存儲(chǔ)陣列頻率不變的情況下，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到了SDR的兩倍，此時(shí)就需要I/O從存儲(chǔ)陣列中預(yù)取2bit數(shù)據(jù)，因此I/O的工作頻率是存儲(chǔ)陣列頻率的兩倍。

    DQ頻率和I/O頻率是相同的，因?yàn)镈Q在時(shí)鐘上升和下降研能傳輸兩次數(shù)據(jù)，也是兩倍于存儲(chǔ)陣列的頻率。

● DDR2（DDR 2 SDRAM）：第二代雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器

    DDR2在DDR1的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)預(yù)取位數(shù)從2bit擴(kuò)充至4bit，此時(shí)上下行同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)（雙倍）已經(jīng)滿足不了4bit預(yù)取的要求，因此I/O控制器頻率必須加倍。

    至此，在存儲(chǔ)單元頻率保持133-200MHz不變的情況下，DDR2的實(shí)際頻率達(dá)到了266-400MHz，而（等效）數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到了533-800MHz。

● DDR3（DDR 3 SDRAM）：第三代雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器

    DDR3就更容易理解了，數(shù)據(jù)預(yù)取位數(shù)再次翻倍到8bit，同理I/O控制器頻率也加倍。此時(shí)，在存儲(chǔ)單元頻率保持133-200MHz不變的情況下，DDR3的實(shí)際頻率達(dá)到了533-800MHz，而（等效）數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)1066-1600MHz。

    綜上可以看出，DDR1/2/3的發(fā)展是圍繞著數(shù)據(jù)預(yù)取而進(jìn)行的，同時(shí)也給I/O控制器造成了不小的壓力，雖然存儲(chǔ)單元的工作頻率保持不變，但I(xiàn)/O頻率以級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，我們可以看到DDR3的I/O頻率已逼近1GHz大關(guān)，此時(shí)I/O頻率成為了新的瓶頸，如果繼續(xù)推出DDR4（注意不是GDDR4，兩者完全不是同一概念，后文會(huì)有詳細(xì)解釋）的話，將會(huì)受到很多未知因素的制約，必須等待更先進(jìn)的工藝或者新解決方案的出現(xiàn)才有可能延續(xù)DDR的生命。

推薦閱讀：無(wú)法安裝系統(tǒng) 原來(lái)是內(nèi)存惹得禍     內(nèi)存知識(shí)：全面認(rèn)識(shí)DDR1~DDR3內(nèi)存技術(shù)參數(shù)