DDR4的技術(shù)變革與應(yīng)用限制_市場趨勢解析

動態(tài)隨機存取內(nèi)存（Dynamic Random-Access Memory，DRAM）是常見的內(nèi)存元件。在處理器相關(guān)運作中，DRAM 經(jīng)常被用來當作資料與程序的主要暫存空間。相對于硬盤或是快閃內(nèi)存（Flash Memory），DRAM 具有存取速度快、體積小、密度高等綜合優(yōu)點，因此廣泛的使用在各式各樣現(xiàn)代的科技產(chǎn)品中，例如電腦、手機、游戲機、影音播放器等等。自 1970 年英代爾（Intel）發(fā)布最早的商用 DRAM 芯片－Intel 1103 開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步與科技產(chǎn)品的演進，DRAM 標準也從非同步的 DIP、EDO DRAM、同步的 SDRM（Synchronous DRAM）、進展到上下緣皆可觸發(fā)的 DDR DRAM（Double-Data Rate DRAM）。每一代新的標準，目的不外乎是針對前一代做以下的改進：單位面積可容納更多的內(nèi)存、資料傳輸?shù)乃俣雀?、以及更少的耗電量。更小、更快、更省電，是半?dǎo)體產(chǎn)業(yè)永不停息的追求目標，當然 DRAM 也不例外。

固態(tài)技術(shù)協(xié)會（JEDEC）于 2012 年 9 月正式公布最新的 DDR DRAM 標準，DDR4（第四代 DDR DRAM）。距上一代 DDR DRAM，也就是 DDR3 的發(fā)布，已有 5 年之久。對于產(chǎn)品日新月異，瞬息萬變的科技業(yè)而言，5 年是非常久的時間。2007 年 6 月第一代 iPhone 問世，同年 DRAM 產(chǎn)業(yè)宣布 DDR3 時代來臨；到了 2012 年，iPhone 都已經(jīng)推進到 iPhone5 了，DRAM 才正式進入 DDR4，相比之下 DRAM 的進步不得不說相當緩慢。隨著移動設(shè)備的盛行，個人電腦市場逐漸式微，加上缺乏可以刺激消費者積極更新設(shè)備的應(yīng)用程序，這些因素都降低了大眾對新一代 DRAM 標準的渴望。即使新標準看起來有更多優(yōu)點，但無法激起消費者的購買欲望，就沒有市場，新一代 DRAM 的需求若不顯著，DRAM 廠對于投入資金研發(fā)新技術(shù)的意愿就顯得意興闌珊，新標準的制定也就不那么急迫了。

DDR4 PK.DDR3

即使緩步前進，DDR4 終究還是來到大家的面前。新的標準必定帶來新的氣象，讓我們來看看 DDR4 與 DDR3 有什么不同之處：

DDR4 標準與 DDR3 標準簡單對照表（Source：micron）

儲存容量： 單一的 DDR4 芯片擁有比 DDR3 多一倍的儲存空間，而每個 DDR4 模組（module）最多可搭載 8 個 DDR4 芯片，比 DDR3 多一倍。也就是說，DDR4 模組的最大容量比 DDR3 多 4 倍。主機板上相同的位置，DDR4 可容納更大的內(nèi)存容量；換個角度來說，在容量需求不變的情況下，DDR4所需的空間比 DDR3 要小。

傳輸速度： DDR3 的傳輸速度從 800MHz（MHz = 每秒百萬次）到 2188MHz 不等；而 DDR4 的傳輸速度從 2188MHz 起跳，目前的規(guī)格定義到 3200MHz，將來可望達到 4266MHz。

耗電量： 省電是 DDR4 最明顯的改進之處。DDR3 所需的標準電源供應(yīng)是 1.5V（伏特，電壓單位）而 DDR4 降至 1.2V，專門為移動設(shè)備設(shè)計的低功耗 DDR4（LPDDR4）更降至 1.1V。除了降低工作電壓，DDR4 支持深度省電模式（Deep Power Down Mode），在暫時不需要用到內(nèi)存的時候可進入休眠狀態(tài)，無須更新內(nèi)存（Refresh），可進一步減少待機時功率的消耗。

DDR4 vs. DDR3的標準化能量消耗（Source：extremetech）

除了上述的三個主要部份外，DDR4 還支持命令/位址匯流排上的同位核對（parity check），以及在資料寫入時，資料匯流排上支持循環(huán)冗余核對（CRC）等功能，以自動偵錯的方式來避免因訊號干擾而導(dǎo)致不正確的命令或資料被寫入內(nèi)存，增加高速傳輸時資料的完整性。

DDR4 應(yīng)用限制

世上沒有白吃的午餐。雖說 DDR4 具有上述的優(yōu)點，但在應(yīng)用上卻有額外的負擔(dān)。

首先，跟 DDR3 相比，DDR4 讀寫指令需要更長的啟動時間周期（Read Latency 或 Write Latency，也就是讀寫指令下達后，需花費多少時間周期，資料才會出現(xiàn)在界面上）。因此在相同頻率下，DDR4 的讀寫效率會比 DDR3 低。這其實是可以理解的。隨著半導(dǎo)體制程技術(shù)的提升，內(nèi)存對外的界面邏輯電路的速度也越變越快，但內(nèi)存內(nèi)部的反應(yīng)速度卻沒有增加，因此對外部的控制電路而言，DDR4 的讀寫指令需要更長的時間周期才能被啟動。換句話說，DDR4 的輸入時脈頻率或許可以比 DDR3 快上一倍，但內(nèi)存的反應(yīng)速度并沒有增快一倍，因此只好定義更多的讀寫起始周期來因應(yīng)。若因為系統(tǒng)的限制，使得 DRAM 的輸入時脈無法達到太高的頻率時，DDR3 的讀寫效率會比 DDR4 來得好。其實從 DDR2 進展到 DDR3 時也有類似的問題發(fā)生。新一代的內(nèi)存在剛推出的時候，價格不但偏高，同頻操作下的效率又比舊型內(nèi)存差，總要過一段時間，市場對高速內(nèi)存的需求升高，再加上產(chǎn)能提升帶動單位內(nèi)存價格的下降，才會真正達到世代交替。

其次，DDR3 有 8 個獨立內(nèi)存組（bank），每個bank可獨立接收讀寫指令。控制 DRAM 的邏輯電路若妥善安排內(nèi)存位址，可以減少相鄰讀寫指令間等待的時間，降低資料匯流排額外閑置的機率，提高傳輸?shù)男堋DR4 雖然增加內(nèi)存組數(shù)為 16，但卻加入內(nèi)存群組（bank group）的限制。不同 bank 但若屬于同一個 bank group，連續(xù)讀寫指令間必須增加等待時間周期，造成資料匯流排的閑置機率升高，傳輸效能降低。在此種限制下，如何充分利用資料匯流排以達成最高效率，對于控制 DDR4 的邏輯電路設(shè)計是新的挑戰(zhàn)。

目前各 DRAM 大廠已陸續(xù)推出 DDR4 的內(nèi)存模組，英代爾最新個人電腦旗艦平臺 — Haswell-E 搭配 X99 芯片組全面支持 DDR4，價格上比相似規(guī)格的 DDR3 貴上 20~50%，實際使用起來卻感受不到太大的差別。其實內(nèi)存的執(zhí)行速度雖然重要，多數(shù)情況下并不是系統(tǒng)效能的瓶頸所在。因此，價格如果不能大幅降低，對桌上型電腦的消費者而言，改用 DDR4 的誘因不大。

2014 Q1~Q2 全球品牌 DRAM 營收排行表（Source：DRAMeXchange， Aug， 2014）

品牌 DRAM 各國市占率（Source：DRAMeXchange， Aug， 2014）

移動DRAM興起帶動市場需求

近幾年 DRAM 的供需市場產(chǎn)生很大的變化。 2013 年美光（Micron Technology Group）并購日本內(nèi)存大廠爾必達（Elpida）后，全球 DRAM 生產(chǎn)幾乎由前三大公司：三星（Samsung）、海力士（SK Hynix）以及美光所霸占，小廠只能挑選大廠已經(jīng)淘汰的小眾市場勉強維持。而低功耗的移動 DRAM（mobile DRAM）逐漸取代標準型 DRAM，成為 DRAM 產(chǎn)業(yè)最重要的市場。根據(jù) DRAMeXchange 所做的統(tǒng)計，蘋果公司（Apple Inc）已是全球 DRAM 最大采買商，預(yù)計 2015 蘋果的產(chǎn)品將占用全球 25% 的 DRAM 產(chǎn)能。

DRAMeXchangee 更進一步預(yù)測，2014 年移動 DRAM 占整體 DRAM 產(chǎn)出的 36%，2015 年有機會突破 40% 大關(guān)。由此趨勢看來，未來幾年，移動內(nèi)存大有機會取代標準型 DRAM，成為最大的 DRAM 產(chǎn)出。目前高端智能手機或平板電腦上的 DRAM 配備容量大約是 1GB~2GB，對省電方面的要求更加嚴格。今年多家手機大廠新推出的旗艦型智能手機計劃將搭載低功耗的移動 DDR4（LPDDR4），加上蘋果新一代 iPhone 與 iPad 將提高內(nèi)建 DRAM 容量，預(yù)期 LPDDR4 將比標準 DDR4 更快普及?？礈室苿?DRAM 的商機，DRAM 三大廠紛紛宣布設(shè)置新設(shè)備來增加移動 DRAM 的產(chǎn)量。在標準型 DRAM 方面，雖然個人電腦市場需求下滑，但近年來云端運算與云端資料儲存應(yīng)用的崛起，帶動服務(wù)器設(shè)備需求逐年攀升，服務(wù)器 DRAM 也跟著穩(wěn)定成長，成為標準型 DDR4 切入市場的契機。

以 DRAM 的基本結(jié)構(gòu)（一個電容和一個電晶體組合成一個記憶單元）來看，未來在速度與耗電量的改進空間不大，產(chǎn)學(xué)界早已積極開發(fā)類似的內(nèi)存架構(gòu)，例如 Z-RAM、TTRAM 等，DDR4 會不會是末代 DRAM 標準，誰也無法預(yù)測。

***的 DRAM 產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)是***科技界指標性產(chǎn)業(yè)，但經(jīng)過 10 多年的巨額投資，終究還是敵不過韓國與美國大廠，在下一個 DRAM 周期的春天來臨前就黯然退出主要競賽行列。僥幸存活的少數(shù)廠商只能轉(zhuǎn)而幫其他大廠代工，或是改為生產(chǎn)不被大廠青睞、市場規(guī)模較小的產(chǎn)品。如今內(nèi)存整體市場已經(jīng)跟 10 年前大不相同。移動設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)所帶動的市場需求，明顯地朝向更小、更省電的方向，而非一昧著重在速度跟效率上。若能好好掌握這股新的趨勢，未來***廠商在內(nèi)存產(chǎn)業(yè)還是大有可為。