DDR內存技術更迭20年

在DDR5內存剛成為主流不久，如今三星又已經率先開始了下一代DDR6內存的早期開發，並預計在2024年之前完成設計。
據悉，在近日召開的研討會上，三星負責測試和系統封裝（TSP）的副總裁透露，隨着未來內存本身性能的擴大，封裝技術也需要不斷發展。經證實，三星已經處於下一代DDR6內存的早期開發階段，將採用MSAP技術。目前，MSAP已經被三星的競爭對手（SK海力士和美光）用於DDR5中。

據介紹，下一代DDR6內存不僅將利用MSAP來加強電路連接，而且還將適應DDR6內存中增加的層數。就規格而言，DDR6內存的速度將是現有DDR5內存的兩倍，傳輸速度可達12800 Mbps（JEDEC），超頻后的速度可超過17000 Mbps。

預計三星將在2024年之前完成其DDR6設計，2025年之後才會有商業化的可能。

不知不覺間，從最初KB到GB的躍進，DDR內存已經走過了5代，開始向第6代進發。

“百轉千回”的內存市場

什麼是DDR？

在回顧DDR發展歷程之前，先來了解下DDR是什麼。

存儲分為ROM和RAM。

ROM是Read Only Memory的縮寫，即只讀存儲器，是一種只能讀出事先所存數據的固態半導體存儲器，其特性是一旦儲存資料就無法再將其改變或刪除，資料並不會因為電源關閉而消失。

RAM是Random Access Memory的縮寫，即隨機存儲器，隨機是指數據不是線性依次存儲，可以以任何順序訪問，而不管前一次訪問的是哪一個位置，RAM在掉電之後就會丟失數據。

而對於RAM，又分為SRAM（靜態隨機存儲器）和DRAM（動態隨機存儲器）兩大類。

SRAM是一種具有靜止存取功能的內存，不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據，也就是說加電情況下，不需要刷新，數據不會丟失。SRAM是早期讀寫最快的存儲設備，但其缺點是集成度較低，功耗大，相同的容量體積較大，而且價格較高，少量用於關鍵性系統以提高效率，譬如CPU的一級緩存，二級緩存。

DRAM是最為常見的系統內存，只能將數據保持很短的時間。為了保持數據，DRAM使用電容存儲，所以必須隔一段時間刷新一次，如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失。

後續的SDRAM和DDR SDRAM都是在DRAM的基礎上發展而來，同時也屬於DRAM中的一種。SDRAM（Synchronous DRAM，同步動態隨機存儲器），同步是指內存工作需要同步時鐘，內部命令的發送與數據的傳輸都以時鐘為基準。

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM，雙倍速率SDRAM ) 的不同之處在於它可以在一個時鐘讀寫兩次數據，這樣就使得數據傳輸速度得以加倍。在性能和成本優勢下，DDR SDRAM成為了目前電腦和服務器中用的最多的內存，這也就是我們今天要討論的DDR內存。

DDR的演進之路

和其他硬件一樣，內存遵循着摩根定律，從古老的SIMM到DDR的出現，再以DDR為基礎進行迭代，內存標準和規格發生了很大變化。

從最初KB到GB的躍進，從單條1GB到單條16GB、32GB的進化，內存容量的發展經歷了漫長的過程。

在最初的個人電腦上，內存是直接以DIP芯片的形式安裝在主板的DRAM插座上面，需要安裝8到9顆這樣的芯片，容量只有64-256KB，想要擴展十分困難，但這內存容量對於當時的處理器以及程序來說已經足夠。不過隨着軟件程序和新一代80286硬件平台的出現，程序和硬件對內存性能提出了更高要求，為了提高速度並擴大容量，內存必須以獨立的封裝形式出現，因而誕生了“內存條”的概念。

內存條與內存槽

在80286主板剛推出的時候，內存條採用了SIMM接口，容量為30pin、256kb，必須是由8片數據位和1 片校驗位組成1個bank。因此，我們見到的30pin SIMM一般是四條一起使用。自1982年PC進入民用市場一直到現在，搭配80286處理器的30pin SIMM 內存是內存領域的開山鼻祖。

30pin SIMM

時間來到上世紀90年代前後，PC技術迎來了新的發展高峰——386和486時代，此時CPU 已經向16bit發展，30pin SIMM 內存已經無法滿足需求，其較低的內存帶寬已經成為亟待解決的瓶頸，並且其8位的數據總線導致採購成本一點都不低，還會增加故障率。此時，72pin SIMM內存出現了。

72pin SIMM

72pin SIMM支持32bit快速頁模式內存，內存帶寬得以大幅度提升。72pin SIMM內存單條容量一般為512KB-2MB，而且僅要求兩條同時使用，386、486以及後來的奔騰、奔騰Pro、早期的奔騰II處理器多數會用這種內存。由於其與30pin SIMM 內存無法兼容，因此30pin SIMM內存被時代淘汰出局。

早期的內存頻率與CPU外頻是不同步的，是異步DRAM，細分下去的話包括FPM DRAM（Fast Page Mode DRAM，快速頁模式動態存儲器）與EDO DRAM（Extended data out DRAM，外擴充數據模式存儲器），常見的接口有30pin SIMM與72pin SIMM，工作電壓都是5V。

FPM DRAM是從早期的Page Mode DRAM上改良過來的，當它在讀取同一列數據時，可以連續傳輸行位址，不需要再傳輸列位址，可讀出多筆資料，這種方法在當時是很先進的。

FPM DRAM

EDO DRAM內存是1991-1995年之間盛行的內存條，是72pin SIMM的一種，它擁有更大的容量和更先進的尋址方式，讀取速度比FPM DRAM快不少，工作電壓為一般為5V，帶寬32bit，速度在40ns以上，主要應用在當時的486及早期的奔騰電腦上。

不同規格的EDO DRAM內存

在1991到1995年EDO內存盛行的時候，憑藉著製造工藝的飛速發展，EDO內存在成本和容量上都有了很大的突破，單條EDO內存容量達到4MB-16MB。由於奔騰及更高級別的CPU數據總線寬度都是64bit甚至更高，所以EDO RAM與FPM RAM基本都成對使用。

EDO的盛行時間大概是在奔騰到奔騰3之間，之後被SDRAM取代。

隨着CPU的持續升級，Intel Celeron系列以及AMD K6處理器以及相關的主板芯片組的相繼推出，EDO DRAM已經不能滿足系統的需求，內存技術也發生了大革命，插座從原來的SIMM升級為DIMM，而內存也迎來了經典的SDR SDRAM時代。

SDRAM為內存帶來了新生機，其64bit帶寬與當時處理器總線寬度保持一致，這就表示一條SDRAM就能夠讓電腦正常運行，大大地降低了內存的購買成本。由於內存的傳輸信號與處理器外頻同步，所以在傳輸速度上，DIMM標準的SDRAM要大幅領先於SIMM內存。

在這個迭代時期，由於Intel和AMD的頻率之爭，SDRAM內存由早期的66MHz，發展後來的100MHz、133MHz，內存規範也跟着從 PC66 發展到 PC100、PCIII、PC133 以及不太成功的 PC600、PC700、PC800。

SDRAM

儘管沒能徹底解決內存帶寬的瓶頸問題，但此時CPU超頻已經成為DIY用戶永恆的話題。在Intel與AMD的頻率競備時代，Intel為了達到獨佔市場的目的，與Rambus聯合在PC市場推廣Rambus DRAM內存，Rambus DRAM內存以高時鐘頻率來簡化每個時鐘周期的數據量，因此內存帶寬相當出色。Rambus DRAM曾一度被認為是奔騰4的絕配。

Rambus DRAM

儘管如此，曲高和寡的Rambus DRAM內存終究是生不逢時，後來被更高速度的DDR“掠奪”其寶座地位。在當時，PC600、PC700的Rambus RDRAM 內存因出現Intel820 芯片組“失誤事件”、PC800 Rambus RDRAM因成本過高無法獲得大眾用戶擁戴，種種問題讓Rambus RDRAM胎死腹中，最終拜倒在DDR內存面前。

DDR時代來臨

DDR

DDR SDRAM（簡稱DDR），可以說是SDRAM的升級版本，DDR在時鐘信號上升沿與下降沿各傳輸一次數據，這使得DDR的數據傳輸速度為傳統SDRAM的兩倍。由於僅多採用了下降緣信號，因此並不會造成能耗增加。至於定址與控制信號則與傳統SDRAM相同，僅在時鐘上升沿傳輸。此外，由於DDR採用了SSTL2標準的2.5V電壓，低於SDRAM的LVTTL標準下的3.3V電壓，因此功耗更低。

DDR SDRAM

DDR內存是作為一種在性能與成本之間折中的解決方案，其目的是迅速建立起牢固的市場空間，繼而一步步在頻率上高歌猛進，最終彌補內存帶寬上的不足。

初代DDR內存的頻率是200MHz，隨後慢慢的誕生了DDR266、DDR333和那個時代主流的DDR400，至於那些500MHz、600MHz、700MHz的都算是超頻條了。DDR內存剛出來的時候只有單通道，後來出現了支持雙通道的芯片組，讓內存的帶寬直接翻倍，容量則是從128MB增加到1GB。

DDR2

隨着CPU處理器前端總線帶寬的不斷提高和高速率局部總線的出現，DDR的性能成了制約處理器性能的瓶頸。因此 2003年Intel公布了 DDR2 SDRAM的開發計劃。

與上一代DDR內存技術標準最大的不同就是，雖然同是採用了在時鐘的上升/下降沿同時進行數據傳輸的基本方式，但DDR2內存卻擁有兩倍以上於上一代DDR內存預讀取能力。

DDR2 SDRAM

DDR2能夠在100MHz 的發信頻率基礎上提供每插腳最少400MB/s的帶寬，而且其接口將運行於1.8V電壓上，從而進一步降低發熱量，以便提高頻率。從JEDEC組織者闡述的DDR2標準來看，針對PC等市場的DDR2內存將擁有400、533、667MHz等不同的時鐘頻率，高端DDR2內存擁有800、1000、1200MHz頻率。

此外，值得注意的是，DDR2捨棄了傳統的TSOP，開啟了內存FBGA 封裝之門，減少了寄生電容和阻抗匹配問題，增加了穩定性。

DDR3

2007年，JEDEC協會正式推出 DDR3 SDRAM規範，DDR3開始走向舞台。

相比於DDR2，得益於生產工藝的精進，DDR3的工作電壓從1.8V降到1.5V和1.35V（DDR3L），進一步降低了功耗，減少了發熱量，並採用了根據溫度自動自刷新、局部自刷新等功能，在一定程度彌補了DDR3延遲時間較長的缺點。

同時，因為DDR3可以在1個時鐘周期輸出8bit的數據，而DDR2是4bit，因此其單位時間內的數據傳輸量是DDR2的2倍。DDR3的速度從800MHz起跳，最高可以達到1600MHz。DDR3內存與DDR2一樣是240Pin DIMM接口，不過兩者的防呆缺口位置是不同的，不能混插。常見的容量是512MB到8GB，當然也有單條16GB的DDR3內存，只不過很稀少。

Intel酷睿i系列(如LGA1156處理器平台)、AMD AM3主板及處理器的平台都是其“支持者”。

時至今日，DDR2和DDR3陸續開始退出市場。

三星已在2021年末Q4確定停產DDR2；同時三星及海力士計劃逐步退出DDR3市場。根據DDR3市佔率頂峰期2014年的數據（市佔率達84%）顯示，三星及海力士市場份額達67%，短期內，兩大內存廠商退出市場將在供給端造成顯著空缺。

DDR4

早在遙遠的2007年，有關DDR4內存標準的一些信息就被公開。

在美國舊金山2008年8月舉行的英特爾開發者論壇上，一位來自奇夢達的演講嘉賓提供了更多關於DDR4的公開信息。在當年關於DDR4的描述中，DDR4將使用30nm製程，運行1.2V的電壓、常規總線時鐘頻率速率在2133MT/s，“發燒”級別將達到3200MT/s，於2012年推出市場，到2013年時運行電壓將改進至1V。

然而到了2011年1月，三星電子宣布完成DDR4 DRAM模塊的製造和測試，採用30nm級工藝，數據傳輸率為2133MT/s，運作電壓在1.2V，這也是史上第一條DDR4內存。在此之前，三星電子40nm製程的DRAM芯片的成功流片，成為DDR4發展的關鍵。

三個月之後，SK海力士宣布2400MT/s速率的2GB DDR4存儲器模塊面世，運作電壓同樣在1.2V，同時宣布預計在2012年下半年開始大批量生產。此後的2012年5月，美光宣布將在2012年後期使用30nm製程生產DRAM及閃存顆粒。

然而直到2014年，DDR4內存才首次得到應用，首款支持DDR4內存的是英特爾旗艦級x99平台。2014年底，起跳頻率為2133MHz的DDR4內存產品陸續開始紛紛上市，隨着2015年8月，英特爾發布Skylake處理器和100系列主板，DDR4開始真正走向大眾，也標誌着DDR4時代的到來。

DDR4 SDRAM

與DDR3相比，DDR4的工作電壓從1.5V降到1.2V和1.05V（DDR4L），這意味着功耗更低，發熱量更小了。速度方面，DDR4從2133MHz起跳，最高速度可達4266MHz，接近DDR3的三倍。

原因在於，一方面DDR4除了可支持傳統SE信號外，還引入了差分信號技術，即進化到了雙向傳輸機制階段；另一方面，DDR4採用了點對點的設計，簡化了內存模塊的設計，更容易實現高頻化；此外，DDR4還採用了三維堆疊封裝技術，增大了單位芯片的容量的同時，還採用了溫度補償自刷新、溫度補償自動刷新和數據總線倒置技術，在降低功耗方面起到了很好的效果。

另外DDR4增加了DBI、CRC、CA parity等功能，讓DDR4內存在更快速與更省電的同時亦能夠增強信號的完整性、改善數據傳輸及儲存的可靠性。

從DDR到DDR3，每一代DDR技術的內存預取位數都會翻倍，前三者分別是2bit、4bit及8bit，以此達到內存帶寬翻倍的目標。不過DDR4在預取位上保持了DDR3的8bit設計，因為繼續翻倍為16bit預取的難度太大，DDR4轉而提升Bank數量，一個rank單元內的Bank單元數量增長至16個，每個DIMM模塊最高擁有8個rank單元。

DDR5

內存技術的發展與PC市場始終相輔相成。

Intel和AMD的處理器競爭越演愈烈，內存的性能成為新的瓶頸。早在2017年，負責計算機內存技術標準的組織JEDEC就宣稱將在2018年完成DDR5內存的最終標準，美光、三星等內存廠商在2018年也就開始研發16GB的DDR5產品，甚至在2019年幾個廠商都已經開始逐漸量產DDR5內存。但是直到2020年7月，JEDEC才正式發布了DDR5內存的標準，而且起跳就是4800MHz，這比原先想象的要高出不少。

據JEDEC介紹，DDR5標準將提供兩倍於上代的性能並大大提高電源效率。在DDR5內存標準下，最高內存傳輸速度能達到6.4Gbps。此外，DDR5也改善了DIMM的工作電壓，將電壓從DDR4的1.2V降至1.1V，能夠進一步提升內存的能效表現。

DDR5可以使系統通道數再翻倍（圖源：Mircon）

在內存密度方面，DDR5內存標準將允許單個內存芯片的密度達到64Gbit，這比DDR4內存標準的16Gbit密度高出4倍。如此高的內存密度，再結合多芯片封裝技術，可以實現最高40個單元的堆疊，如此堆疊的LRDIMM有效內存容量可以達到2TB。

據DIGITIMES報道，三星電子、SK海力士和美光科技均已擴大其DDR5芯片產量，旨在加速行業從DDR4向DDR5的過渡。消息人士稱，將2022年視為DDR5的預熱年，2023年DDR5滲透率將大幅提升。

從1998年三星生產出最早的商用DDR SDRAM芯片到現在，已經過去了20多年，DRAM內存市場一直在發展，從DDR到DDR2、DDR3、DDR4、DDR5，然後是正在研發的DDR6。

從DDR技術和JEDEC規範的演進過程中，我們可以看到，為了配合整體行業對於性能、內存容量和功耗的不斷追求，規範的工作電壓越來越低，芯片容量越來越大，IO的速率也越來越高。

從最早的128Mbps的DDR發展到了當今的6400Mbps的DDR5，每一代DDR的數據速率都翻倍增長。

根據Yolle分析，兩代內存之間的過渡時間大概只需要兩年。這意味着到2023年，DDR5 內存的市場份額將高於DDR4的情況，到2026年，DDR4份額應降至5%以下。整個DRAM市場預計到2026年將達到2000億美元。

DRAM的分支與演進

按照應用場景，DRAM分成標準DDR、LPDDR、GDDR三類。JEDEC定義並開發了這三類標準，以幫助設計人員滿足其目標應用的功率、性能和尺寸要求。

標準型DDR：針對服務器、雲計算、網絡、筆記本電腦、台式機和消費類應用程序，允許更寬的通道寬度、更高的密度和不同的外形尺寸；

GDDR：Graphics DDR，一般稱之為顯存，“G”代表Graphics，顧名思義，GDDR就是針對圖形顯示卡所特化的一種DDR內存。2000年後電腦遊戲的發展和火爆，人們對於顯卡性能需求日益增長。運行電腦遊戲對顯卡GPU有高速數據交互需求，而且GPU與顯存之間的數據交換非常頻繁，特別是3D遊戲的紋理貼圖對顯存帶寬和容量的要求更高。因此，GDDR應運而生，GDDR適用於具有高帶寬需求的計算領域，例如圖形相關應用程序、數據中心和AI等，與GPU配套使用；

LPDDR：Low Power DDR，是DDR SDRAM的一種，又稱為 mDDR(Mobile DDR SDRAM)，是JEDEC固態技術協會面向低功耗內存而制定的通信標準，以低功耗和小體積著稱，提供更窄的通道寬度，專門用於移動式電子產品。

DDR、GDDR、LPDDR，分別作為電腦、顯卡、手機的內存，都有各自耕耘和專攻的領域，儘管類型多種多樣，但萬變不離其宗，都是基於DDR的一些原理演變而來。

但從不同類型內存發情況來看，它們目前包括以後的關係將不再是繼承發展而是平行發展的關係。DDR將繼續穩步的走性能路線，而GDDR也更加專註對帶寬和容量的優化，至於移動端的扛把子LPDDR近年來市場需求旺盛，技術迭代壓力大，有望繼續領跑。同時，三種內存上所採用的新技術也可反哺DDR家族，為它們各自的的發展提供借鑒和技術驗證。

另外，對於迫切需要高帶寬的應用，比如遊戲和高性能計算，高帶寬內存(HBM)成為繞過DRAM傳統IO增強模式演進的優秀方案。

高帶寬內存(HBM)

HBM直接和處理器封裝的方式不再受限於芯片引腳，突破了IO帶寬的瓶頸。另外DRAM和CPU/GPU物理位置的接近使得速度進一步提升。

在尺寸上，HBM也使整個系統的設計大大縮小成為可能。目前，HBM2在很大程度上是GDDR6的競爭對手。不過從長遠看，因為2D在製造上接近天花板，DRAM仍有很強的3D化趨勢。

DDR市場格局與國產進展

高資金壁壘、高技術壁壘促使DRAM供應端形成寡頭壟斷市場。存儲芯片的設計與製造產業具備較高的技術壁壘和資本壁壘，早期進入存儲器顆粒領域的頭部企業具備顯著的競爭優勢。同時隨着晶圓製程的不斷提升芯片設計和研發的難度持續提升，晶圓製造產線的投資額也隨之增長，IDM 模式的存儲芯片企業資本支出高企。

歷經幾十年間的多輪行業周期與技術變革后，存儲芯片市場形成了寡頭壟斷格局，市場被韓國和美國的龍頭企業主導。從DDR內存芯片市場來看，三大巨頭三星、SK海力士、美光技術存在領先優勢，據統計數據，三大巨頭2021年市佔率合計佔比超90%。中國台灣存儲企業華邦及南亞科技，大陸存儲企業長鑫存儲為技術追趕者。

目前市場上具備DDR5/LPDDR5量產能力的僅為三星、海力士、美光。國內存儲龍頭合肥長鑫存儲計劃於2022Q1進行DDR5的試量產。長鑫存儲於2016年成立，為業內追趕者，發展較為迅速。長鑫存儲於2019年9月發布自主研發的8Gb DDR4芯片正式量產，採用19納米工藝打造。2020年長鑫存儲的DDR4及LPDDR4（X）已入市，主要用於國產的PC/手機端，性能獲得市場的認可、價格具備市場吸引力。

有消息稱，長鑫存儲今年還將投產17nm工藝的DDR5內存，未來還會有10G5工藝和DDR6的升級，可見我國在內存芯片領域正在加速追趕，未來在這一領域或將不再受限於國外壟斷。

此外，芯動科技近日也在LPDDR5X領域率先突破10Gbps，以先進FinFet工藝量產全球最快LPDDR5/5X/DDR5 IP一站式解決方案。除了速度的提升，延遲也降低了15%，非常適合5G通信、汽車高分辨率AR/V、AI邊緣計算等應用場景。

除了LPDDR5/5X/DDR5，近期芯動科技還正式發布了全球首款GDDR6X高速顯存技術，首發的GDDR6/6X Combo IP，單個DQ能達到21Gbps超高速率，已經在多個先進FinFet工藝成功量產出貨。芯動科技還率先推出自主研發物理層兼容UCIe標準的IP解決方案Innolink Chiplet，這是首套跨工藝、跨封裝的Chiplet連接解決方案，且已在先進工藝上量產驗證成功。