三大廠(chǎng)商的DDR5技術(shù)對比

我們剛剛進(jìn)入了DDR5內存時(shí)代。自去年以來(lái)，所有主要的 DRAM 廠(chǎng)商，如美光、三星和 SK 海力士，都開(kāi)始發(fā)布他們的第一款 DDR5 內存產(chǎn)品（模塊）。此外，如今對 DDR5 產(chǎn)品的需求明顯且肯定超過(guò)供應。DDR5 是 DRAM 的新標準，旨在滿(mǎn)足計算、高帶寬、人工智能 (AI)、機器學(xué)習 (ML) 和數據分析的需求。

在接下來(lái)的文章里，我們了解一下這個(gè)新技術(shù)。

DDR4 數據速率通常在 1,600 MHz 到 3200 MHz 的范圍內運行，而 DDR5 在數據和時(shí)鐘速率方面都在 DDR4 上有所改進(jìn)，性能翻倍，最高可達或超過(guò) 7,200 兆比特每秒 (Mbps)。DDR5 將工作電壓降低到 1.1V。已添加和修改了許多新的和高級功能，包括將預取從 8 個(gè)增加到 16 個(gè)、更多的存儲庫和存儲庫組以提高總線(xiàn)效率、新的寫(xiě)入模式和刷新模式、決策反饋均衡器 (DFE) 和 PDA。還增加了片上ECC，以加強片上RAS，減輕控制器的負擔。這無(wú)疑離在未來(lái)以數據為中心的應用程序中釋放價(jià)值更近了一步。

第一個(gè) DDR5 產(chǎn)品以 4,800 MT/s（或 5,600 MT/s）的速度投放市場(chǎng)。與當前高性能服務(wù)器中的高端 3,200 MT/s DDR4 DIMM 相比，數據速率提高了 33%。作為參考，Everspin 1 Gb pMTJ STT-MRAM 獨立 DDR4 芯片以 1,333 MT/s 的速度運行，具有 15 ns CL 和 135 ns tRCD。最近發(fā)布的 GDDR6 設備的運行速度為 16,000 MT/s，LPDDR5 的運行速度為 6,400 MT/s，HBM2E 的運行速度為 3,600 MT/s，HBM2E 是 Nvidia 的旗艦數據中心 GPU 的最新版本，即 80 GB 的 A100（圖 1）。

圖 1. DDR、GDDR、HBM 和 LPDDR 的 DRAM 數據速率趨勢。

JEDEC 最近更新了 DDR5 SDRAM 標準 (JESD79-5A)，包括密集型云和企業(yè)數據中心應用驅動(dòng)的需求要求，為開(kāi)發(fā)人員提供了兩倍的性能和大大提高的能效。為了更高的密度和更高的性能，DDR5 有望采用最先進(jìn)的 DRAM 單元技術(shù)節點(diǎn)，例如 D1z 或 D1a (D1) 代，這是 10 納米級 DRAM 節點(diǎn)的第 3 代或第 4 代。DDR5 內存包含多項創(chuàng )新和新的 DIMM 架構，可實(shí)現速度等級跳躍并支持未來(lái)擴展。

三星已經(jīng)發(fā)布了基于高 k 金屬柵極 (HKMG) 工藝的 DDR5 內存模塊。HKMG 工藝于 2018 年在業(yè)界首次被三星 GDDR6 內存采用，現在已擴展到 DDR5 內存。SK 海力士剛剛發(fā)布了一款新的 24 Gb DDR5 芯片，該芯片采用采用 EUV 工藝的尖端 D1a 納米技術(shù)開(kāi)發(fā)。在帶寬方面，DIMM 提供 38.4 GB/s 或 44.8 GB/s（例如，SK Hynix 的 GDDR6 設備為 64 GB/s，八芯片 HBM2E 設備為 460 GB/s）。

TechInsights，最近分析了三款全新的DDR5 DIMM產(chǎn)品；TeamGroup ELITE DDR5 16 GB UDIMM 系列配備 Micron DDR5 設備、G.SKILL Trident Z5 DDR5 內存 (F5-5600U3636C16GX2-TZ5K) 配備三星 DDR5 設備，以及 SK Hynix 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5-4800B 模塊（表 1）。

（表一）

三大 DRAM 制造商已開(kāi)始量產(chǎn)其首批 4800 MHz 或 5600 MHz 的 DDR5 組件。我們預計 DDR5 設備具有 D1a 或 D1，然而，DDR5 DRAM 芯片和單元/外圍設計看起來(lái)還沒(méi)有成熟，并且所有第一批 DDR5 芯片都采用了一些較舊的技術(shù)節點(diǎn)（設計規則），例如三星 D1y、美光 D1z , 和 SK 海力士 D1y。迄今為止，業(yè)界領(lǐng)先的工藝技術(shù)節點(diǎn)是 D1a 或 D1。表 1 顯示了美光、三星和 SK 海力士發(fā)布的首批 DDR5 設備的比較。

第一個(gè)是 TeamGroup ELITE DDR5 UDIMM，配備 16 GB DDR5 設備，其中 DDR5 MT60B2G8HB-48B:A 芯片由美光（Y32A 芯片）制造。我們分析的第二個(gè)是 G.SKILL Trident Z5 DDR5 內存 F5-5600U3636C16GX2-TZ5K 與三星 DDR5 K4RAH086VB-BCQK 設備（K4RAH046VB die）。第三個(gè)來(lái)自 SK Hynix，帶有 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5-4800B 模塊（H5CNAG8NM die）。

美光應用了他們的 M-D1z 工藝技術(shù)節點(diǎn)，而三星和 SK 海力士采用了 D1y 單元工藝（S-D1y 和 H-D1y）。因此，美光 (66.26 mm 2 ) 的 DDR5 裸片尺寸小于三星 (73.58 mm 2 ) 和 SK Hynix 的 (75.21 mm 2 )。

與三星和 SK 海力士相比，美光在 DDR5 上的單元尺寸和位密度方面有更大的進(jìn)步。事實(shí)上，美光 M-D1z 工藝技術(shù)比三星和 SK 海力士的 D1y 工藝更先進(jìn)，包括 15.9 nm D/R、poly-Si/TiN cell gate 無(wú) W 材料、更小的有源/WL/BL 間距、先進(jìn)的 SNLP 工藝和SN電容工藝和材料，以及CuMn/Cu金屬工藝。

 圖2. 美光、三星和 SK Hynix 的 16Gb DRAM 芯片尺寸比較；DDR4-3200 與 DDR5-4800

圖3. 美光、三星和 SK 海力士 16Gb DRAM 位密度的比較；DDR4-3200 與 DDR5-4800 

圖4. 美光、三星和 SK Hynix 的 16Gb DRAM 單元尺寸比較；DDR4-3200 與 DDR5-4800

圖5. 美光、三星和 SK Hynix 的 16Gb DRAM D/R 比較；DDR4-3200 與 DDR5-4800