DDR4 一个快被遗忘的未来之星

前言：

　　ddr3内存成为主流已经有三年多时间了，现在值得大家关注的除了价格还是价格。内存领域，是需要有所改变的时候了。而促进内存领域革新的动力就是去年才正式标准化的ddr4内存……

一、一再迟到的ddr4

     提到ddr4内存，相信大家和有一种熟悉而又陌生的感觉。早在2007年，jedec(电子元件工业联合会)就规划出了下一代内存ddr4的路线蓝图，按照jedec的设想，新一代的ddr4内存将于2012年面世，在2013年普及。但是直到去年ddr4标准才正式公布，这比人们想象的时间整整晚了好几年,ddr4几乎被大家所遗忘。因此，在jedec蓝图中ddr4的发展进程不得不屡次押后。

     ddr4一再难产的一个原因就是ddr3的挖掘潜力远超jedec的想像。目前ddr3内存的频率一再提升---- 高频率已经提升到2133mhz上，这已是ddr4内存诞生时的初始频率，而高频ddr3所提供的性能已远能满足需要也让英特尔、amd一直对支持ddr4没有什么热情。另一个原因是ddr4高频低压所带来的技术解决难题一直着困扰工程师们，使得内存模块巨头们在推进ddr4内存发展时显得相当犹豫。

     当然，尽管ddr4的出场屡次延后，但ddr4的确有实力将ddr3从性能上拉下马来。

二、ddr4,新在哪里？ 

1、高频率、低电压

    与之前的升级路线类似，ddr4在继承ddr体系技术升级平滑、低成本过渡的基础上，无非是朝着更高的运行频率、更低的功耗发展的。这次的ddr4也是如此。首先从运行频率频率上来看，ddr4 内存的工作频率将从2133mhz 起跳， 高甚至可以达到4266mhz。这个频率相比ddr3 内存有相当大的提升。此外在电压上，ddr3 内存的工作电压为1.5v，而ddr4内存的工作电压将近一步的降低，预计 低可以做到1.2v。

2、支持双信号传输机制

　　相对于ddr3，ddr4的一大改进就体现在信号传输机制上。它拥有两种规格:除了可支持single-endedsignaling信号( 传统se信号)外，还引入了differentialsignaling( 差分信号技术 )技术。

　　目前无论是ddr2，还是ddr3，都是采用se信号传输机制。se信号传输就是一条线路传输一个信号，如64bit模组对应64条传输线路，这种设计的优点是pcb布线工作相对容易，毕竟有多少模组就介绍多少条传输线路就ok了，但它越来越难胜任高频总线的需要.我们都知道，总线频率的越高，对外界干扰就越敏感。而se信号传输机制由于抗电磁干扰性能很低，遇到干扰情况传输就变得越不稳定。考虑到ddr4 高频率可达到4266mhz了，远高于目前的ddr3，显然se信号传输机制已经不再能满足要求。怎么办？ 简单的作法那就增加多一条线路来传输，“双车道高速行车”的安全性当然要高一点：差分信号技术就利用两条线路来传送一个信号，来增加抗干扰能力。比如采用传统se信号的ddr4内存 高可达到3.2gbps传输速率，而差分信号版本 高可突破6.4gbps，考虑到ddr4模组位宽达到64bit，换算下来双通道方案可提供高达102.4gbps的内存带宽。

　　当然，se信号与差分信号在规格上是不可能兼容，这意味着未来存在两种信号传输机制的ddr4内存，这两种内存彼此互不兼容。目前jedec内部成员也已对两种ddr4规格达成了一致，未来平滑升级的se信号版本将出现在市场接替ddr3的地位，差分信号的高频版ddr4则作为下一代产品。其中镁光主要推动差分信号技术的发展，三星公司则致力于se信号ddr4的商用化。因此，未来你要升级内存容量时可要注意了：或许此ddr4非彼ddr4。

2、引入点对点访问机制

　　位对于ddr3内存来说，目前数据读取访问的机制是双向传输。而在ddr4内存中，访问机制已经改为了点对点技术，这是ddr4整个存储系统的关键性设计。

在ddr 3内存上，内存和内存控制器之间的连接采用是通过多点分支总线来实现。这种总线允许在一个接口上挂接许多同样规格的芯片。我们都知道目前主板上往往为双通道设计四根内存插槽，但每个通道在物理结构上只允许扩展更大容量。这种设计的特点就是当数据传输量一旦超过通道的承载能力，无论你怎么增加内存容量，性能都不见的提升多少。这种设计就好比在一条主水管可以挂一个水箱或两个水箱甚至多个水箱，但受制于主管道的大小，即便你可以增加水箱数量或大小来提升容量，但总的送水率并没有提升。或许你会发现，内存从8g增加到16g所带来的性能提升并不比从4g增加到8g时明显，就是这个原理了。不过，由一个“主”内通管道挂载一个或两相内存模块，支“管道”的增加将会增加pcb板设计的复杂性，在高频下对稳定性有一定的负面影响。

　　因此，ddr 4抛弃了这样的设计，转而采用点对点总线：内存控制器每通道只能支持唯一的一根内存。相比多点分支总线，点对点相当于一条主管道只对应一个水箱（这种机制的改变其实并不会对传输速度产生太大的影响，因为主管道的大小并没有改变），这样设计的好处可以大大简化内存模块的设计、更容易达到更高的频率。不过，点对点设计的问题也同样明显：一个重要因素是点对点总线每通道只能支持一根内存，因此如果ddr4内存单条容量不足的话，将很难有效提升系统的内存总量。当然，这难不道聪明的开发者，3ds封装技术就是扩增ddr4容量的关键技术。

3、3ds封装技术，让“肚”量更大

    3ds（3-dimensional stack，三维堆叠）技术是ddr4内存中 关键的技术之一，它用来增大单颗芯片的容量。

    3ds技术 初由美光提出的,它类似于传统的堆叠封装技术，如手机芯片中的arm处理器就是采用堆叠封装来以减少体积。在3ds技术中，内存模块使用特殊设计的主从dram die，其中只有主dram die才与外界内存控制器发生联系，从die只是个跟班的小弟，主从dram die之间通过金属线进行连接。那么ddr4怎么来实现主从dram die连接呢？这里面的秘密就是tsv硅穿孔技术。

    所谓硅穿孔，就用激光或蚀刻方式在硅片上钻出小孔，然后填入金属联通孔洞，这样经过硅穿孔的不同硅片之间的信号可以互相传输。根据jedec的说明，在使用了3ds堆叠封装技术后，单条内存的容量 大可以达到目前产品的8倍之多。举例来说，目前常见的大容量内存单条容量为8gb（单颗芯片512mb，共16颗），未来ddr4 大可以达到64gb，甚至128gb。不过3ds工艺对生产工艺要求很高，良品率在短时间内很难得到保证。因此很可能会大幅度提高内存的成本和销售价格，对ddr4的推广来说是非常不利的。

4、ddr4外观大变

　　技术升级并不仅仅体现在内部，同样体现在ddr4的外部。 明显的变化就是ddr4内存的金手指。由于改用点对点总线，ddr4的金手指触点从ddr3的240个增加到284个(笔记本so-dimm ddr4的触点为256个)，不过由于每一个触点的间距从1毫米缩减到0.85毫米，因此ddr4内存模块的长度基本不变。

    此外，为了保护内存在高频率工作下的可靠性，ddr4内存的金手指呈弯曲状。我们都知道，外观上，传统内存的金手指都是平直的，这样的设计在生产时更为简便，但这种设计让内存金手指插入内存插槽后因受到的摩擦力较大往往导致内存的易用性或可靠性上存在一定的瑕疵（君不见，用橡皮擦擦内存金手指往往是解决电脑内存故障的妙招。）。为了解决这个问题，ddr4的金手指采用弧面设计不但可以保证ddr4内存的金手指和内存插槽触点有足够的接触面，信号传输稳定无虞，又可以让中间凸起的部分和内存插槽产生足够的摩擦力稳定内存。唯一的问题在于圆弧形的设计增加了pcb加工的难度，这将影响ddr4产品的价格和产量。

三、ddr4,何时登场？

    从目前的情况来看，ddr4在今年年底将可能开始试产，明年将开始进入市场,而在2016年左右，ddr4将会彻底取代ddr3成为主流产品。现在，你已经可以在镁光、三星等dram厂商的页面上查询到有关ddr4产品的相关信息和参数了，镁光甚至已经开始销售ddr4内存颗粒。至于在平台方面，目前英特尔、amd并没有透露将从何时开始支持ddr4。一些消息表明英特尔明年的顶级平台haswell-ex将开始初步支持ddr4内存。如果消息属实，那么amd也应该差不多在同一时间开始支持ddr4，毕竟两个是冤家对头。

    不过，ddr4点对点的访问机制对主板设计提出了更高的要求：ddr4模组仍采用64bit并行总线与内存控制器相连，双通道设计则是128bit，但是由于采用点对点访问机制，那么主板上对应的数据排线也将达到128条，结合ddr4内存高频和高带宽的特点，就要求主板pcb的数据线布置更为准确、可靠。

编辑观点：不惊艳的大升级

　　尽管ddr4所带来的技术改进不能用“惊艳“形容，但在jedec标准支持以及各大dram厂商、amd英特尔等平台厂商支持下，ddr4内存在未来必然成为主流是不容置疑。它的到来也将会显而易见带来pc行业的又一波升级热潮,你现在需要做的就是往储钱罐里储钱就可以了……

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