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欢迎来到DDR5的新世界

时间:2021-09-26 作者:邵乐峰 阅读:
从应用端角度来看,在PC与平板电脑;服务器,尤其是中国服务器市场的高速增长;边缘计算和AI时代对低延迟、低功耗、高速、大带宽的需求;以及AMD/Intel/海力士等头部厂商示范效应四大合力的加持下,DDR5的普及被按下了“加速键”。
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2020年7月15日,为了解决从客户端系统到高性能服务器的广泛应用所面临的性能和功耗挑战,JEDEC固态技术协会正式发布了下一代主流内存标准DDR5 SDRAM的最终规范(JESD79-5),为全球计算机内存技术拉开了新时代的序幕。JEDEC将DDR5描述为一种“具备革命意义”的内存架构,认为它的出现标志着整个行业即将向DDR5服务器双列直插式内存模块(DIMM)过渡。

DDR5身后的推动力

市场调研机构Omdia分析指出,对DDR5的市场需求从2020年开始逐步显现,到2022年,DDR5将占据整个DRAM市场份额的10%,2024年则将进一步扩大至43%;Yole Development则预测称,DDR5的广泛采用应该会从2022年的服务器市场开始,2023年,手机、笔记本电脑和PC等主流市场将开始广泛采用DDR5,出货量明显超过DDR4,两种技术间完成快速过渡。

简单回顾一下就能发现,内存带宽增长速度远远赶不上处理器性能的提升速度,这是DDR5推出的根本动力所在。例如2000年—2019年,内存带宽从约1GB/s迅速提升至200GB/s,但与此同时,处理器核心数量也从早期的单核、双核,增加到目前一个系统中最高可以超过60个处理器核心。在这样一个存在超多核心处理器的系统中,分摊到每个处理器内核上的可用带宽是严重不足的,提升DRAM带宽的呼声日趋高涨。

而另一方面,从应用端角度来看,在PC与平板电脑;服务器,尤其是中国服务器市场的高速增长;边缘计算和AI时代对低延迟、低功耗、高速、大带宽的需求;以及AMD/Intel/海力士等头部厂商示范效应四大合力的加持下,DDR5的普及同样被按下了“加速键”。

  • 数据中心

针对“DDR5将首先出现在哪些应用里?”的问题,业界普遍认为它将紧随DDR4的步伐,率先导入数据中心,而其先前几代产品的迭代都是优先应用于PC中。以中国市场为例,2020年,在中国政府“新基建”战略的引领下,数据中心迎来了发展的新契机。TrendForce的数据显示,得益于全国范围内超大规模数据中心的建设,今年第一季度,中国占据了全球服务器总需求的27.2%,出货量相当强劲。

这一趋势加速推动了DDR向更快、更高效的新一代产品迭代,国内各大厂商纷纷布局DDR5内存并力推其广泛商业化。国金证券研究所的报告称,就全球DRAM内存市场而言,服务器消耗了2020年全球DRAM内存用量的34%,预计服务器用DRAM内存数量将在2021年同比增长近40%,并于2024年超过整体DRAM用量的50%以上。

  • PC与平板电脑

海外研究机构Canalys于2021年5月5日公布了第一季度全球电脑市场报告:全球电脑市场出货量同比增长53.1%,达到了1.221亿台。其中,谷歌Chromebook增长最为明显,出货量1200万台,同比增长274.6%。除此之外,平板电脑增长51.7%,出货量3970万台。

PC及平板电脑的出货量大涨,对于DDR内存的需求也显著增大,DDR5已经开始被推向市场的风口。TrendForce预测,DDR5在PC DRAM市场中的市占率,将从2020 年的不到1%,成长到2021年10%,呈现10倍以上的成长幅度。

不过值得注意的是,由于PC消费者对整机价格敏感度极高,且DDR5初期推出的价格与DDR4相比存在较高溢价,英特尔(Intel)也只是在刚刚推出的12代酷睿处理器Alder Lake平台上才选择支持DDR5内存,AMD则预计将在2022年推出的Zen 4平台中选择全系支持DDR5内存。

  • 边缘计算

许多边缘计算应用的主要目标是围绕与较低延迟相关的新服务。为了支持较低的延迟,许多新系统都采用了一些最新的行业接口标准,包括PCIe 5.0、LPDDR5、DDR5、HBM2E、USB 3.2、CXL、基于PCIe的NVMe以及其他基于新一代标准的技术。与上一代产品相比,这些技术中的每一种都通过带宽改进来降低延迟。

同时,AI算法正在突破内存带宽要求的极限。显然,它不仅需要高容量的内存能力来支持这些需求,还需把许多复杂的应用放在边缘云中执行。为了支持实现这种能力,设计人员在新的芯片组中采用DDR5并不是一件令人感到意外的事情。

DDR5有什么价值?

在回答这个问题之前,显然应该先了解一下DDR4与DDR5之间的关系。

表一:DDR4与DDR5在一些特性上的对比来源:综合与科技外媒Anandtech数据

DDR内存可以在一个时钟周期内两次发送和接收数据信号,这一速率是20世纪70年代、80年代和90年代生产的DRAM的两倍。DDR4是2014年下半年发布的第四代DDR SDRAM,而DDR5虽然是第五代,但与DDR2、3和4的升级迭代相比有了很大的变化。前几代产品的迭代重点主要集中在如何降低功耗上,移动和终端应用是其主要推动力;而DDR5的主要推动因素,则是因为新型处理器内核数量越来越多,导致现有的内存带宽跟不上节奏,必须进一步提高带宽的需求。

DDR5 SDRAM的核心价值,主要体现在以下四个方面:

  1. 更高的速度,更低的电压

DDR5最亮眼的部分,就是速度比已经“超级快”的DDR4还要快。与1.6GHz时钟频率下DDR4内存最高3.2Gbps的传输速度相比,全新DDR5内存的最高传输速率达到了6.4Gbps,提升了一倍。此外,DDR5也改善了DIMM的工作电压,将供电电压从DDR4的1.2V降至1.1V,进一步提升了内存的能效表现。

DDR5速度比已经“超级快”的DDR4还要快(图片来源:JEDEC)

      2. 更高的内存密度

DDR4在单裸片封装(SDP)模式下仅支持最高16Gb的DRAM容量,而DDR5内存标准将这一数字提高到了64Gb。这意味着,DDR5 DIMM在SDP模式下的最高容量可达256GB,是DDR4 64Gb最大容量的4倍。同时,DDR5还支持最高40个单元的堆叠,从而可使其有效内存容量达到2TB。

      3. 更新的供电与通道架构

DDR5 DIMM将电源管理从主板转移到了内存模块本身,通过一颗板载12V电源管理芯片来确保更加精细的系统电源负载。每个通道的突发长度从8字节(BL8)翻倍到16字节(BL16),并发能力的提高使得内存访问效率得到了提升。在针脚设计上,DDR5内存将保持与DDR4相同的288个引脚数,但由于定义不同,所以不能兼容DDR4插槽。

      4. 更高的频率和刷新

按照JEDEC的说法,DDR5内存的引脚带宽(频率)是DDR4的两倍,总传输带宽可提升38%,4800MHz的起始频率也比DDR4 3200MHz增加了50%。然而这仅仅是一个开始,未来,DDR5内存的最高频率甚至有望达到8400MHz,系统带宽会继续提高至当前水平的两倍以上。

核心玩家的DDR5计划

数据统计显示,DRAM内存芯片占2020年中国集成电路市场的19%。而包括三星、SK海力士和美光在内的三大厂商总共生产了全球大约86%的DRAM晶圆,贡献了全球DRAM产业95%的营收,他们的最新进展,无疑成为DDR5市场的风向标。

  • SK海力士

SK海力士于2018年11月成功开发全球首款16Gb DDR5 DRAM之后,向英特尔等核心客户提供样品,并完成了一系列测试与性能、兼容性验证等程序,意味着SK海力士在即将到来的DDR5市场随时能够销售相关产品。之后的2020年10月,SK海力士又宣布推出全球首个DDR5 DRAM模块。若与硅通孔(TSV)技术相结合,更能够组成容量高达256GB的高容量模组。

SK海力士推出的DDR5 DRAM的数据传输速率高达4,800-5,600Mbps,其速率相较前一代DDR4最多提升了1.8倍。5,600Mbps的传输速率意味着能够在1秒内传输9部全高清(FHD)电影。不仅如此,该产品的工作电压由前一代的1.2V降到了1.1V,成功减少了20%的功耗。

  • 美光

美光于2020年启动了DDR5技术赋能计划(TEP,Technology Enablement Program)。该计划旨在加快市场对DDR5的采用,并为生态系统2022年广泛使用支持DDR5的平台做好准备。目前,该计划已经吸引了包括系统和芯片服务商、渠道合作伙伴、云服务提供商和原始设备制造商在内的100多家业界头部企业的250余位设计和技术领导参与。

如下图所示,相比 3200MHz DDR4,同为3200MHz的DDR5可以提供1.36倍的更高效带宽。不过,美光科技高级副总裁兼计算与网络事业部总经理Raj Hazra强调称,DDR5的面市绝非一蹴而就,它需要生态系统的强力支持。

图片来源:美光

“相比5年前,现在的数据中心存储系统更加复杂,涵盖了封装内存、HVN/高带宽内存、DDR4/DDR5、CXL等多种形式。通过这些开放的方式,我们现在可以把内存和计算结合在一起,通过近内存(near memory)和远内存(far memory)的层级划分,实现数据中心的创新。”Raj Hazra说这对于将AI应用规模化至关重要,因为庞大的AI模型在处理时必须要模块化、可扩展,使得内存和存储技术不仅要能够分散处理,还要在必要的时候实现聚合。

  • 三星

在2021年的HotChips 33大会上,三星公布了旗下首款也是业内首款的单条512GB DDR5内存条,频率为7200MHz。根据三星公司发布的信息,此次展示的512GB单条DDR5内存条产品采用了三星旗下的8H堆叠TSV技术,通过八层从的堆叠实现更小的体积作用。相比较于此前三星推出的4H TSV技术的DDR4内存条,其能减少接近40%的芯片间间隙。 

三星方面认为,消费级用户短期内的需求不会超过64GB,即使是在升级到DDR5内容以后,消费级用户的需求也应该是在64GB左右徘徊。而根据三星的预期,市场主流需求将在2023-2024年才会过渡到DDR5内存,在此时间前,DDR4还将会是市场主流。

TrendForce集邦咨询的研究数据也证实了这种判断。根据现在已经拟定的交易,以主流模组DDR4 1G*8 2666Mbps均价来看,其季涨幅已接近25%,超出原先市场预期的两成,与之高度相关的Server DRAM价格涨幅也同步扩大。加上DDR3、DDR4、mobile DRAM与graphics DRAM价格都在高涨,推动今年第二季整体DRAM均价涨幅上调18~23%。

责编:Luffy Liu

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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