淺談 DDR4 的技術(shù)變革與市場(chǎng)趨勢(shì)

　　動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體(Dynamic Random-Access Memory，DRAM)是常見的記憶體元件。在處理器相關(guān)運(yùn)作中，DRAM 經(jīng)常被用來當(dāng)作資料與程式的主要暫存空間。相對(duì)于硬碟或是快閃記憶體(Flash Memory)，DRAM 具有存取速度快、體積小、密度高等綜合優(yōu)點(diǎn)，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(jī)、游戲機(jī)、影音播放器等等。

　　自 1970 年英代爾(Intel)發(fā)表最早的商用 DRAM 晶片-Intel 1103 開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步與科技產(chǎn)品的演進(jìn)，DRAM 標(biāo)準(zhǔn)也從非同步的 DIP、EDO DRAM、同步的 SDRM(Synchronous DRAM)、進(jìn)展到上下緣皆可觸發(fā)的 DDR DRAM(Double-Data Rate DRAM)。每一代新的標(biāo)準(zhǔn)，目的不外乎是針對(duì)前一代做以下的改進(jìn)：?jiǎn)挝幻娣e可容納更多的記憶體、資料傳輸?shù)乃俣雀臁⒁约案俚暮碾娏?。更小、更快、更省電，是半?dǎo)體產(chǎn)業(yè)永不停息的追求目標(biāo)，當(dāng)然 DRAM 也不例外。

　　固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)(JEDEC)于 2012 年 9 月正式公布最新的 DDR DRAM 標(biāo)準(zhǔn)，DDR4(第四代 DDR DRAM)。距上一代 DDR DRAM，也就是 DDR3 的發(fā)表，已有 5 年之久。對(duì)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(shí)間。2007 年 6 月第一代 iPhone 問世，同年 DRAM 產(chǎn)業(yè)宣布 DDR3 時(shí)代來臨;到了 2012 年，iPhone 都已經(jīng)推進(jìn)到 iPhone5 了，DRAM 才正式進(jìn)入 DDR4，相比之下 DRAM 的進(jìn)步不得不說相當(dāng)緩慢。隨著行動(dòng)裝置的盛行，個(gè)人電腦市場(chǎng)逐漸式微，加上缺乏可以刺激消費(fèi)者積極更新設(shè)備的應(yīng)用程式，這些因素都降低了大眾對(duì)新一代 DRAM 標(biāo)準(zhǔn)的渴望。即使新標(biāo)準(zhǔn)看起來有更多優(yōu)點(diǎn)，但無法激起消費(fèi)者的購(gòu)買欲望，就沒有市場(chǎng)，新一代 DRAM 的需求若不顯著，DRAM 廠對(duì)于投入資金研發(fā)新技術(shù)的意愿就顯得意興闌珊，新標(biāo)準(zhǔn)的制定也就不那么急迫了。

　　DDR4 PK.DDR3

　　即使緩步前進(jìn)，DDR4 終究還是來到大家的面前。新的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)與 DDR3 標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單對(duì)照表(Source：micron)

　　儲(chǔ)存容量： 單一的 DDR4 晶片擁有比 DDR3 多一倍的儲(chǔ)存空間，而每個(gè) DDR4 模組(module)最多可搭載 8 個(gè) DDR4 晶片，比 DDR3 多一倍。也就是說，DDR4 模組的最大容量比 DDR3 多 4 倍。主機(jī)板上相同的位置，DDR4 可容納更大的記憶體容量;換個(gè)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(dá)到 4266MHz。

　　耗電量： 省電是 DDR4 最明顯的改進(jìn)之處。DDR3 所需的標(biāo)準(zhǔn)電源供應(yīng)是 1.5V(伏特，電壓?jiǎn)挝?而 DDR4 降至 1.2V，專門為行動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的低功耗 DDR4(LPDDR4)更降至 1.1V。除了降低工作電壓，DDR4 支援深度省電模式(Deep Power Down Mode)，在暫時(shí)不需要用到記憶體的時(shí)候可進(jìn)入休眠狀態(tài)，無須更新記憶體(Refresh)，可進(jìn)一步減少待機(jī)時(shí)功率的消耗。

　　▲ DDR4 vs. DDR3的標(biāo)準(zhǔn)化能量消耗(Source：extremetech)

　　除了上述的三個(gè)主要部份外，DDR4 還支援命令/位址匯流排上的同位核對(duì)(parity check)，以及在資料寫入時(shí)，資料匯流排上支援循環(huán)冗余核對(duì)(CRC)等功能，以自動(dòng)偵錯(cuò)的方式來避免因訊號(hào)干擾而導(dǎo)致不正確的命令或資料被寫入記憶體，增加高速傳輸時(shí)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(diǎn)，但在應(yīng)用上卻有額外的負(fù)擔(dān)。

　　首先，跟 DDR3 相比，DDR4 讀寫指令需要更長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間周期(Read Latency 或 Write Latency，也就是讀寫指令下達(dá)后，需花費(fèi)多少時(shí)間周期，資料才會(huì)出現(xiàn)在介面上)。因此在相同頻率下，DDR4 的讀寫效率會(huì)比 DDR3 低。這其實(shí)是可以理解的。隨著半導(dǎo)體制程技術(shù)的提升，記憶體對(duì)外的介面邏輯電路的速度也越變?cè)娇欤洃涹w內(nèi)部的反應(yīng)速度卻沒有增加，因此對(duì)外部的控制電路而言，DDR4 的讀寫指令需要更長(zhǎng)的時(shí)間周期才能被啟動(dòng)。換句話說，DDR4 的輸入時(shí)脈頻率或許可以比 DDR3 快上一倍，但記憶體的反應(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?yàn)橄到y(tǒng)的限制，使得 DRAM 的輸入時(shí)脈無法達(dá)到太高的頻率時(shí)，DDR3 的讀寫效率會(huì)比 DDR4 來得好。其實(shí)從 DDR2 進(jìn)展到 DDR3 時(shí)也有類似的問題發(fā)生。新一代的記憶體在剛推出的時(shí)候，價(jià)格不但偏高，同頻操作下的效率又比舊型記憶體差，總要過一段時(shí)間，市場(chǎng)對(duì)高速記憶體的需求升高，再加上產(chǎn)能提升帶動(dòng)單位記憶體價(jià)格的下降，才會(huì)真正達(dá)到世代交替。

　　其次，DDR3 有 8 個(gè)獨(dú)立記憶體組(bank)，每個(gè)bank可獨(dú)立接收讀寫指令?？刂?DRAM 的邏輯電路若妥善安排記憶體位址，可以減少相鄰讀寫指令間等待的時(shí)間，降低資料匯流排額外閑置的機(jī)率，提高傳輸?shù)男?。DDR4 雖然增加記憶體組數(shù)為 16，但卻加入記憶體群組(bank group)的限制。不同 bank 但若屬于同一個(gè) bank group，連續(xù)讀寫指令間必須增加等待時(shí)間周期，造成資料匯流排的閑置機(jī)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(dá)成最高效率，對(duì)于控制 DDR4 的邏輯電路設(shè)計(jì)是新的挑戰(zhàn)。

　　目前各 DRAM 大廠已陸續(xù)推出 DDR4 的記憶體模組，英代爾最新個(gè)人電腦旗艦平臺(tái) — Haswell-E 搭配 X99 晶片組全面支援 DDR4，價(jià)格上比相似規(guī)格的 DDR3 貴上 20~50%，實(shí)際使用起來卻感受不到太大的差別。其實(shí)記憶體的執(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(jià)格如果不能大幅降低，對(duì)桌上型電腦的消費(fèi)者而言，改用 DDR4 的誘因不大。

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

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

　　行動(dòng) DRAM 興起帶動(dòng)市場(chǎng)需求

　　近幾年 DRAM 的供需市場(chǎng)產(chǎn)生很大的變化。 2013 年美光(Micron Technology Group)并購(gòu)日本記憶體大廠爾必達(dá)(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(chǎng)勉強(qiáng)維持。而低功耗的行動(dòng) DRAM(mobile DRAM)逐漸取代標(biāo)準(zhǔn)型 DRAM，成為 DRAM 產(chǎn)業(yè)最重要的市場(chǎng)。根據(jù) DRAMeXchange 所做的統(tǒng)計(jì)，蘋果公司(Apple Inc)已是全球 DRAM 最大采買商，預(yù)計(jì) 2015 蘋果的產(chǎn)品將占用全球 25% 的 DRAM 產(chǎn)能。

　　DRAMeXchangee 更進(jìn)一步預(yù)測(cè)，2014 年行動(dòng) DRAM 占整體 DRAM 產(chǎn)出的 36%，2015 年有機(jī)會(huì)突破 40% 大關(guān)。由此趨勢(shì)看來，未來幾年，行動(dòng)記憶體大有機(jī)會(huì)取代標(biāo)準(zhǔn)型 DRAM，成為最大的 DRAM 產(chǎn)出。目前高階智慧型手機(jī)或平板電腦上的 DRAM 配備容量大約是 1GB~2GB，對(duì)省電方面的要求更加嚴(yán)格。今年多家手機(jī)大廠新推出的旗艦型智慧手機(jī)計(jì)畫將搭載低功耗的行動(dòng) 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(biāo)準(zhǔn) DDR4 更快普及?？礈?zhǔn)行動(dòng) DRAM 的商機(jī)，DRAM 三大廠紛紛宣布設(shè)置新設(shè)備來增加行動(dòng) DRAM 的產(chǎn)量。在標(biāo)準(zhǔn)型 DRAM 方面，雖然個(gè)人電腦市場(chǎng)需求下滑，但近年來云端運(yùn)算與云端資料儲(chǔ)存應(yīng)用的崛起，帶動(dòng)伺服器設(shè)備需求逐年攀升，伺服器 DRAM 也跟著穩(wěn)定成長(zhǎng)，成為標(biāo)準(zhǔn)型 DDR4 切入市場(chǎng)的契機(jī)。

　　以 DRAM 的基本結(jié)構(gòu)(一個(gè)電容和一個(gè)電晶體組合成一個(gè)記憶單元)來看，未來在速度與耗電量的改進(jìn)空間不大，產(chǎn)學(xué)界早已積極開發(fā)類似的記憶體架構(gòu)，例如 Z-RAM、TTRAM 等，DDR4 會(huì)不會(huì)是末代 DRAM 標(biāo)準(zhǔn)，誰也無法預(yù)測(cè)。

　　臺(tái)灣的 DRAM 產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)是臺(tái)灣科技界指標(biāo)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(guó)與美國(guó)大廠，在下一個(gè) DRAM 周期的春天來臨前就黯然退出主要競(jìng)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(chǎng)規(guī)模較小的產(chǎn)品。如今記憶體整體市場(chǎng)已經(jīng)跟 10 年前大不相同。行動(dòng)裝置與物聯(lián)網(wǎng)所帶動(dòng)的市場(chǎng)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(shì)，未來臺(tái)灣廠商在記憶體產(chǎn)業(yè)還是大有可為。