SDRAM的发展历程

王树争

摘要：该文简述SDRA/VI的发展历程，按SDRAM不同发展阶段，对SDRAM、DDR、DDR2和DDR3等进行分类和介绍。关键词：SDRAM；DDR；DDR2；DDR3

中图分类号：TP311

文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2017）15-0213-02

1概述

伴随着计算机技术的不断发展和革新，计算机内存技术也飞速发展，并经历了几次变革。计算机技术对内存技术的需求不断提高，计算机内存向功率更低、速度更快、容量更大、物理封装尺寸更小的方向发展。这些需求正推动着DRAM技术不断发展。由于INTEL的市场领导地位和因为Intel的芯片组对SDRAM的支持，使SDRAM成为市场的标准，本文主要介绍SDRAM内存。

RAM（Random Access Memory）是随机存储器。RAM有两种分类，即动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM）和静态随机存储器（Static RAM，SRAM）。计算机内存主要使用DRAM。

DRAM，即动态RAM。DRAM具有结构简单、集成度高、功耗低、生产成本低等特点，DRAM可以有很高的密度，用于制造大容量存储器，DRAM应用于大多数内存中。DRAM可分为两种：同步内存和异步内存，同步和异步区分的标准在于是否和系统时钟同步。EDO内存为异步内存，随着处理器速度的不断增加，CPU的性能的发挥严重受制于EDO内存的速度，CPU总需要等待EDO内存的数据，EDO内存的速度成了系统性能的瓶颈。因此，能够与系统时钟同步的SDRAM出现了。

SDRAM是synchronous Dynamic Random Access Memou的缩写，意思为同步动态随机存取存储器，同步于系统时钟频率。由于SDRAM内存访问机制采用突发（burst）模式，SDRAM能够为系统提供高速率的数据吞吐，在提高系统性能的同时，还简化了系统的设计。与以往DRAM相似，SDRAM也才用电容存储数据，因此需要时钟对SDRAM存储的数据进行刷新操作。但是，与DRAM相比，SDRAM进行了结构上的改善，可以称为增强型DRAM，SDRAM的同步特性能够满足高速系统的对内存速度的要求。SDRAM结构的另一大特点，是其支持DRAM的两列地址同时打开，100MHz的无缝数据速率可在整个器件读或写中实现。SDRAM的这些特性使其迅速普及，并不断升级。

2SDRAM的发展阶段

到目前为止，SDRAM大体尽力了5个发展阶段，即SDRAM，DDR，DDR2，DDR3和DDR4。DDR4是市场的主流，DDR5标准还在制定中，预计2018年完成最终的标准制定。

2.1SDRAM

在Intel Celeron系列和AMD K6处理器以及相关的主板芯片组推出后，EDO DRAM内存性能再也无法满足需要了，内存技术必须彻底革新才能满足新一代CPU架构的需求，于是内存到了SDRAM时代。

由于Intel长期处于处理器市场的霸主地位，内存技术的发展也相匹配地与之融合。由于Intel对SDRAM的支持，使SDRAM内存处于内存产品的主流地位，第一代SDRAM内存规范为PC66，后来由于Intel公司和AMD公司的频率竞争，处理器的外部总线频速率迅速上升到100MHz，PCI00内存便很快取代PC66内存，后来出现了外频为133MHz的HII等，便出现了PCI33规范，PCI33规范对SDRAM的整体性能作了进一步提升，将SDRAM带宽提高到1GB/s以上。由于SDRAM内存64bit的总线宽度正好和处理器的数据总线宽度对应，所以一条内存便可支持处理器的工作，更加凸显了SDRAM内存的便捷性。并且，SDRAM内存的性能明显超越了EDO内存，这得益于SDRAM输入输出信号与系统外频同步的特性。

后来由于Intel启动了Pentium 4计划，内存带宽可达到1064MB/s的PCI33规范几经不能满足Pentium 4计划的发展需求，为了市场的占有份额，Intel公司与Rambus公司联合推广了Rambus DRAM内存，Rambus DRAM内存称为RDRAM内存。后来，因为RDRAM内存的PC600、PC700出现了“失误事件”、并且Pentium 4平台因为使用PC800 RDRAM内存，导致成本过高不利于普及，种种问题让RDRAM内存未能得到发展，RDRAM最终被DDR内存所取代。

2.2DDR SDRAM

DDRSDRAM是英文Double Data Rate SDRAM的缩写，简称为DDR，是指双倍速率的SDRAM。SDRAM是在时钟的上升沿传输数据，而DDR在时钟的上升沿和下降沿都能够传输数据，使DDRSDRAM的速度是SDRAM的2倍，而且DDR SDRAM的生產成本并未大幅增加，只有SDRAM生产成本的1-3倍，使DDR SDRAM的优势更加凸显。第二代PC266 DDR SRAM是由PCI33所衍生出来的，其带宽达到了266MHz。

与SDRAM不同，DDRSDRAM运用了更先进的技术，更先进的同步电路。同时，DDR采用DLL延时锁定回路技术，并提供1个数据虑波信号，使DDR控制器可对有效数据进行精确定位。本质上，DDR不需要提高工作时钟频率就能提高数据速率，DDR在时钟的上升沿和下降沿均可以读出数据，所以DDR速度比标准SDRAM提高了1倍。从外形体积上，DDRSDRAM与SDRAM具有相同的针脚距离，以及相同的尺寸。SDRAM采用的支持3.3V电压的LVTTL标准，而DDR SDRAM使用的是2.5V电压的SSTL2标准。

由DDRSDRAM在成本、性能方面提供了良好的解决方案，使DDRSDRAM迅速占领了市场，随后，DDRSDRAM在频率上一步步升级，不断提供解决内存带宽不足的方案。作为第一代DDR规范的DDR200未能得到大范围使用；第二代的DDRSDRAM为PC266规范，是由PCI33 SDRAM规范发展而来，PC266将DDR SDRAM推向了第一个迅猛时期，后来出现了作为过度产品的DDR333内存，在后来出现的DDR400内存成为当时主流平台的选择，后来出现了用于超频方案的DDR533规范。

2.3DDR2 SDRAM

2003年秋季Intel公布了DDR2内存的发展计划。随着当时处理器前端总线带宽的不断提高和高速率局部总线的出现，DDR SDRAM带宽成为系统越来越大的瓶颈，DDR严重制约了处理器性能的提升。当时主流的DDR技术已经发展到极限，因此DDR2顺势而出。

DDR2的实际工作频率是DDR的两倍。这是因为DDR内存的预读取能力为2bit，而DDR2内存预读取能力为4bit，是标准DDR内存的2倍。但是，DDR2内存最大的技术突破点不是用户所关心的2倍于DDR内存的传输能力，而是DDR2内存采用更低的工作电压，由DDR的2.5V降为1.8V，使DDR2在更低功耗、更低发热量的情况下，可以得到更大的频率提升，DDR2突破了标准DDR SDRAM内存400MHZ的限制。SDRAM芯片有两个时钟，一个是外部时钟，一个是内部时钟。在SDRAM和DDR时代，内部时钟和外部时钟频率是相同的，但在DDR2SDRAM中，内部时钟使外部时钟的二分之一。DDR2内存拥有400、533、667MHz等不同的时钟频率，容量密度为512MB。

DDRSDRAM内存芯片的封装形式大多采用TSOP封装，但是随着频率的提升，TSOP封装的缺陷开始凸显，寄生电容和很高的阻抗严重影响DDR的稳定性，导致DDR很难突破275MHZ。所以，DDR2内存均采用散热性与电气特性更好的FBGA封装，FBGA封装也指导了后续SDRAM的封装形式。

2.4DDR3 SDRAM

2007年，DDR3内存规范正式完成，同年Intel表示支持DDR3的发展，DDR3逐步走上了历史舞台。按照JEDEC协会制定的规范，由技术层面来分析DDR3和DDR2的不同，DDR3的优点在于，比DDR2拥有更高的频率和更低的电压，DDR3可以比DDR2运作时节省约30%的电力，而DDR3的速度从800MHz起跳最高可以达到1600MHz，速度几乎是DDR2的2倍，DDR3速度提升的原因在于，DDR2在1个时钟周期（Clock）输出4bit的数据，而DDR3可以在1个时钟周期输出8bit的数据，是DDR2的2倍的数据传输量。DDR3的另一个优势在于低电压，DDR3的工作电压为1.5V比DDR2的1.8V 212作电压降低了17%，并～DDR3还有低电压版本，工作电压为1.35V。

与DDR2 SDRAM相比，DDR3采用预取设计为8bit，是DDR2的2倍，使DDR3 SDRAM内核的工作频率只有外部频率的1/8，例如，DDR3-800 SDRAM的内核工作频率仅为100MHz。DDR3采用lOOnm以下的生产工艺，将工作电压从1.8V降至1.5V，减小了能耗和发热量，并采用了根据温度自动自刷新、局部自刷新等功能，使DDR3可工作在更高的频率，这在一定程度弥补了DDR3延迟时间较长的缺点，DDR3增加了异步重置（Reset）与zQ校准功能。DDR3容量从2Gb起步，逻辑Bank最小是8个，兼容升级的16个逻辑Bank。DDR3新增了一些功能，所以引脚数量有所增加，8位宽的DDR3芯片采用78ball的FBGA封装，16位宽的DDR3芯片采用96 ball的FBGA封装，并且DDR3的封装必须符和绿色封装标准，不能含有任何有害物质。

2.5DDR4 SDRAM

在2014年底，各大SDRAM芯片厂商纷纷上架DDR4内存产品，起跳频率达到2133MHz，标志着DDR4时代的來临。DDR4是目前内存市场的主流。

在速度方面，DDR4内存的速度从2133MHz起跳，最高速度甚至可以达到4266MHz。DDR4内存的速度比DDR3内存有非常大的提升。在工作电压方面，DDR3 SDRAM的工作电压为1.5V，而DDR4 SDRAM的工作电压进一步降低为1.2V，移动设备设计的低功耗DDR4更降至1.1V，意味着DDR4 SDRAM将更加剩电。

与DDR3内存相比，DDR4内存在于信号的传输机制上作了改进。DDR4的信号传输机制除了可支持传统sE信号外，DDR4还引入了差分信号技术技术。对于DDR3内存而言，DDR4读取数据的访问机制是双向传输机制。DDR4的点对点设计，可以大大简化内存模块的设计，更容易达到更高的频率。

DDR4 SDRAM采用3DS封装技术，3DS（3-Dimension—al Stack，三维堆叠）技术是DDR4内存中最关键的技术之一，它用来增大单颗芯片的容量。DDR4采用了TCSE（Temperature Compensated Serf-Refresh，温度补偿自刷新），TCAR（Temperature CompensatedAuto Refresh，温度补偿自动刷新）、DBI（Data Bus Inversion，数据总线倒置），用于降低存储芯片在自刷新、自动刷新时的功耗。

2.6DDR5 SDRAM

负责计算机内存技术标准的组织JEDEC宣称，下一代内存标准DDR5将于2017年亮相，并预计在2018年完成最终的标准制定。DDR5内存芯片生产商推出DDR5内存可能要到2020年。预计DDR5的工作电压保持与DDR4一致，在内存带宽和容量上提高一倍。

3总结

SDRAM技术的不断发展和变革，显示着计算机技术和微电子技术的不断进步。单纯从PC机市场观察，要求DRAM高数据传输率是必然趋势，随着Imemet文化的高速发展，个人信息化产品的不断普及，以及信息化家电的热潮拥动，广泛应用的DRAM芯片市场潜力巨大，SDRAM的发展前景更好，应用更加广泛。