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提高频率以外的选择 探讨Wide I/O内存

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内存技术发展从SDRAM到DDR RAM,再发展至第三代的DDR3,并将推出DDR4,核心技术还是停留在80年代的旧思想,期间不是没有好的新技术,如Intel提倡的Rambus、VIA的Kentron 4倍速内存技术,无奈内存厂商不想放弃既有的生产设备,只能慨叹好的技术还需要配合良好的市场策略才能成功。不过IT厂商们并未放弃尝试引入新的技术,其中一项名为Wide I/O的技术,已于去年1月11日成为JEDEC的标准技术,相关产品有望最快在今年年底面世。

DDR技术的局限性

说到Wide I/O内存的重要性,不得不先从DDR4也存在的局限性说起。DDR内存基于并行(Parallel)传输技术,不利于高频率工作。虽然DDR采取分开内存数据及频率,在一时钟周期内传输2笔数据的做法,而在DDR2及DDR3时代,采取进一步更分开外部及内部频率的做法提升效能,如DDR2是Prefetch 4,可在一时钟周期内传送4笔数据,DDR3的Prefetch 8更达到8笔数据,令内存带宽从DDR时代的400、DDR2时代的1066大幅达到提升至1866。然而这一造法是以提升CAS Latency时延值作为代价的,结果是CL值从DDR时代的1.5-2左右,到了DDR2为4-5,再到DDR3的8-11左右,结果是虽然内存带宽提升不少,但用家发现计算机的反应效能表现没有明显的分别,因为CL时延值的提升,降低了带宽增加的作用。

另外,随着DDR内存频率的提升,功耗便成了新的课题。虽然DDR的工作电压从DDR的2.5V,DDR2的1.8V,降至DDR3的1.5V,未来DDR4更降至1.2V,但内存工作频率的提升最终令功耗也水涨船高,无法适合移动设备,智能手机的应用。目前的解决之法是挑选体质优良的芯片,把频率降低一、二级而成为LPDDR 2/3低电压内存,实为高成本的造法,有见及此,内存厂商们将联合推出Wide I/O内存,尝试在不提高功耗的情况下大大增加DDR内存的效能。

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虽然DDR4内存引入多项技术,但依然不能解决其高功耗、效能一般的问题。

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这幅功耗图所见,从DDR到DDR4,所消耗的电流值一直居高不下。

JEDEC JESD229标准的Wide I/O内存

对于Wide I/O技术感兴趣的朋友,可于JEDEC网站下载JESD229 Wide I/O Single Data Rate(SDR)规格,下载地址为http://www.jedec.org/standards-documents/results/jesd229,须先注册才可以下载相关PDF文件。

Wide I/O顾名思义是采用更阔的输入/输出总线,通过采用512bit设计,实现远比现时32bit LPDDR2高的带宽。在JEDEC的计划中,Wide I/O分为Wide I/O及Wide I/O 2两阶段实行,初期会在Mobile的LPDDR2先行,其后才考虑应用到Desktop的DDR3/4上。第一版Wide I/O已可提供12.8GB/s带宽,比现时LPDDR2 800 6.4GB/s内存带宽多一倍,可有效配合最新的4核心手机CPU,轻松驾驭3D游戏、1080p高清影片播放及多任务的需要。

使用芯片堆栈技术实现4信道

在架构上,Wide I/O把4个内存芯片以硅穿孔(Through Silicon Via)技术实现3D互联,形成一个SoC。第一阶段Wide I/O拥有4个128bit Channel,合共512bit,而在第二阶段,更会采用8 Channel提供更高的带宽。JEDEC认为,未来要增加内存速度并不容易,通过拓宽I/O以增加带宽是一可行的方法。未来在Desktop版本的Wide I/O,预计4 Channel版本即有1Tbit/s带宽,甚至2Tbit/s带宽,均远超至今的标准。(编按︰现时4 Channel DDR3-1600为512GB/s)

虽然Wide I/O提供远超现今的带宽,但Wide I/O内存拥有1200 pins,包括512pins用于I/O,封装上比现时240pin DDR3困难。

Mobile Memory The Needs, Trends, and Reality

在Mobile DRAM中,JEDEC表示未来的8 Ch. Wide I/O 2可提供64GB/s带宽,远超同期的2 Ch. LPDDR4-4300。

JEDEC Website Project Update Matti Floman November 3, 2008

未来Desktop版本最高会有2Tbit/s带宽。

200MHz极低工作频率降低功耗

由于Wide I/O内存拥有速度上的优势,使Wide I/O内存得以用低频率的方式换来较低的功耗。第一版本的Wide I/O采用200MHz SDR工作,比LPDDR2 800的400MHz DDR理论上可减少最多50%功耗。因此JEDEC决定先在Mobile DRAM上引入Wide I/O技术,因为Mobile平台最能享受到低电压的好处。

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第一阶段x16 Wide I/O内存功耗只是DDR3的75%,如果是x64的话更只有25%左右,省电效果十分明显。

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在代表效能的带宽方面,x64版本的Wide I/O内存可达200GB/s以上,远在DDR5之上。

SamsungELPIDA已推出样品

看好Wide I/O Memory的前景,Samsung及ELPIDA在2011年已公布了Wide I/O Memory的样品。Samsung准备的Wide I/O容量为4Gb,512bit设计并提供12.8GB/s带宽。至于ELPDIA,更同时准备了Mobile及Desktop的版本,采用最新的30nm CMOS打造。Mobile版本与Samsung差不多,皆为4Gb、512bit及12/8GB/s带宽的设计。至于Desktop是16Gb容量的版本,直接堆栈4颗4Gb Wide I/O内存芯片,相比现时的PoP封装,因为Wide I/O采用TSV技术之故,所以更薄只有1.0mm,比PoP的1.4mm薄30%。

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Samsung公布的Wide I/O Memory芯片

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ELPIDA已准备好Desktop的Wide I/O Memory

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ELPIDA表示,他们的Wide I/O内存(左)采用TSV技术,比PoP(右)的 1.4mm薄30%。

总结︰制作困难影响普及

从速度来看,Wide I/O内存是非常吸引的。不过制作Wide I/O的TSV技术难度不少影响普及,预计Wide I/O内存最快要2013年年底,甚至是2014-2015年才能登场,所以Wide I/O内存届时能否普及,很大程度上视乎半导体技术是否能够配合,提供价廉物美的Wide I/O内存。

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