行业应用进入DDR5的新时代，性能全面提升

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。2021发布的旗舰芯片均开始支持DDR5，移动平台支持LPDDR5，DDR5真正进入了推广阶段。

根据市场调研机构推测，DDR5 将占据整个 DRAM 市场份额的 10%，2024年则将进一步扩大至 43%。服务器市场可能最先推广DDR5，服务器市场对高性能有着绝对的需求。预计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”。

DDR5的行业应用

■ 数据中心

针对 DDR5 首先将出现在哪些应用，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。^[3]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。^[4]

■ 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。^[5]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，^[6] 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)和 AMD 两大厂商预计将在 2022 年的 Alder Lake 平台和 Zen 4 平台中才会选择支持 DDR5 内存^[7] 。但确如前文所述，服务器市场的形势与 PC 完全不同，无论是英特尔的 Eagle Stream 平台还是 AMD 的 Genoa 平台，都有望在 2022 年导入 DDR5 DRAM 用以取代现有的 DDR4 相关产品。

■ 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的性能优势：

从下面的表格，我们可以简单了解 DDR4 与 DDR5 之间的关系。

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：01 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。如果再考虑新增的决策反馈均衡 (DFE) 等新功能，DDR5 还可实现更高的 I/O 速度。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。

02 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 还支持片上纠错码、错误透明模式、封装后修复和读写 CRC 校验等功能，并支持最高 40 个单元的堆叠，从而可使其有效内存容量达到 2TB。

03 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。该电路会输出 1.1V 的工作电压 (VDD)，可借助更好的板载电源控制优化信号的完整性和抗干扰能力。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。DDR5 DIMM 采用了彼此独立的 40 位宽双通道设计( 32 个数据位，8 个纠错码位)，每个通道的突发长度从 8 字节(BL8)翻倍到 16 字节(BL16)。所以尽管数据位仍然是 64 位，但并发能力的提高使得内存访问效率得到了提升，而且两个通道共用寄存时钟驱动器，每侧可提供四个输出时钟，能够优化信号完整性。

04 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。

DDR5 还带来了一种名为“同一内存块刷新(SAME-BANK Refresh)”的新特性。这一命令允许对每一组内存块中的单独内存块进行刷新，而让其他内存块保持打开状态，以继续正常操作。测试数据显示，单列 DDR5 模组与 DDR4 双列模组以 3200MT/s 的速度进行比较时，前者性能可以提升 1.28 倍，在 4800MT/s 的入门级数据速率下，DDR5 性能提升了高达 1.87 倍！

除了X86平台的处理器，目前联发科天玑900、高通778G、瑞芯微RK3588等ARM芯片均已支持第五代DDR，预计采用Armv9的新一代IP也将全面支持DDR5。市场对高性能的热情不减，相比处理器，DDR技术的更新换代节奏较慢，希望DDR5的出现能给我们带来更极致的体验。