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3.1.3 DDR3标准

3.1.3  DDR3标准

如图3-7所示,DDR3是DDR2标准的改进版,但二者有很多相同之处,如采用1.8V标准电压、主要采用144Pin球形针脚的FBGA封装方式。但目前该标准还没有正式发布。

据Intel最新桌面平台规划,Intel于2007年第二季度起,推出支持DDR3内存模组、产品代号为Bearlake的芯片组产品,但是Intel预计DDR3内存在2009年才能有望成为市场主流。

而作为桌面级处理器的另一大巨头,AMD也明确表示将会在新一代处理器K8L中提供对DDR3内存的支持。AMD K8L架构原来支持4核心设计,在2007年中,AMD将推出双核心桌面版本的K8L处理器,K8L处理器将支持DDR2和DDR3内存。而从目前的情况来看,DDR2内存显然不是AMD最好的选择,高频率、低时序的DDR3内存必然会是AMD积极开拓的对象。

在两大处理器厂商的全力支持下,自然是内存厂商最大的动力。虽然早在2002年6月28日,JEDEC就宣布开发DDR3内存标准,但由于缺乏处理器厂商的支持,DDR3内存也一直只是概念中的产品,直至在Computer 2006台北的演示厅中才看到了DDR3内存的工程样品。不过这也算是好的开始,DDR3内存将会在2007年内伴随新一代处理器问世。

1.DDR3的优势

DDR3核心同样存在许多改进,如DDR3显存采用0.11um生产工艺,耗电量较DDR2明显降低。此外,DDR3显存采用了“Pseudo Open Drain”(虚拟开漏极)接口技术,只要电压合适,显示芯片可直接支持DDR3显存。当然,显存颗粒较长的延迟时间(CAS latency)一直是高频率显存的一大通病,DDR3也不例外,DDR3的CAS latency为5/6/7/8,而DDR2为3/4/5,DDR2的延迟时间要少一些。尽管DDR3相对于DDR2在技术上并没有太多实质上的改进,但DDR3的性能优势仍比较明显,主要表现如下。

1)功耗和发热量较小

由于采用新的工艺,而且DDR3相比DDR2有更低的工作电压(从DDR2的1.8V降低到1.5V),性能更好,更省电。使得DDR3内存在控制成本的基础上也减少了能耗和发热量,更易于被用户和厂家接受。

2)工作频率更高

由于能耗降低,DDR3可实现更高的工作频率,在一定程度上弥补了延迟时间较长的缺点。DDR3目前最高能够达到1600MHz的速度,而以前DDR2内存速度最快为800~1066MHz。

3)容量大

DDR2 SDRAM中有4Bank和8Bank的设计,目的就是为了应对未来大容量芯片的需求。而DDR3很可能将从2GB容量起步,因此起始的逻辑Bank就是8个,另外还为未来的16个逻辑Bank做好了准备。

4)降低了显卡整体成本

DDR2显存颗粒规格多为4MB×32b,搭配中高端显卡常用的128MB显存便需8颗。而DDR3显存规格多为8MB×32b,单颗颗粒容量较大,4颗即可构成128MB显存。如此一来,显卡PC面积可减小,成本得以有效控制。此外,颗粒数减少后,显存功耗也进一步降低。

5)通用性好

相对于DDR变更到DDR2,DDR3对DDR2的兼容性更好。由于针脚、封装等关键特性不变,搭配DDR2的显示核心和公版设计的显卡稍加修改便能采用DDR3显存,这对厂商降低成本大有好处。

目前,DDR3显存在新出的大多数中、高端显卡上得到了广泛的应用。

2.DDR3上的技术改进和新技术

DDR3之所以具有以上这些新特性,最终还是得益于它的技术改进和新增技术上。这些改进和新增技术如下。

1)改进的封装工艺

由于DDR3新增了一些功能,所以在引脚方面会有所增加。8位芯片采用78球FBGA封装,16位芯片采用96球FBGA封装,而DDR2则有60/68/84球FBGA封装3种规格。并且DDR3必须是绿色封装,不能含有任何有害物质。

2)改进的预取机制

相对于DDR2内存的4位预取机制,DDR3内存模组最大的改进就是采用了8位预取机制设计这样DRAM内核的频率只有接口频率的1/8,DDR3 800的核心工作频率只有100MHz,当DRAM内核工作频率为200MHz时,接口频率已经达到了1600MHz。

3)改进的突发长度(Burst Length,BL)

由于DDR3的预取为8位(DDR2为4位),所以突发传输周期BL也固定为8;而对于DDR2和早期的DDR架构的系统,BL=4也是常用的,DDR3为此增加了一个4bit Burst Chop(突发突变)模式,即由一个BL=4的读取操作加上一个BL=4的写入操作来合成一个BL=8的数据突发传输。这样,可通过A12地址线来控制这一突发模式。而且,任何突发中断操作都将在DDR3内存中予以禁止,且不予支持,取而代之的是更灵活的突发传输控制(如4位顺序突发)。

4)改进的寻址时序(Timing)

就像DDR2从DDR转变而来后延迟周期数增加一样,DDR3的CL周期也将比DDR2有所提高。DDR2的CL范围一般在2~5之间,而DDR3则在5~11之间,且附加延迟(AL)的设计也有所变化。DDR2的AL的范围是0~4之间,而DDR3的AL有3种选项,分别是0、CL-1和CL-2。为此,DDR3新增加了一个时序参数—写入延迟(CWD),这一参数将根据具体的工作频率而定。

5)新增的重置(Reset)功能

重置是DDR3新增的一项重要功能,并为此专门准备了一个引脚。这一引脚将使DDR3的初始化处理变得简单。当Reset命令有效时,DDR3内存将停止所有的操作,并切换至最少量活动的状态,以节约电耗。在Reset期间,DDR3内存将关闭内在的大部分功能,所以有数据接收与发送器都将关闭。所有内部的程序装置将复位,DLL(延迟锁相环路)与时钟电路将停止工作,而且不理睬数据总线上的任何动静。这样一来,将使DDR3达到最省电的目的。

6)新增的ZQ校准

ZQ校准功能其实是通过DDR3内存上新增的一个管脚来实现的。在这个引脚上接有一个240Ω的低公差参考电阻。这个引脚通过一个命令集,通过片上校准引擎(ODCE,On-Die Calibration Engine)来自动校验数据输出驱动器导通电阻与ODT的终结电阻值。当系统发出这一指令之后,将用相应的时钟周期(在加电与初始化之后用512个时钟周期,在退出自刷新操作后用256个时钟周期,在其他情况下用64个时钟周期)对导通电阻和ODT电阻进行重新校准。

7)一分为二的参考电压

对于内存系统工作非常重要的参考电压信号(VREF),在DDR3系统中将分为两个信号:一个是为命令与地址信号服务的VREFCA;另一个为数据总线服务的VREFDQ,它将有效地提高系统数据总线的信噪等级。

8)新增的根据温度自动自刷新(SRT,Self-Refresh Temperature)功能

为了保证所保存的数据不丢失,DRAM必须定时进行刷新,DDR3也不例外。不过,为了最大程度地节省电能,DDR3采用了一种新型的自动自刷新设计(ASR,Automatic Self-Refresh)。当开始ASR之后,将通过一个内置于DRAM芯片的温度传感器来控制刷新的频率,因为刷新频率高的话,耗电就大,温度也随之升高。而温度传感器则在保证数据不丢失的情况下,尽量减少刷新频率,降低工作温度。

不过DDR3的ASR是可选设计,市场上的DDR3内存不一定都支持这一功能,因此还有一个附加的功能就是自刷新温度范围(SRT,Self-Refresh Temperature)。通过模式寄存器,可以选择两个温度范围,一个是普通的温度范围(如0~85℃),另一个是扩展温度范围,如最高到95℃。对于DRAM内部设定的这两种温度范围,DRAM将以恒定的频率和电流进行刷新操作。

9)新增的局部自刷新(RASR,Partial Array Self-Refresh)功能

这是DDR3的一个可选功能项。通过这一功能,DDR3内存芯片可以只刷新部分逻辑Bank,而不是全部刷新,从而最大限度地减少因自刷新产生的电能消耗。这一点与移动型内存(Mobile DRAM)的设计很相似。

10)点对点连接(P2P,Point-to-Point)

DDR3内存采用点对点的拓朴架构,以减轻地址/命令与控制总线的负担。这是为了提高系统性能而进行的重要改动,也是与DDR2系统的一个关键区别。

在DDR3系统中,一个内存控制器只与一个内存通道打交道,而且这个内存通道只有一个插槽。因此内存控制器与DDR3内存模组之间是点对点(P2P,Point-to-Point)的关系(单物理Bank的模组),或者是点对双点(P22P,Point-to-two-Point)的关系(双物理Bank的模组),从而大大减轻了地址/命令/控制与数据总线的负载。

在内存模组方面,与DDR2的类别相类似,也有标准DIMM(台式PC)、SO-DIMM/Micro-DIMM(笔记本电脑)、FB-DIMM2(服务器)之分,其中第二代FB-DIMM将采用规格更高的AMB2(高级内存缓冲器)。不过目前有关DDR3内存模组的标准制定工作刚开始,引脚设计还没有最终确定。

Intel目前确立了使用DDR3标准的桌面型和服务器四核心处理器代号分别为Clovertown和Kentsfield,AMD也表示在即将推出的四核心Opteron处理器时开始支持DDR3标准。

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