三大廠商的DDR5技術對比

我們剛剛進入了DDR5內存時代。自去年以來，所有主要的 DRAM 廠商，如美光、三星和 SK 海力士，都開始發布他們的第一款 DDR5 內存產品（模塊）。此外，如今對 DDR5 產品的需求明顯且肯定超過供應。DDR5 是 DRAM 的新標準，旨在滿足計算、高帶寬、人工智能 (AI)、機器學習 (ML) 和數據分析的需求。

在接下來的文章里，我們了解一下這個新技術。

DDR4 數據速率通常在 1,600 MHz 到 3200 MHz 的范圍內運行，而 DDR5 在數據和時鐘速率方面都在 DDR4 上有所改進，性能翻倍，最高可達或超過 7,200 兆比特每秒 (Mbps)。DDR5 將工作電壓降低到 1.1V。已添加和修改了許多新的和高級功能，包括將預取從 8 個增加到 16 個、更多的存儲庫和存儲庫組以提高總線效率、新的寫入模式和刷新模式、決策反饋均衡器 (DFE) 和 PDA。還增加了片上ECC，以加強片上RAS，減輕控制器的負擔。這無疑離在未來以數據為中心的應用程序中釋放價值更近了一步。

第一個 DDR5 產品以 4,800 MT/s（或 5,600 MT/s）的速度投放市場。與當前高性能服務器中的高端 3,200 MT/s DDR4 DIMM 相比，數據速率提高了 33%。作為參考，Everspin 1 Gb pMTJ STT-MRAM 獨立 DDR4 芯片以 1,333 MT/s 的速度運行，具有 15 ns CL 和 135 ns tRCD。最近發布的 GDDR6 設備的運行速度為 16,000 MT/s，LPDDR5 的運行速度為 6,400 MT/s，HBM2E 的運行速度為 3,600 MT/s，HBM2E 是 Nvidia 的旗艦數據中心 GPU 的最新版本，即 80 GB 的 A100（圖 1）。

圖 1. DDR、GDDR、HBM 和 LPDDR 的 DRAM 數據速率趨勢。

JEDEC 最近更新了 DDR5 SDRAM 標準 (JESD79-5A)，包括密集型云和企業數據中心應用驅動的需求要求，為開發人員提供了兩倍的性能和大大提高的能效。為了更高的密度和更高的性能，DDR5 有望采用最先進的 DRAM 單元技術節點，例如 D1z 或 D1a (D1) 代，這是 10 納米級 DRAM 節點的第 3 代或第 4 代。DDR5 內存包含多項創新和新的 DIMM 架構，可實現速度等級跳躍并支持未來擴展。

三星已經發布了基于高 k 金屬柵極 (HKMG) 工藝的 DDR5 內存模塊。HKMG 工藝于 2018 年在業界首次被三星 GDDR6 內存采用，現在已擴展到 DDR5 內存。SK 海力士剛剛發布了一款新的 24 Gb DDR5 芯片，該芯片采用采用 EUV 工藝的尖端 D1a 納米技術開發。在帶寬方面，DIMM 提供 38.4 GB/s 或 44.8 GB/s（例如，SK Hynix 的 GDDR6 設備為 64 GB/s，八芯片 HBM2E 設備為 460 GB/s）。

TechInsights，最近分析了三款全新的DDR5 DIMM產品；TeamGroup ELITE DDR5 16 GB UDIMM 系列配備 Micron DDR5 設備、G.SKILL Trident Z5 DDR5 內存 (F5-5600U3636C16GX2-TZ5K) 配備三星 DDR5 設備，以及 SK Hynix 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5-4800B 模塊（表 1）。

（表一）

三大 DRAM 制造商已開始量產其首批 4800 MHz 或 5600 MHz 的 DDR5 組件。我們預計 DDR5 設備具有 D1a 或 D1，然而，DDR5 DRAM 芯片和單元/外圍設計看起來還沒有成熟，并且所有第一批 DDR5 芯片都采用了一些較舊的技術節點（設計規則），例如三星 D1y、美光 D1z , 和 SK 海力士 D1y。迄今為止，業界領先的工藝技術節點是 D1a 或 D1。表 1 顯示了美光、三星和 SK 海力士發布的首批 DDR5 設備的比較。

第一個是 TeamGroup ELITE DDR5 UDIMM，配備 16 GB DDR5 設備，其中 DDR5 MT60B2G8HB-48B:A 芯片由美光（Y32A 芯片）制造。我們分析的第二個是 G.SKILL Trident Z5 DDR5 內存 F5-5600U3636C16GX2-TZ5K 與三星 DDR5 K4RAH086VB-BCQK 設備（K4RAH046VB die）。第三個來自 SK Hynix，帶有 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5-4800B 模塊（H5CNAG8NM die）。

美光應用了他們的 M-D1z 工藝技術節點，而三星和 SK 海力士采用了 D1y 單元工藝（S-D1y 和 H-D1y）。因此，美光 (66.26 mm 2 ) 的 DDR5 裸片尺寸小于三星 (73.58 mm 2 ) 和 SK Hynix 的 (75.21 mm 2 )。

與三星和 SK 海力士相比，美光在 DDR5 上的單元尺寸和位密度方面有更大的進步。事實上，美光 M-D1z 工藝技術比三星和 SK 海力士的 D1y 工藝更先進，包括 15.9 nm D/R、poly-Si/TiN cell gate 無 W 材料、更小的有源/WL/BL 間距、先進的 SNLP 工藝和SN電容工藝和材料，以及CuMn/Cu金屬工藝。

 圖2. 美光、三星和 SK Hynix 的 16Gb DRAM 芯片尺寸比較；DDR4-3200 與 DDR5-4800

圖3. 美光、三星和 SK 海力士 16Gb DRAM 位密度的比較；DDR4-3200 與 DDR5-4800 

圖4. 美光、三星和 SK Hynix 的 16Gb DRAM 單元尺寸比較；DDR4-3200 與 DDR5-4800

圖5. 美光、三星和 SK Hynix 的 16Gb DRAM D/R 比較；DDR4-3200 與 DDR5-4800