超能課堂(258)：一路走來，內(nèi)存頻率是如何增長了百倍？

作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)主要由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備組成，其中存儲(chǔ)器在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)里面指的就是內(nèi)存和硬盤。

內(nèi)存的主要作用就是處理器與外部之間進(jìn)行通訊的時(shí)候，作為一個(gè)臨時(shí)放置數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)使用。早期的計(jì)算機(jī)并沒有內(nèi)存，是隨著CPU的性能提高而產(chǎn)生，然后不斷發(fā)展的。特別是21世紀(jì)以來，內(nèi)存的頻率得到了極大的提升，帶寬的增加使得內(nèi)存性能大幅度提高，這個(gè)幅度是驚人的。

平時(shí)我們常說的DDR4-4266隱含的意思是內(nèi)存頻率達(dá)到了4266MHz，要知道十年前，市場上主流的內(nèi)存產(chǎn)品也就DDR3-1333，從表面上看，市場上售賣的內(nèi)存頻率的提升都三倍有余了，比這段時(shí)間的CPU頻率提升還夸張。

事實(shí)上真的如此嗎？下面會(huì)向大家介紹內(nèi)存頻率的發(fā)展變化，到底是怎么做到的。

SDR SDRAM：66MHz-133MHz

在此之前的上古時(shí)代太久遠(yuǎn)，技術(shù)上的差別可以把這部分略過，所以從插座變成DIMM的SDR SDRAM開始。如果對內(nèi)存以往的歷史感興趣，可以通過我們以前的《超能課堂：從KB到GB，內(nèi)存條所經(jīng)過的7個(gè)歷程》去了解。

SDR SDRAM（Single Data Rate SDRAM）就是一般所說的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存，使用插座是DIMM（Dual In-line Memory Module），其插座的接口為168Pin，金手指單邊84Pin。內(nèi)存的長和高分別是133.35mm和30.48mm，電壓3.3V。內(nèi)存的頻率和CPU外頻同步，64bit的位寬也和當(dāng)時(shí)CPU的總線一致，使用單內(nèi)存電腦就可以正常工作了。

最早的SDR SDRAM內(nèi)存規(guī)格是PC66，顧名思義頻率就是66MHz。隨后提高到100MHz（俗稱PC100），最后市場主流定格在133MHz（JEDEC文檔里的PC133規(guī)范）。和PC66/PC100不同，PC133規(guī)范最初并不是由英特爾主導(dǎo)制定的，是威盛（VIA）聯(lián)合三星、現(xiàn)代、日立、西門子、Micron、LG和NEC等公司提出的，這涉及到業(yè)界各廠商和英特爾（計(jì)劃全力推廣RDRAM內(nèi)存接任）之間的一場利益之爭，這場世紀(jì)之交的大戰(zhàn)堪稱十八路諸侯討董卓。

1999-2000年憑借PC133規(guī)范，威盛分別在英特爾和AMD平臺(tái)推出了Apollo Pro 133(693A)/Apollo Pro 133(694X)和KX133/KT133(A)芯片組，占據(jù)了芯片組市場的半壁江山。后來市場上曾出現(xiàn)標(biāo)稱PC150（150MHz）的內(nèi)存，這是非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，主要提供給超頻愛好者使用。Kingmax后期采用了BGA封裝生產(chǎn)的PC133/PC150 SDRAM內(nèi)存（很多廠商到DDR2才使用BGA封裝）在外觀上已經(jīng)很現(xiàn)代了，畢竟是20年前的產(chǎn)品，特別是對比前任EDO內(nèi)存。

PC133也只是權(quán)宜之計(jì)，CPU對內(nèi)存的性能需求已經(jīng)到達(dá)一個(gè)瓶頸，雖然末期有廠商推出了稱為PC166的高頻率內(nèi)存，但SDRAM已是強(qiáng)弩之末，再怎么折騰也提升有限，使用更快更強(qiáng)的新內(nèi)存去滿足新一代CPU是必然的。

如果說SDR SDRAM是現(xiàn)代內(nèi)存的鼻祖，那么PC100規(guī)格的SDRAM內(nèi)存就是日后內(nèi)存發(fā)展的起點(diǎn)。

Rambus DRAM：600MHz-1066MHz

RDRAM的全稱是Rambus DynamicRandom Access Memory，是由Rambus主導(dǎo)研發(fā)的內(nèi)存規(guī)格，采用184Pin的RIMM插槽，電壓2.5V。在參與制訂完P(guān)C100 SDRAM后，如日中天的英特爾非常自信地認(rèn)定RDRAM在技術(shù)上遙遙領(lǐng)先，欽定RDRAM成為其平臺(tái)下一代內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)，并在1999年9月開始在Pentium III平臺(tái)推出相關(guān)的芯片組，最高支持PC800 RDRAM內(nèi)存。

Rambus和JEDEC之間關(guān)系并不好，同時(shí)授權(quán)費(fèi)高昂，加上英特爾的強(qiáng)勢，讓夾在中間的廠商相當(dāng)煎熬，有的甚至放棄不去做RDRAM。事實(shí)上RDRAM內(nèi)存真的是太貴了，完全不是普通用戶可以承受的。更無語的是，如果RDRAM內(nèi)存數(shù)量不能插滿主板的內(nèi)存插槽，還要額外購買特殊空白卡插上去填滿，電腦才能正常工作。這又多了一筆額外的花銷，而且很麻煩。

從技術(shù)規(guī)格來說，RDRAM確實(shí)比當(dāng)時(shí)市場上主流的PC-100 SDRAM內(nèi)存領(lǐng)先很多，其特點(diǎn)就是頻率非常高，所以帶寬優(yōu)勢明顯。雖然位寬只有16bit，低于SDR SDRAM的64bit，但是引入RISC思路設(shè)計(jì)的特殊架構(gòu)，使得內(nèi)存頻率可以達(dá)到驚人的400MHz（高頻率導(dǎo)致發(fā)熱量大不得不穿馬甲），同時(shí)數(shù)據(jù)一周期內(nèi)兩次傳輸，也就是說等效頻率800MHz，后來還提高到PC1066 RDRAM（i850E芯片組支持），頻率方面是市場上一般PC100/PC133 SDRAM內(nèi)存難以企及的高度。

而且使用RDRAM內(nèi)存的芯片組已開始支持雙通道了（例如i840/i850芯片組），雙通道PC800/PC1066 RDRAM的帶寬分別達(dá)到3.2GB/s和4.2GB/s，相比起來PC100/PC133 SDRAM的帶寬分別只有800MB/s和1.06GB/s，性能優(yōu)勢更大了。

結(jié)果大家都知道，最后RDRAM退出了PC市場。因?yàn)闆]等多久，性能上可以與它競爭，但價(jià)格不及一半的對手出場了。不過東邊不亮西邊亮，Rambus在游戲機(jī)市場找到了屬于自己的天地，任天堂N64，索尼PlayStation 2和PlayStation 3（使用新一代XDR內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)）上，都看到它的身影。

DDR SDRAM:200MHz-400MHz

PC133 SDRAM已經(jīng)不能滿足性能需求，RDRAM太貴不能用，不過很快，簡單有效的解決辦法找到了。

DDR SDRAM內(nèi)存全稱Dual Date Rate SDRAM，就是雙倍速率的SDRAM，從名字就看出是SDR SDRAM的升級版了。它采用184Pin的DIMM插槽，電壓2.5V。DDR SDRAM與原來的SDRAM最大的不同，在于一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿與下降沿各傳輸一次信號，直接粗暴地把數(shù)據(jù)傳輸速度翻倍，而且還不會(huì)增加功耗。定址與控制信號方面與SDR SDRAM相同，僅在上升沿傳輸。這是為了兼顧當(dāng)時(shí)內(nèi)存控制器的兼容性與性能，方便廠商簡單升級設(shè)備后就能進(jìn)行生產(chǎn)。

雖然DDR SDRAM的制定工作在更早之前已經(jīng)開展，但英特爾在RDRAM問題上的執(zhí)著讓業(yè)內(nèi)的其他廠商站在一起，大大加快了相關(guān)工作推進(jìn)的速度。

最早的DDR內(nèi)存頻率是200MHz的DDR-200（市場上基本沒見過），接著是DDR-266、DDR-333，最后停在DDR-400，JEDEC的文檔里名稱是PC1600/PC2100/PC2700/PC3200。

2000年7月ALI（楊智）率先推出支持DDR內(nèi)存的芯片組，英特爾平臺(tái)的Aladdin Pro 5，AMD桌面平臺(tái)的ALiMAGiK 1以及移動(dòng)平臺(tái)的MobileMAGiK 1。真正開始得到普及是大概一年后，各大芯片組廠商普遍已推出支持DDR-266內(nèi)存的芯片組，相關(guān)主板推上了貨架。

到了DDR-400時(shí)期，支持雙通道DDR內(nèi)存的芯片組出現(xiàn)了。2002年7月，英偉達(dá)針對AMD平臺(tái)發(fā)布的nForce 2是最先支持雙通道DDR-400內(nèi)存的芯片組，從此英偉達(dá)在AMD平臺(tái)的芯片組市場占據(jù)主導(dǎo)地位，維持了很長一段時(shí)間。2003年4月，i865PE/G/i875芯片組隨支持800MHz FSB和超線程的Northwood核心Pentium 4發(fā)布，英特爾平臺(tái)也支持雙通道DDR-400內(nèi)存了。這標(biāo)志著雙通道地位的確立，往后無論內(nèi)存如何升級換代，支持雙通道始終是主流市場處理器和芯片組規(guī)格上的標(biāo)配。

從PC133 SDRAM到雙通道DDR-400，這個(gè)過程前后大概也就2年左右的時(shí)間，主流電腦的內(nèi)存帶寬一下子翻了6倍，內(nèi)存性能的躍升速度堪稱光速。這是之前不可想象的，提高幅度比以后任何一代內(nèi)存更迭得到的提升都要夸張。

自從DDR SDRAM內(nèi)存推出后，原來SDRAM與RDRAM之間的鴻溝一下子縮窄了。RDRAM價(jià)格高昂，適用性差，在DDR內(nèi)存頻率迅速提升后，最終性能優(yōu)勢也沒有了。至此，未來電腦內(nèi)存的發(fā)展走向已經(jīng)確定，就是沿著DDR SDRAM內(nèi)存路線迭代升級。

DDR2 SDRAM：400MHz-800MHz

在完全確立DDR SDRAM內(nèi)存的市場地位后，后續(xù)的內(nèi)存實(shí)際上都是DDR內(nèi)存的衍生品。由于單純提高DDR內(nèi)存在頻率已經(jīng)很難了，所以DDR2 SDRAM要尋找新的方法實(shí)現(xiàn)性能提升。

這種途徑就是將DDR SDRAM內(nèi)存在時(shí)鐘周期內(nèi)預(yù)讀取由2bit變成了4bit，DDR2 SDRAM非常有效地讓數(shù)據(jù)傳輸速度又一次翻倍。此外采用了240Pin的DIMM插槽，電壓1.8V，還融入了CAS、OCD、ODT技術(shù)規(guī)范和中斷指令讓運(yùn)行效率更高。以前SDR SDRAM/DDR SDRAM內(nèi)存不少仍然采用TSOP封裝，而DDR2 SDRAM都變成了BGA封裝，從外觀上看，DDR2 SDRAM就已經(jīng)有比較大的區(qū)別了。

DDR2 SDRAM從DDR2-400（400MHz）開始，依次往上是DDR2-533、DDR2-667，最高至DDR2-800（頻率趕上1999年的RDRAM了），JEDEC的文檔里名稱是PC2-3200/PC2-4200/PC2-5300/PC2-6400。

DDR2-1066有點(diǎn)特別，相關(guān)廠商之間達(dá)成了一定標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（三星甚至在自己的DDR2-1066內(nèi)存上標(biāo)示PC2-8500字樣），但并非JEDEC組織制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不過市場上數(shù)量并不少（主要是AMD平臺(tái)的支持）。雖然DDR2使用時(shí)間長范圍廣，但大部分時(shí)間都是和DDR或DDR3在市場上并存。

最早支持DDR2內(nèi)存的是2004年6月英特爾發(fā)布的i915/i925芯片組，不過這兩款芯片組評價(jià)不怎么樣。而AMD由于K8架構(gòu)是把內(nèi)存控制器整合在處理器內(nèi)部，所以直到2006年6月更換到AM2平臺(tái)才開始支持DDR2內(nèi)存。

DDR3 SDRAM：800MHz-2133MHz

DDR3 SDRAM推出的時(shí)間非常早，英特爾在2007年的5月份就發(fā)布了支持DDR3內(nèi)存的P35芯片組（AMD剛轉(zhuǎn)向使用DDR2內(nèi)存沒多久），這時(shí)候JEDEC甚至還沒正式完成規(guī)范的制定工作。另一方面徹底普及花了好幾年的時(shí)間，AMD直到2009年2月更迭到AM3平臺(tái)才提供支持。

和上一代的DDR2 SDRAM相比，提升的途徑也很直接，把預(yù)讀取從4bit變成了8bit，再一次以同樣方式讓數(shù)據(jù)傳輸速度實(shí)現(xiàn)了翻倍，同時(shí)加入了CWD、Reset、ZQ、STR、RASR等技術(shù)。插槽仍然是240Pin的DIMM，不過防呆缺口位置改變了，電壓降低到1.5V。無論DDR2 SDRAM還是DDR3 SDRAM，都是采取了相對保守、穩(wěn)定的技術(shù)路線來提高內(nèi)存性能。

DDR3 SDRAM初代產(chǎn)品是DDR3-800（800MHz），接著是DDR3-1066、DDR3-1333、DDR3-1600、DDR3-1866，最高到DDR3-2133（幾乎三倍于初代DDR3內(nèi)存頻率），JEDEC的文檔里名稱是PC3-6400/PC3-8500/PC3-10600/PC3-12800/PC3-14900/PC3-17000。

在DDR3內(nèi)存推向市場后，由于對比DDR2在性能上沒有優(yōu)勢，但價(jià)格更高，處理器對內(nèi)存性能的需求也沒那么迫切（AMD甚至遲遲不支持），DDR2和DDR3內(nèi)存共存了比較長的一段時(shí)間，廠商同一款芯片組分別有對應(yīng)DDR2和DDR3版本也是常有的事（幾乎除了內(nèi)存插槽什么都一樣）。直到DDR3-1333開始，頻率提升讓性能優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)，同時(shí)價(jià)格也下來了，才真正成為市場的主流。

另外DDR3內(nèi)存非常長壽，在市場上占據(jù)了有十年左右的時(shí)間，到第6代酷睿處理器發(fā)布的時(shí)候，仍然有廠商推出支持新CPU及DDR3內(nèi)存的主板（OEM廠商這樣搭配使用的并不少）。近兩年，依然能看到有零星采用新芯片組支持8代/9代酷睿的主板也使用DDR3內(nèi)存，但這些主板只不過是小眾產(chǎn)品，已經(jīng)不是市場主流了。

DDR4 SDRAM：1600MHz-3200MHz

同樣在第6代酷睿的時(shí)候，DDR4內(nèi)存推向了主流市場。事實(shí)上DDR4內(nèi)存在前一年，也就是2014年8月X99芯片組發(fā)布的時(shí)候已經(jīng)提供支持了。

在前面的介紹里可以看到，從DDR到DDR3，每次內(nèi)存更新?lián)Q代都會(huì)從預(yù)讀取的位數(shù)翻倍方式實(shí)現(xiàn)頻率提升，三者預(yù)讀取的位數(shù)分別是2bit、4bit和8bit。不過DDR4在預(yù)讀取位數(shù)上和DDR3內(nèi)存一樣是8bit，因?yàn)橄敕兜?6bit在當(dāng)時(shí)來說難度太大了，所以這次要換一種方式實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

源于GDDR5的Bank Group（BG）設(shè)計(jì)就應(yīng)運(yùn)而生了，4個(gè)Bank作為一個(gè)BG，可自由使用2-4組BG，各個(gè)BG具備獨(dú)立啟動(dòng)操作讀、寫等動(dòng)作特性，讓內(nèi)存控制器和BG組之間實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)操作，加上其他技術(shù)手段的加入，可以讓等效頻率可以提升到核心頻率的16倍。簡單來說，就是換了一種方式實(shí)現(xiàn)類似預(yù)讀取位數(shù)翻倍的效果。另外DDR4 SDRAM的DIMM插槽提高到了288Pin，電壓降低到1.2V，而且金手指并不是完全平直的，會(huì)有輕微曲線。

DDR4 SDRAM從DDR4-1600（1600MHz）起步，分別有DDR4-1866、DDR4-2133、DDR4-2400、DDR4-2666，最高到DDR4-3200，JEDEC的文檔里名稱是PC4-1600/PC4-1866/PC4-2133/PC4-2400/PC4-2666/PC4-3200。

事實(shí)上DDR4內(nèi)存起步頻率有點(diǎn)低，市場上真正見到的一般是從DDR4-2133開始。隨著第7代酷睿以及Ryzen系列處理器的發(fā)布，DDR4內(nèi)存徹底占領(lǐng)了內(nèi)存市場，一直到現(xiàn)在。目前市面上有很多DDR4-3600、DDR4-3733、DDR4-4266的高頻率內(nèi)存，和所有的前一代產(chǎn)品一樣，這些都是非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為發(fā)燒友們準(zhǔn)備的。

DDR5 SDRAM：4800MHz-6400MHz

現(xiàn)階段想更深入解析DDR5 SDRAM有點(diǎn)為時(shí)尚早，JEDEC在2020年7月才正式公布DDR5內(nèi)存規(guī)范，實(shí)際產(chǎn)品還沒推向市場。不過和以往每次迭代時(shí)候頻率有重疊的情況有些不同，這次DDR5 SDRAM直接從4800MHz開始，最高到6400MHz。至于提高的秘訣，也是老套路了，再次從預(yù)讀取下手，由8bit提高到16bit，當(dāng)然也有其他方面技術(shù)的引入，具體可以看我們今年《超能課堂：DDR5內(nèi)存是怎么做到頻率翻倍的？》的介紹。

總結(jié)：技術(shù)與制造工藝進(jìn)步的體現(xiàn)

從SDRAM到DDR5，選取了PC133 SDRAM、PC1066 RDRAM、DDR-400、DDR2-800、DDR3-2133、DDR4-3200、DDR5-4800做了個(gè)圖表對比，能直觀感受到內(nèi)存頻率的變化情況，在SDRAM到DDR4都選擇了各自類型內(nèi)存在JEDEC規(guī)范里的最高規(guī)格，RDRAM選擇的是PC時(shí)期的最高規(guī)格。目前DDR5的核心頻率未知，DDR5-4800可能是150MHz。

可以看到，從PC133 SDRAM到DDR5-4800，在過去20年的時(shí)間里，電腦內(nèi)存的頻率在不知不覺中提高了36倍有余。事實(shí)上PC133 SDRAM和DDR5-4800之間的頻率差距不是真的有36倍那么多，準(zhǔn)確來說那只是內(nèi)存的等效頻率。多年來，受制于物理材料的極限限制，核心頻率提升幅度非常少，可以說是變化不大。當(dāng)然，RDRAM這種特殊的串聯(lián)結(jié)構(gòu)有著天生的優(yōu)勢，核心頻率可以達(dá)到超乎尋常高頻的除外。

從表格中可以看出，JEDEC制定的內(nèi)存規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)里，核心頻率一般都不超過200MHz，除了DDR3達(dá)到了266MHz（DDR5目前估計(jì)在150MHz-200MHz之間）。內(nèi)存等效頻率的提高是各種技術(shù)手段疊加的結(jié)果，這也是技術(shù)和制造工藝進(jìn)步的體現(xiàn)，所以表格里從最早的PC66 SDRAM到最新的DDR5-6400，頻率相差了近百倍。但這些放大的手段都存在各種的局限性，例如內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并不連續(xù)，那么一些預(yù)讀取的方式就不會(huì)有什么幫助，也就達(dá)不到等效頻率的速度了。

這就是內(nèi)存一路走來，其頻率變化的歷程。