DDR3内存技术原理

随着AMD AM2平台CPU的上市，目前两大处理器巨头均提供了对DDR2内存的支持。不过，DDR2远不是内存技术发展的终点，CPU和内存厂商已经在着手进行DDR3内存的相应准备。DDR2内存的好日子还没过上几天，它的下一代产品DDR3又成为了人们关注的对象。

 

 

DDR3内存已经面世

 

　　在本届Computex 2006台北展会上，威刚科技向人们展示了新一代的DDR3内存。威刚此次展示的vitesta DDR3无缓冲DIMM内存包括DDR3-1066和DDR3-1333两种规格，单条容量均为1GB，针脚数240，核心电压1.5+/-0.1V，延迟设定为CL7。虽然DDR3与DDR2一样存在高延迟的缺点，不过DDR3比DDR2拥有更高频率的优势。

 

　　威刚科技表示，此次仅展示了DDR3- 1066/1333规格，但DDR3 1666也会很快到来。在威刚最新推出的DDR3内存中，加入了数据同步设计（Data Synchronization），使电压降低为1.5V，这对以省电为诉求的笔记本计算器而言，电池续航力增加，电池寿命及热量可得到更好的改善。

 

 

引入DDR3内存的动因

 

　　目前DDR2尚未完全取代DDR内存，在目前的整机环境下，DDR2基本能够满足各类型计算机的应用需求，那么最新一代的DDR3相比DDR2具有哪些优势，使得包括Intel和AMD以及A-DATA在内的众多国际顶级厂商都致力于DDR3的开发与应用呢？

 

　　最主要的原因是，由于DDR2的数据传输频率发展到800MHz时，其内核工作频率已经达到了200MHz，因此，再向上提升较为困难，这就需要釆用新的技术来保证速度的可持续发展性。另外，也是由于速度提高的缘故，内存的地址/命令与控制总线需要有全新的拓朴结构，而且业界也要求内存要具有更低的能耗。

 

 

CPU厂商的DDR3内存攻略

 

　　Intel计划在明年年中为其芯片组加入DDR3内存的支持。Intel芯片组事业部总经理Malinowski说，到那时市场才能准备好接受DDR3内存。

 

　　Intel最新的965芯片组家族只支持DDR2，并放弃了对DDR的支持。

 

　　AMD方面则要积极得多，与当年对DDR2内存的暧昧形成鲜明对比，这显然与AM2平台CPU在DDR2内存下表现不尽如人意有关：要表现出AMD CPU从DDR平台迁移到DDR2平台的优势，其对DDR2内存频率提高的要求比Intel Core更甚，但现阶段以DDR2 533/667为主的内存市场，则让AM2 CPU更多地受制于DDR2内存的高时延而不是受益于DDR2内存的高频率。

 

　　AMD计划在下一代的K8L架构CPU中全面导入对DDR3内存的支持。在AMD的路线图看，K8L CPU将支持同时DDR2和DDR3内存，但很显然，DDR2内存不是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。

 

　　同时，加大对DDR3内存的支持力度，也可以让AMD改善与Intel的竞争中的被动地位。

 

 

DDR3内存的发展

 

　　早在2002年6月28日，JEDEC就宣布开始开发DDR3内存标准，但从目前的情况来看，DDR2才刚开始普及，DDR3标准更是连影也没见到。不过目前已经有众多厂商拿出了自己的DDR3解决方案，纷纷宣布成功开发出了DDR3内存芯片，从中我们仿佛能感觉到DDR3临近的脚步。而从已经有芯片可以生产出来这一点来看，DDR3的标准设计工作也已经接近尾声。

 

　　半导体市场调查机构iSuppli预测DDR3内存将会在2008年替代DDR2成为市场上的主流产品，iSuppli认为在那个时候DDR3的市场份额将达到55%。不过，就具体的设计来看，DDR3与DDR2的基础架构并没有本质的不同。从某种角度讲，DDR3是为了解决DDR2发展所面临的限制而催生的产物。

 

　　由于DDR2内存的各种不足，制约了其进一步的广泛应用，DDR3内存的出现，正是为了解决DDR2内存出现的问题，具体有：

　　更高的外部数据传输率

　　更先进的地址/命令与控制总线的拓朴架构

　　在保证性能的同时将能耗进一步降低

 

　　为了满足这些要求，DDR3内存在DDR2内存的基础上所做的主要改进包括：

　　8bit预取设计，DDR2为4bit预取，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。

　　采用点对点的拓朴架构，减轻地址/命令与控制总线的负担。

　　采用100nm以下的生产工艺，将工作电压从1.8V降至1.5V，增加异步重置（Reset）与ZQ校准功能。

 

 

DDR3内存的封装

 

　　从规格来看，DDR3仍将沿用FBGA封装方式，故在生产上与DDR2内存区别不大。但是由设计的角度上来看，因DDR3的起跳工作频率在1066MHz，这在电路布局上将是一大挑战，特别是电磁干扰，因此也将反映到PCB上增加模块的成本。

 

　　预计在DDR3进入市场初期，其价格将是一大阻碍，而随着逐步的普及，产量的提升才能进一步降低成本。

 

 
DDR3内存的技术改进

 

　　那么，从技术看，DDR3内存与目前主流的DDR2内存相比，其特点体现在哪些方面呢？我们首先介绍DDR3内存针对DDR2中存在的不足的改进

 

　　逻辑Bank数量

　　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。

 

　　封装（Packages）

　　DDR3由于新增了一些功能，所以在引脚方面会有所增加，8bit芯片采用78球FBGA封装，16bit芯片采用96球FBGA封装，而DDR2则有60/68/84球FBGA封装三种规格。并且DDR3必须是绿色封装，不能含有任何有害物质。

 

　　突发长度（BL，Burst Length）

　　由于DDR3的预取为8bit，所以突发传输周期（BL，Burst Length）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4-bit 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，届时可通过A12地址线来控制这一突发模式。而且需要指出的是，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4bit顺序突发）。

　　

　　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至5之间，而DDR3则在5至11之间，且附加延迟（AL）的设计也有所变化。DDR2时AL的范围是0至4，而DDR3时AL有三种选项，分别是0、CL-1和CL-2。另外，DDR3还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。

 

DDR3内存的新增功能　

 

　　如果上一部分介绍的DDR3内存对DDR2内存的改进更多的是某种程度上的修正或简单提高的话，DDR3内存还有部分DDR2内存所不具备的功能，正是这些，让DDR3内存的表现有了根本性的提高

　　

　　重置（Reset）

　　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。DRAM业界已经很早以前就要求增这一功能，如今终于在DDR3身上实现。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，以节约电力。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达到最节省电力的目的。

　　

　　ZQ校准

　　ZQ也是一个新增的脚，在这个引脚上接有一个240欧姆的低公差参考电阻。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。

　　

　　参考电压分成两个

　　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，另一为数据总线服务的VREFDQ，它将有效的提高系统数据总线的信噪等级。

 

　　根据温度自动自刷新（SRT，Self-Refresh Temperature）

　　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，为了最大的节省电力，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，消电就大，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，并不见得市场上的DDR3内存都支持这一功能，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，一个是普通的的温度范围（例如0℃至85℃），另一个是扩展温度范围，比如最高到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。

 

　　局部自刷新（RASR，Partial Array Self-Refresh）

　　这是DDR3的一个可选项，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，从而最大限度的减少因自刷新产生的电力消耗。这一点与移动型内存（Mobile DRAM）的设计很相似。

 

　　点对点连接（P2P，Point-to-Point）

　　这是为了提高系统性能而进行了重要改动，也是与DDR2系统的一个关键区别。在DDR3系统中，一个内存控制器将只与一个内存通道打交道，而且这个内存通道只能一个插槽。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。而在内存模组方面，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。

 

　　此外，DDR3还在功耗管理，多用途寄存器方面有不少新的设计。