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DDR是什么意思? DDR5和DDR4的区别是什么？
内存(DRAM-Random Access Memory)作为当代数字系统最主要的核心部件之一，从各种终端设备到核心层数据处理 和存储设备，从各种消费类电子设备到社会各行业专用设备，是各种级别的 CPU 进行数据处理运算和缓存的不可或缺的周转“仓库”，一个强大的核心处理单元也必须配备一个高速运转的宽通路的数据访问和存储单元。近 20 多年来，DRAM也快速地从 20 世纪末期的 SDRAM 发展到 21 世纪 DDR RAM。在 21 世纪的前10 年，DDR标准主要是个人信息处理终端的代表设备----PC 和个人工作站类驱动，快速从 DDR1 演进到 DDR3。而近 10 年来，进入移动互联时代后海量数据爆发，AI 和深度学习以及 5G驱动，在个人信息终端上基本可以胜任的 DDR4标准，明显显得力不从心。今天 DDR5正在昂首阔步地配合以 PCIE5.0 32Gbps 为代表的第5代高速 I/O 数据传输走向最终的市场化。
一. DDR标准发展和DDR5简介
下图展示的是内存 RAM 20多年来的发展和信号特点以及设计演进。
图 1 DDR标准发展和信号特点演进
一些DDR基本概念
DDR是什么意思?
DDR的全拼是Double Data Rate SDRAM双倍数据速率同步动态随机存取内存, 主要用在电脑的内存。DDR的特点就是走线数量多，速度快，操作复杂，给测试和分析带来了很大的挑战。
目前DDR技术已经发展到了DDR5，性能更高，功耗更低，存储密度更高，芯片容量大幅提升，他的数据速率在3200-6400MT/s。
DDR本质上不需要提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度，它允许在时钟的上升沿和下降沿读出数据，因而其速度是标准SDRAM的两倍，至于地址与控制信号则与传统SDRAM相同，仍在时钟上升沿进行数据判断。
DDR核心技术点就在于双沿传输和预取Prefetch.
DDR的频率包括核心频率，时钟频率和数据传输频率。核心频率就是内存的工作频率；DDR1内存的核心频率是和时钟频率相同的，到了DDR2和DDR3时才有了时钟频率的概念，就是将核心频率通过倍频技术得到的一个频率。数据传输频率就是传输数据的频率。
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DDR存储器概述、开发周期和挑战
“由于改进的制造工艺降低了成本，现在选择的技术是 DDR SDRAM，是双倍数据速率同步动态随机存取存储器的缩写。”
计算机组成
计算机組成结构 (Computer Architecture）是计算机系統的核心，它定义了计算机的基本工作原理和设计模式。计算机的组成可以分成以下3大类：中央处理器(CPU)、存储器和输入/输出子系统。
中央处理器 (CPU)
CPU用于数据的运算，在大部分的体系结合中，它有3个组成部分：算数运算单元 (ALU)、控制单元、奇存器组。
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控制单元 (Control Unit)：负责指挥整个计算机系统的操作，解释并执行指令，控制其他硬件的工作。
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算术逻辑单元 (ALU）：执行所有算术运算（如加减乘除）和逻辑运算（如与、或、非等），是计算机执行指令的核心部分。
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寄存器 (Registers)：这是CPU中用于存储数据的高速行储器，用来临时存放指令、数据和操作结果。
半导体存储器
随着科技的发展，半导体存储器成为了现代计算机存储器的主流，分为两类主要类型：
静态随机存储器 (SRAM)：SRAN利用晶体管存储数据，速度非常快，但每个比特需要更多的晶体管，导致成本高，密度低。主要应用在需要高速绥存的场景，如CPU的缓存 (L1、 L2、 L3)
动态随机存储器 (DRAM)：DRAM利用电容存储数据，电容逐渐放电，因此需要不断刷新来维持数据存储。相对于SRAM,DRAM的存储密度更高，成本较低，因此广泛用于主内存 (RAM)。随看集成电路制造技术的进步，DRAN容量和性能持续提升。
现代内存技术
DDR(双倍数据速率)内存：从DDR到如今的DDR5，随看数据传输速度和功耗的改进，DDR系列内存成为计算机和服务器的主流内存。DDR技术从2000年开始引入，持续更新，DDR5的带完和容量比早期版本有了大幅提升。
闪存 (Flash Memory)：闪存 （Flash Memory)是一种长寿命的非易失性的存储器，数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位。闪存是电子可擦除只读存储器（EEPROM) 的变种，闪存与EEPROM不同的是，EEPROM能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写，而闪存的大部分芯片需要块擦除。由于其断电时仍能保存数据，闪存通常被用来保存设置信息，如在电脑的B1OS(基本程序）、PDA（个人数字助理）、数码相机中保存资料等。
LPDDR（低功耗DDR)：随看移动设备的普及，低功耗内存技术成为了关键，LPDDR（低功耗双倍数据速率）内存在手机、平板等设备上应用广泛，从LPDDR1发展到LPDDR5，强调功耗和性能之间的平衡。
HBM (High Bandwidth Memory，高带亮内存): HBM是一种高性能DRAM，具有更高的带完和更低的功耗，主要用于图形处理器（GPU) 和高性能计算 (HPC)领域。HBM通过垂直堆愛的方式来提升存储密度和传输速度，减少了延迟和能耗。
DDR内存原理
基本DDR subsystem架构图：DDRC +DDRphy +SDRAM颗粒，DDR IP一般包括DDR Controller和DDR PHY，内部涉及的内容包括但不限于以下几个方面：数据保序、仲裁、最优调度、协议状态机设计、防饿死机制、bypass通路、快速切频、DDR training。
基本DDR subsystem架构图
DDR工作原理
当时钟脉冲达到一定频率时，DDR存储器才开始工作，此后发生的就是“读-存-读”的过程。在此过程中，器件芯片会从主在取数据，然后与入数据在储区。当写入操作完成后，再从存储区中取出数据，並将其传输到处理器中，然后根据需要将数据处理，再把最终结果返回到主存。
DDR 的双倍数据传输率其实就是每个时钟周期内读写一次数据，即DDR芯片可以在每个时钟周期内分别完成“读-存”和“存-读”操作，从而提高存储器的传输效率。
DDR内存通过双倍数据速率的传输方式，结合多通道传输和数据校验等技术，提高了数据传输效率和可靠性。这使得 DDR 成为了计算机内存的主流技术。
内存芯片 - DDR内存模块中包含多个内存芯片，每个芯片有自己的存储单元。每个存储单元都有一个地址，用于在读取或写入数据时进行寻址。
数据总线 - DDR内存模块连接到计算机的内存控制器，通过数据总线进行数据传输。数据总线可以同时传输多个数据位，例如 64 位或 128位。
时钟信号 - DDR内存模块通过时钟信号进行同步操作。时钟信号用来控制数据的传输速率，每个时钟周期内有一个上升沿和一个下降沿。上升沿时，数据从内存芯片传输到数据总线；下降沿时，数据从数据总线传输到内存芯片。
预充电 - 在开始传输数据之前，DDR内存模块会先进行预充电操作。预充电是将存储单元中的电荷恢复到初始状态，以确保接下来的数据传输是准确的。
数据传输 - DDR 采用了多通道的数据传输方式，即同时传输多个数据位。这样可以在每个时钟周期内传输更多的数据。
存储器分类
存储器分为内部存储器(内存)，外部存储器(外存)，缓冲存储器(缓存)以及闪存这几个大类。
内存也称为主存储器，位于系统主机板上，可以同CPU直接进行信息交换。其主要特点是：运行速度快，容量小。
外存也称为辅助存储器，不能与CPU之间直接进行信息交换。其主要特点是：存取速度相对内存要慢得多，存储容量大。
内存与外存本质区别
内存与外存本质区别是，一个是内部运行提供缓存和处理的功能，也可以理解为协同处理的通道;而外存主要是针对储存文件、图片、视频、文字等信息的载体，也可以理解为储存空间。缓存就是数据交换的缓冲区 （称作Cache），当某一硬件要读取数据时，会首先从缓存中查找需要的数据，如果找到了则直接执行，找不到的话则从内存中找。由于缓存的运行速度比内存快得多，故缓存的作用就是帮助硬件更快地运行。
如何计算DDR带宽？
内存带宽计算公式1：
带宽=内存核心频率×倍增系数×(内存总线位数/8)
内存带宽计算公式2：
带宽=标称频率×线宽÷8
SDRAM和DDR区别是什么?
DDR=双倍速率同步动态随机存储器，是内存的其中一种。DDR取消了主板与内存两个存储周期之间的时间间隔，每隔2个时钟脉冲周期传输一次数据，大大地缩短了存取时间,使存取速度提高百分之三十。
SDRAM是 "Synchronous Dynamic random access memory”的缩写，意思是“同步动态随机存储器”，就是我们平时所说的“同步内存”。从理论上说，SDRAM与CPU频率同步，共享一个时钟周期。SDRAM内含两个交错的存储阵列，当CPU从一个存储阵列访问数据的同时，另一个已准备好读写数据，通过两个存储阵列的紧密切换，读取效率得到成倍提高。
DDR是SDRAM的更新换代产品，采用5伏工作电压，允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，这样不需要提高时钟的频率就能加倍提高SDRAM的速度，并具有比SDRAM多一倍的传输速率和内存带宽。
请扫描二维码, 下载文章：DDR误码率测量
从历史上看，DDR（双倍数据速率）以零误码率 (BER) 为信念来定义其时序规范。虽然从统计上讲不可能实现零误码率，但时序预算有足够的余量来证明规范和测量方法的合理性。随着每一代 DDR 同步动态随机存取存储器 (SDRAM) 的出现，速度都在提高，封装尺寸在减小，功耗也在降低。（见表 1）。随着设计余量、信号完整性和互操作性的降低，这些改进带来了额外的挑战。最新的 DDR 技术提供 3.2Gb/s 或更高的数据速率。现在每一皮秒都很重要，可能是通过和失败位的差异。
DDR5和DDR4的区别
DDR发展历程
DDR（DDR1)-DDR SDRAM 于 2000 年推出，与其前身 SDR SDRAM（单速率 SDRAM）相比有了显著的改进。与 SDR SDRAM 相比，DDR1 的数据传输速率提高了一倍，从而实现了更快的内存访问速度并提高了系统性能。DDR1 模块最初提供的数据传输速率范围为 200 MT/s 至 400 MT/s（每秒兆次传输）。DDR1 内存通常用于台式计算机、笔记本电脑和早期的服务器系统。
DDR2 - DDR2 SDRAM 于 2003 年推出，在 DDR1 的基础上进一步提高了速度和效率。与 DDR1 相比，DDR2 的预取缓冲区大小增加了一倍，从而可以提高数据吞吐量。DDR2 模块最初提供的数据传输速率范围为 400 MT/s 至 800 MT/s。DDR2 内存在中端到高端计算系统中得到广泛应用，与 DDR1 相比，其性能和能效更高。
DDR3 - 2007 年发布的 DDR3 SDRAM 代表着内存技术的又一次重大进步。与 DDR2 相比，DDR3 进一步提高了数据传输速率，同时降低了功耗。DDR3 模块最初支持的数据传输速率从 800 MT/s 到 1600 MT/s，后来的速度最高可达 2133 MT/s。DDR3 内存成为主流计算系统的标准，在性能、能效和价格之间实现了平衡。
作为当前市场主流的 DDR4标准和业界正在集中攻关的 DDR5标准，对比有何差异呢?
如下表所列，从芯片开发到电路系统设计角度来看相比，DDR5 为了实现更高带宽和吞吐量进一步提升读写速率和改变通道架构以及猝发读写长度，目前规划的最高速率达 8400M T/s。
为了实现更低功耗和电源管理 I/O 电压降到 1.1V，并在 DIMM 条上完成电源管理工作以实现更高 的电源效率(主要是缩短电源传输路径以降低损耗和减小潜在的干扰)。为了提高数据带宽，不仅 提升速率同时采用双通道架构，提升读写效率，采用双通道 32 data + 8 ECC，Burst Length 也从 4/8 提高到 8/16，最后还支持更高容量的 DRAM 器件，从 DDR4 16 Gb 加倍到 32 Gb。总之，DDR5 作为业界备受期望的第 5 代 I/O 的内部数据共享和传输标准将与 PCI Express 5.0 乃至 6.0 等高速接口标准一起重塑 iABC 时代的大数据流的高速公路。
表 1 DDR4 和 DDR5 比较(源自 Rambus)
2.1.1 速率的提升
近年来，内存与CPU性能发展之间的剪刀差越来越大，对内存带宽的需求日益迫切。DDR4在1.6GHz的时钟频率下最高可达 3.2 GT/s的传输速率，最初的 DDR5则将带宽提高了 50%，达到 4.8 GT/s传输速率。DDR5 内存的数据传输速率最终将会达到 8.4 GT/s。
2.1.2 电压的降低
降低工作电压（VDD），有助于抵消高速运行带来的功耗增加。在 DDR5 DRAM 中，寄存时钟驱动器 (RCD) 电压从 1.2 V 降至 1.1 V。命令/地址 (CA) 信号从 SSTL 变为 PODL，其优点是当引脚处于高电平状态时不会消耗静态功率。
2.1.3 DIMM新电源架构
使用 DDR5 DIMM 时，电源管理将从主板转移到 DIMM 本身。DDR5 DIMM 将在 DIMM 上安装一个 12 V 电源管理集成电路（PMIC），使系统电源负载的颗粒度更细。PMIC 分配1.1 V VDD 电源，通过更好地在 DIMM 上控制电源，有助于改善信号完整性和噪音。
2.1.4 DIMM通道架构
DDR4 DIMM 具有 72 位总线，由 64 个数据位和 8 个 ECC 位组成。在 DDR5 中，每个 DIMM 都有两个通道。每个通道宽 40 位，32 个数据位和 8 个 ECC 位。虽然数据宽度相同（共 64 位），但两个较小的独立通道提高了内存访问效率。因此，使用 DDR5 不仅能提高速度，还能通过更高的效率放大更高的传输速率。
图 2 DDR5总线架构和标准DDR5 RDIMM 内存条
2.1.5 更长的突发长度
DDR4 的突发长度为4或者8。对于 DDR5，突发长度将扩展到8和16，以增加突发有效载荷。突发长度为16(BL16)，允许单个突发访问 64 字节的数据，这是典型的 CPU 高速缓存行大小。它只需使用两个独立通道中的一个通道即可实现这一功能。这极大地提高了并发性，并且通过两个通道提高了内存效率。
2.1.6 更大容量的 DRAM
DDR4 在单芯片封装（SDP）中的最大容量为16 Gb DRAM。而DDR5的单芯片封装最大容量可达64 Gb，组建的DIMM 容量则翻了两番，达到惊人的 256 GB。