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SDR SDRAM內存 內存條所經過的7個歷程

2019-11-20 15:25:21  來源:IT之家

當今世界上的計算機都是基于馮·諾依曼結構,一臺計算機必須包含運算器、控制器、存儲器和輸入、輸出設備五個部分,存儲器又可分為內存儲器和外存儲器,內存儲器可以簡單理解為CPU里面的緩存和插主板上的內存,而外存儲器則是硬盤、U盤、軟盤等,內存和硬盤對于一臺當今的PC來說是不可或缺的部件。

內存在PC中是一個巨大的緩沖區,CPU所需訪問與處理的數據都會經過這里,雖說CPU內部也有各級緩存,但是容量空間是無法與內存相比的,隨著CPU的處理能力不斷的提高,內存的速度與容量也在不斷的提升,每隔幾年就會更新換代,下面我們就一起來了解一下內存條的發展歷史。

古老的SIMM時代

其實在最初的個人電腦上是沒有內存條的,內存是直接以DIP芯片的形式安裝在主板的DRAM插座上面,需要安裝8到9顆這樣的芯片,容量只有64KB到256KB,要擴展相當困難,但這對于當時的處理器以及程序來說這已經足夠了,直到80286的出現硬件與軟件都在渴求更大的內存,只靠主板上的內存已經不能滿足需求了,于是內存條就誕生了。

遠古的30pin SIPP (Single In-line Pin Package)接口,針腳的定義其實與30pin SIMM一樣的

SIPP很快就被SIMM(Single In-line Memory Modules)取代了,兩側金手指傳輸相同的信號,早期的內存頻率與CPU外頻是不同步的,是異步DRAM,細分下去的話包括FPM DRAM(Fast Page Mode DRAM)與EDO DRAM(Extended data out DRAM),常見的接口有30pin SIMM與72pin SIMM,工作電壓都是5V。

從上到下分別是30pin SIMM、蘋果的64pin SIMM與72pin SIMM

第一代SIMM內存有30個引腳,單根內存數據總線只有8bit,所以用在16位數據總線處理器上(286、386SX等)就需要兩根,用在32位數據總線處理器上(386DX、486等)就需要四根30pin SIMM內存,采購成本一點都不低,而且還會增加故障率,所以30pin SIMM內存并不是完全被大家所接受。

有趣的是DIP芯片形式的內存與內存條共存了一段比較長的時間,在不少286的主板上你可以同時看到DIP內存芯片與30pin SIMM內存插槽,它們是可以一齊工作的。

隨后誕生了72pin SIMM內存,單根內存位寬增加到32位,一根就可以滿足32位數據總線處理器,擁有64位數據總線的奔騰處理器則需要兩根,內存容量也有所增加,它的出現很快就替代了30pin SIMM內存,386、486以及后來的奔騰、奔騰Pro、早期的奔騰II處理器多數會用這種內存。

FPM DRAM

30pin FPM DRAM

FPM DRAM是從早期的Page Mode DRAM上改良過來的,當它在讀取同一列數據是,可以連續傳輸行位址,不需要再傳輸列位址,可讀出多筆資料,這種方法當時是很先進的,不過現在看來就很沒效率。

FPM DRAM有30pin SIMM和72pin SIMM兩種,前者常見于286、386和486的電腦上,后者則常見于486與早期型的奔騰電腦上,30pin的常見容量是256KB,72pin的容量從512KB到2MB都有。

EDO DRAM

比較少見的168pin EDO內存,通常都用在服務器上

其實也是72pin SIMM的一種,它擁有更大的容量和更先進的尋址方式,這種內存簡化了數據訪問的流暢,讀取速度要FPM DRAM快不少,主要用在486、奔騰、奔騰Pro、早期的奔騰II處理器的電腦上面,本人第一臺電腦486上面就插著兩條8MB的EDO內存。

在1991到1995年EDO內存盛行的時候,憑借著制造工藝的飛速發展,EDO內存在成本和容量上都有了很大的突破,單條EDO內存容量從4MB到16MB不等,數據總線依然是32位,所以搭配擁有64位數據總線的奔騰CPU時基本都成對的使用。

SDR SDRAM內存

然而隨著CPU的升級EDO內存已經不能滿足系統的需求了,內存技術也發生了大革命,插座從原來的SIMM升級為DIMM(Dual In-line Memory Module),兩邊的金手指傳輸不同的數據,SDR SDRAM內存插座的接口是168Pin,單邊針腳數是84,進入到了經典的SDR SDRAM(Single Data Rate SDRAM)時代。

SDRAM其實就是同步DRAM的意思,內存頻率與CPU外頻同步,這大幅提升了數據傳輸效率,再加上64bit的數據位寬與當時CPU的總線一致,只需要一根內存就能讓電腦正常工作了,這降低了采購內存的成本。

第一代SDR SDRAM頻率是66MHz,通常大家都稱之為PC66內存,后來隨著Intel與AMD的CPU的頻率提升相繼出現了PC100與PC133的SDR SDRAM,還有后續的為超頻玩家所準備的PC150與PC166內存,SDR SDRAM標準工作電壓3.3V,容量從16MB到512MB都有。

SDR SDRAM的存在時間也相當的長,Intel從奔騰2、奔騰3與奔騰4(Socket 478),以及Slot 1、Socket 370與Socket 478的賽揚處理器,AMD的K6與K7處理器都可以SDR SDRAM。

從1999年開始AMD推出K7架構,到2000年Intel推出奔騰4處理器,兩家處理器的FSB都在不斷攀升,只有133MHz的SDR SDRAM根本無法滿足這個帶寬需求,至于誰是它的繼任者,Rambus DRAM與DDR SDRAM展開了一場大戰。

Rambus DRAM內存

在選擇SDR SDRAM的繼任者的時候Intel選擇了與Rambus合作并推出了Rambus DRAM內存,通常都會被簡稱為RDRAM,它與SDRAM不同,采用了新的高速簡單內存架構,基于RISC理論,這樣可以減少數據復雜性提高整個系統的性能。

RDRAM采用RIMM插槽,184pin,總線位寬16bit,插兩條組建雙通道時就是32bit,工作電壓2.5V,當時的頻率有600、700、800、1066MHz等。

這款內存通常都是用在Socket 423的奔騰4平臺上,搭配Intel 850芯片組使用,然而大家都應該清楚Socket 423的奔騰4是多么的悲劇,頻率高效率低的奔騰4被AMD K7+DDR內存的組合打得滿地找牙,再加上RDRAM的制造成本高,很多內存廠都沒有興趣,這直接導致RDRAM的零售價居高不下,奔騰4平臺的成本相對高,消費者也不買單,最終就是導致RDRAM完敗于DDR SDRAM,最終Intel拋棄RDRAM投奔到DDR陣營。

DDR內存

DDR內存的正式名字是DDR SDRAM(Dual Date Rate SDRAM),顧名思義就是雙倍速率SDRAM,從名字上就知道它是SDR SDRAM的升級版,DDR SDRAM在時鐘周期的上升沿與下降沿各傳輸一次信號,使得它的數據傳輸速度是SDR SDRAM的兩倍,而且這樣做還不會增加功耗,至于定址與控制信號與SDR SDRAM相同,僅在上升沿傳輸,這是對當時內存控制器的兼容性與性能做的折中。

DDR SDRAM采用184pin的DIMM插槽,防呆缺口從SDR SDRAM時的兩個變成一個,常見工作電壓2.5V,初代DDR內存的頻率是200MHz,隨后慢慢的誕生了DDR-266、DDR-333和那個時代主流的DDR-400,至于那些運行在500MHz、600MHz、700MHz的都算是超頻條了,DDR內存剛出來的時候只有單通道,后來出現了支持雙通芯片組,讓內存的帶寬直接翻倍,兩根DDR-400內存組成雙通道的話基本上可以滿足FBS 800MHz的奔騰4處理器,容量則是從128MB到1GB。

DDR內存在對RDRAM的戰爭中取得了完全勝利,所以相當多的主板廠家都選擇推出支持DDR內存的芯片組,當時的主板市場可是相當的熱鬧,并不只有Intel與AMD兩個在單挑,還有NVIDIA、VIA、SiS、ALI、ATI等廠家,所以能用DDR內存的CPU也相當的多,Socket 370的奔騰3與賽揚,Socket 478與LGA 775的奔騰4、奔騰D、賽揚4、賽揚D,只要你想酷睿2其實也可以插到部分865主板上用DDR內存,AMD的話Socket A接口的K7與Socket 939、Socket 754的K8架構產品都是可以用DDR內存的。

DDR2內存

在DDR內存戰勝了RDRAM之后就開啟了DDR王朝,就如大家所知道的,后續的都是DDR的衍生產品,DDR2內存在2004年6月與Intel的915/925主板一同登場,伴隨了大半個LGA 775時代,而AMD的K8架構由于把內存控制器整合在CPU內部,要把內存控制器改成DDR2的比Intel麻煩得多,直到2006年6月AM2平臺推出才開始支持DDR2內存,估計現在還有些用DDR2內存的電腦在服役吧。

DDR和DDR2的關鍵區別是:DDR2內存單元的核心頻率是等效頻率的1/4(而不是1/2)。這需要一個4-bit-deep的預取隊列,在并不用改變內存單元本身的情況下,DDR2能有效地達到DDR數據傳輸速度的兩倍,此外DDR2融入了CAS、OCD、ODT技術規范和中斷指令,運行效率更高。

DDR2內存的金手指數比DDR多,DDR2有240個金手指,DDR只有184個,兩者的防呆缺口位置防止用戶差錯插槽,有一個比較容易從外觀上區分DDR與DDR2內存的方法,就是DDR內存是采用TSSOP封裝的,而DDR2內存是用BGA封裝的,看內存芯片就能分清楚兩者。

DDR2的標準電壓下降至1.8V,這使得它較上代產品更為節能,DDR2的頻率從400MHz到1200MHz,當時的主流的是DDR2-800,更高頻率其實都是超頻條,容量從256MB起步最大4GB,不過4GB的DDR2是很少的,在DDR2時代的末期大多是單條2GB的容量。

DDR3內存

DDR3內存隨著Intel在2007年發布3系列芯片組一同到來的,至于AMD支持DDR3內存已經是2009年2月的AM3平臺發布的時候,直到現在他依然還是市場的主流。

然而直到2008年11月推出x58平臺徹底拋棄DDR2的時候DDR3其實還不算是市場主流,在LGA 775平臺上消費者大多數依然會選擇DDR2,歸咎原因主要還算初期DDR3的頻率偏低只有1066MHz,而那時候高端DDR2也是能達到這個頻率的,而且同頻下DDR2的性能更好,價格更低,所以剛上市那兩年DDR3其實不怎么受歡迎,直到后來DDR3的價格降下來,頻率提到DDR2觸碰不到1333MHz時才開始普及,這種現象其實在每次內存更新換代的時候都會有。

和上一代的DDR2相比,DDR3在許多方面作了新的規范,核心電壓降低到1.5V,預取從4-bit變成了8-bit,這也是DDR3提升帶寬的關鍵,同樣的核心頻率DDR3能夠提供兩倍于DDR2的帶寬,此外DDR3還新增了CWD、Reset、ZQ、STR、RASR等技術。

DDR3內存與DDR2一樣是240Pin DIMM接口,不過兩者的防呆缺口位置是不同的,不能混插,常見的容量是512MB到8GB,當然也有單條16GB的DDR3內存,只不過很稀少。頻率方面從800MHz起步,目前比較容量買到最高的頻率是2400MHz,實際上有廠家推出了3100MHz的DDR3內存,只是比較難買得到,支持DDR3內存的平臺有Intel的后期的LGA 775主板P35、P45、x38、x48等,LGA 1366平臺,LGA 115x系列全都支持還有LGA 2011的x79,AMD方面AM3、AM3+、FM1、FM2、FM3接口的產品全都支持DDR3。

DDR4內存

DDR4在2014年登場的時候并沒有重走DDR3發布的舊路,首款支持DDR4內存的是Intel旗艦級的x99平臺,DDR4初登場的時候其實與高頻DDR3沒啥性能與價格上的優勢,然而x99只支持DDR4內存,想用旗艦平臺你也只能硬啃貴價內存,當然那些選擇旗艦平臺的玩家不會介意這些,DDR4內存真正走向大眾其實已經是2015年8月Intel發布Skylake處理器與100系列主板之后的事情了。

從DDR1到DDR3,每一代DDR技術的內存預取位數都會翻倍,前三者分別是2bit、4bit及8bit,以此達到內存帶寬翻倍的目標,不過DDR4在預取位上保持了DDR3的8bit設計,因為繼續翻倍為16bit預取的難度太大,DDR4轉而提升Bank數量,它使用的是Bank Group(BG)設計,4個Bank作為一個BG組,可自由使用2-4組BG,每個BG都可以獨立操作。使用2組BG的話,每次操作的數據就是16bit,4組BG則能達到32bit操作,這其實變相提高了預取位寬。

DDR4內存的針腳從DDR3的240個提高到了284個,防呆缺口也與DDR3的位置不同,還有一點改變就是DDR4的金手指是中間高兩側低有輕微的曲線,而之前的內存金手指都是平直的,DDR4既在保持與DIMM插槽有足夠的信號接觸面積,也能在移除內存的時候比DDR3更加輕松。

DDR4內存的標準電壓是1.2V,頻率從2133MHz起步,目前最高是4200MHz,單條容量有4GB、8GB和16GB,目前已經很大程度的取代了DDR3,新的主板已經很少會提供DDR3內存插槽了,徹底進入到DDR4的時代只是時間的問題。

展望未來的DDR5

現在DDR4還沒普及談DDR5可能有點早,DDR5內存目前還在研發階段,尚未有具體規范,所以廠商公布的很多規格都不是確定的,其目標是相比DDR4內存至少帶寬翻倍,容量更大,同時更加節能,具體來說就是數據頻率從目前1.6-3.2Gbps的水平提升到3.2-6.4Gbps,預取位寬從8bit翻倍到16bit,內存庫提升到16-32個。至于電壓,DDR4電壓已經降至1.2v,DDR5有望降至1.1v或者更低。

在三星討論的DDR5內存規范中,其目標跟美光基本一致,也是帶寬至少翻倍,預取位寬也會翻倍,不過內存庫數量還是16個,與美光公布的數據略有不同。

不過在時間點上,業界還是有一定共識的——DDR5預計在2017年完成規范制定,2018年出樣,2019年開始生產,不過要普及的話估計至少是2020年的事了。

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