基于DDR4讨论DRAM的颗粒容量规格

DDR4 协议标准中规定了几种 DRAM 颗粒的容量规格，这些规格包含哪些方面？本文将讨论这个话题。  

DRAM 容量规格

DDR4 （下文可能混合使用 DDR4/DDR/DRAM, 皆为同义）颗粒在容量上有四种规格，分别为 2Gb、4Gb、8Gb 以及 16Gb。  

DRAM 颗粒的容量 = 地址数量 x 位宽

每种颗粒容量规格，提供了 3 种地址数量和位宽的组合，以 2Gb 颗粒为例:  

    提供多种组合目的是为了提供灵活的配置方案。因为一个嵌入式系统的 DRAM 位宽一般为 32 或者 64 比特（在 PC 上有更大的位宽），需要拼接多片 DDR4 颗粒才能提供这么多比特，那么使用不同位宽的 DDR 颗粒就会有不同拼接方案。   以 32 比特位宽，嵌入式系统为例，使用不同位宽的 2Gb 颗粒，有以下几种组合：  

    一般系统位宽的需求是固定的，而颗粒容量和位宽是一对可调整的参数，提供不同的系统容量，仍以 32 比特系统 DRAM 位宽为例：  

  上表中的数量指的是系统的 DDR 颗粒总数量。有点与直观感觉违背的事实是，采用的位宽更大的颗粒，系统的总容量更低。   这是因为相同容量的颗粒，位宽越大，地址数量也就越少，所以系统位宽固定时，决定系统容量的是颗粒的地址数量：   系统容量 = 地址数量 x 系统位宽

接下来我们来看颗粒的地址数量以及其寻址方式。我们知道 DDR4 的寻址由 COL _- ROW_* - BANK- BANKGROUP 组成（单个 RANK 时）。  

*COL, column, 指 DRAM 内部存储阵列中的列   **ROW, row , 指 DRAM 内部存储阵列中的行

颗粒的列数量是固定的 1024 列，而行、Bank(BA)、Bank Group (BG) 数量在不同位宽时则是不同的。  

  地址所属的行、列、BA 以及 BG 的寻址是通过对应的地址线寻址得到，所以不同位宽的颗粒地址线的数目也不同。  

    由于行列地址线是分时复用的，以 x4 位宽为例，行列共享 A0-A14 地址线中的 A0-A9，所以 x4 位宽总地址数量为 15 (A) + 2 (BA) + 2 (BG) = 19。   这里我们看到使用小位宽颗粒虽然能够拼接更多颗粒，提供更大的系统容量，但是所需要的地址线较 x8 和 x16 的颗粒也更多。这是更大系统容量的代价，或者说是系统容量与地址线数量的折中考量（ trade-off）。  

    下面几张图都摘自 DDR4 协议 2.8 节，列出了 DDR4 支持的四种容量颗粒的属性，从中我们可以发现几点：  

地址线最多的是 16Gb 容量的 x4 颗粒，使用 A0-A17 地址线。需要注意的是所有 PHY 都会有 A0-A16 （因为 RAS\_n 复用为 A16），但有些 PHY 可能不支持 A17。

所有颗粒每个 Bank Group 都有 4 个 Bank

但是，x16 颗粒只支持 2 个 Bank Group，而其他颗粒支持 4 个

x4 颗粒的地址线最多，而 x8 和 x16 颗粒的地址线数目相同，比 x4 少 1。x8 和 x16 的选址数目差异体现在 x16 的 Bank Group 少一半

 

    另外值得一提的是页大小（Page size），等于一行中的数据数量，直观来说页大小与位宽直接相关。   Page size = 位宽 x 列数量 = 位宽 x 1K   对于 x4 颗粒，页大小 = 4b x 1k = 4kb = 512B   顺序读取同页数据时，每次读取之间是基本无需等待的。而非同页数据之间，则需要按照协议要求，在两次读取之间增加延迟。举例而言， x16 颗粒上可以无延迟顺序读取 2KB 数据，但是如果是一个 x8 颗粒，则需要在读取完 1KB 数据后，关闭当前行并且打开下一行，才能读取后 1KB 数据，需要增加的延迟大约在几十个时钟周期量级。   最后，我们在前文中使用 4b x 512M 来描述一个 x4 颗粒，这是从颗粒位宽 x 地址数量的角度出发。协议中的称呼为 512Mb x 4，个人觉得两种称呼都可使用吧，笔者自己平时也没特别在意。   DDP 颗粒

最后讨论一种容量比较特别的颗粒，也是最近工作中遇到的。事情是这样的，客户提问说 SoC 能不能支持一种 4GB 的 DDR4 颗粒。阅读完本文的读者知道，DDR4 最大只有 16Gb（2GB）的颗粒，哪来的单颗 4GB 颗粒？   看了客户发来的颗粒 spec （是三星的颗粒）才知道，客户想使用的是一种特殊封装的颗粒，DDP（Dual Die Package），在协议的 2.9 节有简略的介绍。 DDP 颗粒顾名思义就是将两个 x8 Die 封装在一起，这样最大能够提供单颗 32Gb （2 x8 16Gb）的容量。   两个 Die 的连接方式如下图所示，它们的 CA 在封装内被堆叠（或者焊接）到一起，往封装外引出各自的 DQ 和 DQS 引脚。  

  协议中提到，除了具体产品手册的特殊注明外，DDP 颗粒的特性以及时序和普通的 x8 颗粒相同。   DDP 的好处是可以节省 PCB 的空间和布局布线时的难度，另外，因为两个 Die 之间的 CA 信号延迟会非常小，笔者觉得或许可以跳过两个 Die 之间的 write leveling 训练。   DDP 的劣势就显然易见，或许因为额外的封装成本，价格会相对更高，自然用户就会比较少，用户越少，价格也就越昂贵，供货越得不到保证，半导体行业典型的恶性循环就出现了。基于这些考虑，我们的客户后来也放弃了这个想法。：）  

DRAM 容量与其配置选择文档

笔者在工作中整理了一份 DRAM 容量和其容量配置选择的文档，可以从以下链接获取。   （临时放在这个 PCIe 的仓库下面）   内容包括 DDR4 颗粒容量一览表以及不同配置方案一览表，大致的内容贴在下图中。  

 

编辑：黄飞