DDR3和DDR4存储器学习笔记

DDR存储器发展的主要方向一言以蔽之，是更高速率，更低电压，更密的存储密度，从而实现更好的性能。

DDR4 SDRAM（Double Data Rate Fourth SDRAM）：DDR4提供比DDR3/ DDR2更低的供电电压1.2V以及更高的带宽，DDR4的传输速率目前可达2133～3200MT/s。DDR4 新增了4 个Bank Group 数据组的设计，各个Bank Group具备独立启动操作读、写等动作特性，Bank Group 数据组可套用多任务的观念来想象，亦可解释为DDR4 在同一频率工作周期内，至多可以处理4 笔数据，效率明显好过于DDR3。 另外DDR4增加了DBI（Data Bus Inversion）、CRC（Cyclic Redundancy Check）、CA parity等功能，让DDR4内存在更快速与更省电的同时亦能够增强信号的完整性、改善数据传输及储存的可靠性。

以下两张图可以清晰对比DDR3以及DDR4的参数差异：

POD 和SSTL的比较

POD作为DDR4新的驱动标准，最大的区别在于接收端的终端电压等于VDDQ，而DDR3所采用的SSTL接收端的终端电压为VDDQ/2。这样做可以降低寄生引脚电容和I/O终端功耗，并且即使在VDD电压降低的情况下也能稳定工作。其等效电路如图1(DDR4), 图2(DDR3)。

图1 POD ((Pseudo Open Drain)

图2 SSTL(Stub Series Terminated Logic)

这样修改的优点是：

可以看出，当DRAM在低电平的状态时，SSTL和POD都有电流流动

图3 DDR4

图4 DDR3

而当DRAM为高电平的状态时，SSTL继续有电流流动，而POD由于两端电压相等，所以没有电流流动。这也是DDR4更省电的原因

图5 DDR4

图6 DDR3

BG设计原因

到了DDR4的时代，JESD组织认为，数据预取的增加变得更为困难，所以推出了Bank Group的设计。

Bank Group架构是什么样的，有何优势呢？

具体来说就是每个Bank Group可以独立读写数据，这样一来内部的数据吞吐量大幅度提升，可以同时读取大量的数据，内存的等效频率在这种设置下也得到巨大的提升。DDR4架构上采用了8n预取的Bank Group分组，包括使用两个或者四个可选择的Bank Group分组，这将使得DDR4内存的每个Bank Group分组都有独立的激活、读取、写入和刷新操作，从而改进内存的整体效率和带宽。如此一来如果内存内部设计了两个独立的Bank Group，相当于每次操作16bit的数据，变相地将内存预取值提高到了16n；如果是四个独立的Bank Group，则变相的预取值提高到了32n。

DDR3 Multi-drop bus

DDR4 Point to Point

在DDR3内存上，内存和内存控制器之间的连接采用是通过多点分支总线来实现。这种总线允许在一个接口上挂接许多同样规格的芯片。我们都知道目前主板上往往为双通道设计四根内存插槽，但每个通道在物理结构上只允许扩展更大容量。这种设计的特点就是当数据传输量一旦超过通道的承载能力，无论你怎么增加内存容量，性能都不见的提升多少。这种设计就好比在一条主管道可以有多个注水管，但受制于主管道的大小，即便你可以增加注水管来提升容量，但总的送水率并没有提升。

因此在这种情况下可能2GB增加到4GB你会感觉性能提升明显，但是再继续盲目增加容量并没有什么意义了，所以多点分支总线的好处是扩展内存更容易，但却浪费了内存的位宽。(通过这个理解带宽)

数据总线倒置 (DBI)

如上面描述，根据POD的特性，当数据为高电平时，没有电流流动，所以降低DDR4功耗的一个方法就是让高电平尽可能多，这就是DBI技术的核心。

举例来说，如果在一组8-bit的信号中，有至少5-bit是低电平的话，那么对所有的信号进行反转，就有至少5-bit信号是高电平了。DBI信号变为低表示所有信号已经翻转过(DBI信号为高表示原数据没有翻转)。这种情况下，一组9根信号（8个DQ信号和1个DBI信号）中，至少有五个状态为高，从而有效降低功耗。

图7 DBI Example

参考电压Vref

众所周知，DDR信号一般通过比较输入信号和另外一个参考信号（Vref）来决定信号为高或者低，然而在DDR4中，一个Vref却不见了，先来看看下面两种设计，可以看出来，在DDR4的设计中，VREFCA和DDR3相同，使用外置的分压电阻或者电源控制芯片来产生，然而VREFDQ在设计中却没有了，改为由芯片内部产生，这样既节省了设计费用，也增加了Routing空间。

图9 DDR3设计

图10 DDR4设计

DRAM内部VREFDQ通过寄存器(MR6)来调节，主要参数有Voltage range, step size, VREF step time, VREF full step time ，如下表所示。

表4 参考电压

每次开机的时候，DRAM Controller都会通过一系列的校准来调整DRMA端输入数据信号的VREFDQ，优化Timing和电压的Margin，也就是说，VREFDQ 不仅仅取决于VDD, 而且和传输线特性，接收端芯片特性都会有关系，所以每次Power Up的时候，VREFDQ的值都可能会有差异。

总结：

DDR4内存具有更高的运行速度和更低的电压需求，从而提高了计算机的性能和能效。DDR4的主要特点和优势是：

速度和带宽提升： DDR4相对于DDR3来说，提供更高的数据传输速度和内存带宽。它的速度通常以MT/s（兆传输每秒）来衡量，而不是DDR3中的MHz。DDR4的速度通常从2133MT/s开始，并可以高达3200MT/s或更高。这意味着DDR4能够提供更快的数据访问速度，有助于改善计算机性能。

低电压： DDR4采用1.2伏的低电压供电，相对于DDR3的1.5伏来说，能够降低能耗，减少热量产生，提高电池寿命。这对于笔记本电脑和移动设备尤为重要。

更高的密度：DDR4允许更高密度的内存模块，这意味着单个内存模块可以容纳更多的存储容量。这对于需要大量内存的服务器、工作站和高性能计算任务非常有用。

排队和流水线技术： DDR4引入了排队和流水线技术，使内存控制器能够更高效地管理数据传输，降低延迟，提高性能。

错误校验与纠正（ECC）： DDR4支持ECC，这是一种错误检测和纠正技术。它有助于提高内存的可靠性，防止数据损坏或丢失，特别是在对数据完整性要求很高的应用中。

总之，DDR4内存是当前计算机领域的一种重要技术，它具有更高的速度、更低的电压需求、更高的存储密度和更好的性能，从而提高了计算机的性能和能效。