DDR1/2/3数据预取技术原理详解

计算公式

理论带宽 = 内存核心频率 * 内存总线位数 * 倍增系数

理论带宽 = 数据传输率 * 内存总线位数

引出：

DDR核心频率、时钟频率、数据传输率

核心频率：等价于芯片上的时钟针脚的频率，是DDR的工作频率

时钟频率：可通过倍频技术升级的核心频率。时钟频率可以理解为IO Buffer的实际工作频率，DDR2中时钟频率为核心频率的2倍，DDR3 DDR4中时钟频率为核心频率的4倍。

数据传输率：指数据被传输的频率，DDR是双沿传输，因此可以认为数据传输率是时钟频率的2倍，为核心频率乘以倍增系数(预期系数)。

近年来内存的频率虽然在成倍增长，可实际上真正存储单元的频率一直在133MHz-200MHz之间徘徊，这是因为电容的刷新频率受制于制造工艺而很难取得突破。

倍增系数

倍增系数可以认为是perfetch，也可以认为是数据传输率/核心频率

内存总线位数

内存总线位数 = Rank个数 * 一个Rank内的chip个数 * 每个chip内的IO位宽

预取 prefetch

在一个时钟周期内，同时将相邻列地址的数据一起取出来

DDR的传输速度越来越快，由两部分协同实现。一是通过prefetch技术使得每次从存储颗粒中传输数据到IO Buffer的数据量变大（DDR:2 / DDR2:4 / DDR3:8 / DDR4:8 / DDR5:16）；二是通过倍频和双沿触发来使得IO Buffer的传输能力达到提升。

那么，内存IO频率为什么能达到数倍于核心频率呢？

相信很多人都知道，DDR1/2/3内存最关键的技术就是分别采用了2/4/8bit数据预取技术（Prefetch），由此得以将带宽翻倍，与此同时I/O控制器也必须做相应的改进。

● DDR1/2/3数据预取技术原理：

预取，顾名思义就是预先/提前存取数据，也就是说在I/O控制器发出请求之前，存储单元已经事先准备好了2/4/8bit数据。简单来说这就是把并行传输的数据转换为串行数据流，我们可以把它认为是存储单元内部的Raid/多通道技术，可以说是以电容矩阵为单位的。

内存数据预取技术示意图：并行转串行

这种存储阵列内部的实际位宽较大，但是数据输出位宽却比较小的设计，就是所谓的数据预取技术，它可以让内存的数据传输频率倍增。试想如果我们把一条细水管安装在粗水管之上，那么水流的喷射速度就会翻几倍。

明白了数据预取技术的原理之后，再来看看DDR1/2/3内存的定义，以及三种频率之间的关系，就豁然开朗了：

● SDRAM（Synchronous DRAM）：同步动态随机存储器

之所以被称为“同步”，因为SDR内存的存储单元频率、I/O频率及数据传输率都是相同的，比如经典的PC133，三种频率都是133MHz。

SDR在一个时钟周期内只能读/写一次，只在时钟上升期读/写数据，当同时需要读取和写入时，就得等待其中一个动作完成之后才能继续进行下一个动作。

● DDR（Double Date Rate SDRAM）：双倍速率同步动态随机存储器

双倍是指在一个时钟周期内传输两次数据，在时钟的上升期和下降期各传输一次数据(通过差分时钟技术实现)，在存储阵列频率不变的情况下，数据传输率达到了SDR的两倍，此时就需要I/O从存储阵列中预取2bit数据，因此I/O的工作频率是存储阵列频率的两倍。

注：因为在出口处的流量增大了，所以入口的流量也要相应的增大。所以有了2bit预取技术。

DQ频率和I/O频率是相同的，因为DQ在时钟上升和下降研能传输两次数据，也是两倍于存储阵列的频率。

● DDR2（DDR 2 SDRAM）：第二代双倍速率同步动态随机存储器

DDR2在DDR1的基础上，数据预取位数从2bit扩充至4bit，此时上下行同时传输数据（双倍）已经满足不了4bit预取的要求，因此I/O控制器频率必须加倍。

注：因为入口处的流量增大了，所以出口处也要相应的增大流量。增大出口处流量的方法就是增大IO控制器的频率。

至此，在存储单元频率保持133-200MHz不变的情况下，DDR2的实际频率达到了266-400MHz，而（等效）数据传输率达到了533-800MHz。

● DDR3（DDR 3 SDRAM）：第三代双倍速率同步动态随机存储器

DDR3就更容易理解了，数据预取位数再次翻倍到8bit，同理I/O控制器频率也加倍。此时，在存储单元频率保持133-200MHz不变的情况下，DDR3的实际频率达到了533-800MHz，而（等效）数据传输率高达1066-1600MHz。

综上可以看出，DDR1/2/3的发展是围绕着数据预取而进行的，同时也给I/O控制器造成了不小的压力，虽然存储单元的工作频率保持不变，但I/O频率以级数增长，我们可以看到DDR3的I/O频率已逼近1GHz大关，此时I/O频率成为了新的瓶颈，如果继续推出DDR4（注意不是GDDR4，两者完全不是同一概念，后文会有详细解释）的话，将会受到很多未知因素的制约，必须等待更先进的工艺或者新解决方案的出现才有可能延续DDR的生命。

审核编辑：汤梓红