新一代內(nèi)存路在何方

藍(lán)色

HBM可以說(shuō)是普通人接觸到的第一款3D堆棧內(nèi)存，它代表著未來(lái)，而DDR內(nèi)存則是主流代表，下一步是DDR5內(nèi)存，再加上美光、Intel主導(dǎo)的HMC內(nèi)存，這三者以及它們的衍生品可以說(shuō)是2020年之前內(nèi)存/顯存技術(shù)角逐天下的主角了。

每次有新聞提到PC市場(chǎng)銷(xiāo)量下滑，大家往往會(huì)不自覺(jué)地調(diào)侃兩家公司——“Intel，你又?jǐn)D牙膏了，SNB還能戰(zhàn)三年”，還有一個(gè)想努力擠牙膏但新牙膏上市延期、只能先上PPT的AMD。五年多前的SNB處理器+4GB DDR3內(nèi)存的確還能再戰(zhàn)，但是公平地說(shuō)，計(jì)算機(jī)性能實(shí)際上一直在不斷增長(zhǎng)，2011年的TOP500冠軍是日本京/K計(jì)算機(jī)，性能只有8.2PFLOPS（千萬(wàn)億次），內(nèi)存容量141TB，2016上半年的TOP500冠軍是中國(guó)的太湖之光，浮點(diǎn)性能93PFLOPS，內(nèi)存容量1.31PB，差不多都是5年前的10倍。

五年前的高性能計(jì)算剛剛達(dá)到1億億次，去年太湖之光就實(shí)現(xiàn)了10億億次，2020年之前的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)百億億次，也就是exaFLOPS級(jí)別，包括中國(guó)、美國(guó)、日本和歐盟在內(nèi)，百億億次計(jì)算是世界各國(guó)都在爭(zhēng)奪的下一個(gè)制高點(diǎn)，它不僅對(duì)主處理器/協(xié)處理器提出了極高的要求，支撐起如此龐大運(yùn)算規(guī)模也需要在網(wǎng)絡(luò)連接、高速內(nèi)存等子系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)突破。

處理器方面陸續(xù)將會(huì)有Intel下一代Xeon處理器、IBM Power 9及AMD Zen，加速卡也有NVIDIA Volta、AMD Navi等，下一代內(nèi)存技術(shù)則會(huì)有DDR5、HBM、HMC等，它們還會(huì)根據(jù)不同應(yīng)用范圍衍生出多個(gè)版本。這次我們就來(lái)探討一下未來(lái)的集中內(nèi)存（也包括顯存）技術(shù)的走向及特點(diǎn)。

從Haswell-E處理器開(kāi)始，內(nèi)存就開(kāi)始從DDR3向DDR4升級(jí)，經(jīng)過(guò)2年多時(shí)間的磨合，如今，DDR4內(nèi)存也可以說(shuō)是白菜價(jià)了。2015年AMD推出了Fiji核心的Fury系列顯卡，它使用的是HBM顯存，與之前的GDDR5顯存不同，HBM可以說(shuō)是普通人接觸到的第一款3D堆棧內(nèi)存，它代表著未來(lái)，而DDR內(nèi)存則是主流代表，下一步是DDR5內(nèi)存，再加上美光、Intel主導(dǎo)的HMC內(nèi)存，這三者以及它們的衍生品可以說(shuō)是2020年之前內(nèi)存/顯存技術(shù)角逐天下的主角了。

預(yù)測(cè)DDR、HBM及HMC三強(qiáng)爭(zhēng)霸的結(jié)局還太早了，要想分出勝負(fù)我們還得掂量掂量這三者在性能、功耗及成本上的表現(xiàn)。

DDR5：內(nèi)存正統(tǒng)續(xù)作

2014年，隨著Hasewll-E處理器及X99主板的問(wèn)世，DDR4內(nèi)存首次進(jìn)入桌面市場(chǎng)，不過(guò)X99平臺(tái)是面向發(fā)燒級(jí)玩家的。到了2015年，Intel又推出了Skylake處理器，這才算是真正走入主流市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)這兩年的發(fā)展，DDR4內(nèi)存已經(jīng)從王謝堂前飛入尋常百姓家了，其性?xún)r(jià)比完全不輸DDR3內(nèi)存。

對(duì)于DDR4內(nèi)存，我們之前在三位一體升級(jí)換代，Haswell-E、X99及DDR4前瞻一文中已經(jīng)詳細(xì)解析過(guò)它與DDR3內(nèi)存的不同，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在基礎(chǔ)頻率無(wú)法大幅提升的情況下，DDR4通過(guò)翻倍提升顯存核心的Bank（內(nèi)存庫(kù)）數(shù)量變相提高了數(shù)據(jù)吞吐率，其數(shù)據(jù)頻率可從前代的0.8-2.1Gbps大幅提升到1.6-3.2Gbps，進(jìn)而提高了內(nèi)存帶寬。

此外，DDR4內(nèi)存的電壓也從前代的1.5V降低到了1.2V，提高了能效，而隨著工藝的進(jìn)步，DDR4內(nèi)存的核心容量也從之前4Gb提升到了8Gb、16Gb，可以輕松實(shí)現(xiàn)單條64GB以及128GB內(nèi)存，這些都是它比DDR3內(nèi)存先進(jìn)的地方。

目前，高頻DDR4內(nèi)存頻率已經(jīng)達(dá)到了4.26Gbps，差不多又到了一個(gè)極限了，下一步該準(zhǔn)備DDR4的繼任者了，不出意外的話(huà)，其命名就是DDR5，技術(shù)路線(xiàn)也類(lèi)似DDR3到DDR4那樣，核心頻率同樣不會(huì)有大幅提高，能做文章的地方還是數(shù)據(jù)預(yù)取位寬、內(nèi)存庫(kù)數(shù)量等。

DDR5內(nèi)存目前還在研發(fā)階段，尚未有具體規(guī)范，所以廠商公布的很多規(guī)格都不是確定的，其目標(biāo)是相比DDR4內(nèi)存至少帶寬翻倍、容量更大，同時(shí)更加節(jié)能。具體來(lái)說(shuō)就是數(shù)據(jù)頻率從目前1.6-3.2Gbps的水平提升到3.2-6.4Gbps，預(yù)取位寬從8bit翻倍到16bit，內(nèi)存庫(kù)提升到16-32個(gè)。至于電壓，DDR4電壓已經(jīng)降至1.2v，DDR5有望降至1.1v或者更低。

在三星討論的DDR5內(nèi)存規(guī)范中，其目標(biāo)跟美光基本一致，也是帶寬至少翻倍，預(yù)取位寬也會(huì)翻倍，不過(guò)內(nèi)存庫(kù)數(shù)量還是16個(gè)，與美光公布的數(shù)據(jù)略有不同。

而在時(shí)間點(diǎn)上，業(yè)界還是有一定共識(shí)的——DDR5預(yù)計(jì)在2017年完成規(guī)范制定，2018年推出樣品，2019年開(kāi)始生產(chǎn)，不過(guò)要普及的話(huà)估計(jì)至少是2020年的事了。

此外，盡管美光、三星都沒(méi)提制程工藝的問(wèn)題，但考慮到2018年10nm工藝已經(jīng)量產(chǎn)了，2020年左右則是7nm節(jié)點(diǎn)了，而目前DDR4最先進(jìn)的工藝是18nm，到了2020年那個(gè)時(shí)間段，內(nèi)存也會(huì)轉(zhuǎn)向10nm以下節(jié)點(diǎn)的。

DDR5內(nèi)存衍生版之GDDR6顯存

說(shuō)DDR5內(nèi)存是最正統(tǒng)的內(nèi)存續(xù)作，不僅因?yàn)樗亲钪髁鞯膬?nèi)存選擇，還與它的衍生版有關(guān)——顯存用的下一代GDDR與手機(jī)、平板用的LPDDR低功耗內(nèi)存都跟DDR5息息相關(guān)，業(yè)界在討論DDR5內(nèi)存的同時(shí)，同樣也沒(méi)忘了GDDR6及未來(lái)的LPDDR5內(nèi)存。

其實(shí)，很久之前顯卡用的顯存是跟PC內(nèi)存一樣的，但隨著GPU性能的不斷提升，對(duì)帶寬的要求也水漲船高，普通PC內(nèi)存已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足帶寬需求了。在DDR內(nèi)存的基礎(chǔ)上就衍生出了GDDR內(nèi)存，GDDR5就是在DDR3基礎(chǔ)上衍生的，兩者的大部分規(guī)格都基本相同，只不過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)取位寬從4bit翻倍到8bit，所以GDDR5的帶寬在DDR3基礎(chǔ)上提高了一倍，這也是其數(shù)據(jù)頻率是真實(shí)頻率4倍的由來(lái)，而普通DDR3內(nèi)存是2倍真實(shí)頻率。

在DDR5基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的顯存就是GDDR6（雖然還未正式命名）了，它的實(shí)際頻率與目前高頻GDDR5內(nèi)存差不多，都是1.75GHz左右，但因?yàn)轭A(yù)取位寬再次翻倍，數(shù)據(jù)頻率則會(huì)從7Gbps提升到14Gbps以上，這個(gè)思路其實(shí)跟美光主推的GDDR5X顯存是一樣的，同樣是在不提高實(shí)際頻率的情況下通過(guò)提升預(yù)取位寬實(shí)現(xiàn)帶寬提升。

當(dāng)然，為了進(jìn)一步降低功耗，GDDR6顯存的電壓也會(huì)從目前1.5V降至1.35V。

DDR5內(nèi)存衍生版之LP5顯存

低功耗LPDDR內(nèi)存也會(huì)在DDR5基礎(chǔ)上繼續(xù)演進(jìn)，其速率可達(dá)到6.4Gbps左右，而電壓則會(huì)進(jìn)一步降低，目前LPDDR4已經(jīng)是1.1v電壓了，LPDDR5的電壓會(huì)低于1.1v，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)20%的能效提升。

HBM：第三代性能更強(qiáng)大

2015年AMD推出了Fiji核心的Fury系列顯卡，雖然推出的三款顯卡都是面向高端市場(chǎng)的，售價(jià)比較高，但從技術(shù)上來(lái)說(shuō)Fury系列顯卡絕對(duì)是顯卡史上的一次重大變革，因?yàn)樗蒙狭薍BM顯存，它不僅僅是性能更強(qiáng)大，最重要的是HBM顯存極大地減少了PCB面積占用，可以把高端顯卡做得非常小巧。從某種程度上來(lái)說(shuō)，AMD的R9 Nano顯卡是當(dāng)時(shí)讓我們印象最深刻的產(chǎn)品，比GTX Titan X和GTX 980 Ti更有意義。

對(duì)于HBM顯存，我們之前在評(píng)測(cè)及解析中也詳細(xì)說(shuō)過(guò)它的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)了，在此就不再贅述了，感興趣的讀者可以參考以前的相關(guān)文章?？偟膩?lái)說(shuō)，HBM的性能遠(yuǎn)超GDDR5，它的功耗降50%，面積小94%，一句話(huà)總結(jié)就是HBM在電壓只有1.2V的情況下將顯存帶寬提升到512GB/s，性能更強(qiáng)、功耗更低，且占用空間更小。

到了2016年，HBM顯存又進(jìn)化到了第二代，并正式成為JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。與前代產(chǎn)品相比，HBM 2顯存核心容量從2Gb提升到8Gb，數(shù)據(jù)頻率從1Gbps提升到2Gbps，帶來(lái)的好處就是在同樣4-hi堆棧下，HBM 2單顆顯存容量可達(dá)4GB，帶寬1024GB/s。

HBM顯存最早是由AMD和SK Hynix聯(lián)合研發(fā)的，第一代HBM顯存主要是SK Hynix在生產(chǎn)，進(jìn)入HBM 2時(shí)代，NVIDIA、三星也參與進(jìn)來(lái)了，前者首發(fā)了HBM 2顯存的Tesla P100加速卡。同時(shí)，SK Hynix也開(kāi)始量產(chǎn)HBM 2顯存，有2-hi、4-hi、8-hi三種堆棧方式，速率1.0、1.6及2.0Gbps，帶寬分別是128、204、256GB/s，堆棧容量2、4、8GB，最高可實(shí)現(xiàn)32GB堆棧總?cè)萘浚?024GB/s帶寬。

HBM 2還沒(méi)上市，三星已經(jīng)開(kāi)始討論HBM 3顯存了，預(yù)計(jì)在2019-2020年問(wèn)世，不過(guò)，目前并沒(méi)有確切的規(guī)格。從三星的表態(tài)來(lái)看，HBM 3會(huì)進(jìn)一步提高堆棧層數(shù)、核心容量及帶寬，但在核心頻率、內(nèi)存庫(kù)、DQ位寬方面保持HBM 2的水平，但就算提升容量和堆棧層數(shù)，也足夠HBM 3容量翻倍、帶寬翻倍了，64GB HBM 3容量應(yīng)該不是夢(mèng)。

值得注意的是，HBM 3顯存的電壓預(yù)計(jì)會(huì)比目前1.2v低得多，這有助于大幅降低HBM 3功耗。

從HBM顯存問(wèn)世開(kāi)始，我們就知道它是個(gè)好東西，各方面完勝GDDR顯存——除了成本太高，因?yàn)镠BM顯存是新標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)能不足，而且它是2.5D堆棧的，制造工藝比GDDR5顯存復(fù)雜多了，這都加劇了HBM顯存的普及難度。

在這方面，三星一邊推進(jìn)更高性能的HBM 3，同時(shí)也在探討研發(fā)低成本的HBM，通過(guò)移除ECC校驗(yàn)、緩沖器層、減少I(mǎi)/O及降低TSV數(shù)量（TSV工藝中打孔數(shù)量越多，性能越好，但會(huì)更復(fù)雜），這些手段有助于減少HBM成本，雖然這會(huì)對(duì)HBM性能造成一定影響，I/O位寬從1024bit減少到512bit，但可以通過(guò)其他手段彌補(bǔ)，比如提高數(shù)據(jù)頻率到3Gbps，這樣一來(lái)低成本HBM的帶寬會(huì)從256GB/s降低到200GB/s左右，還在可接受范圍內(nèi)，而制造成本就低多了。

對(duì)HBM來(lái)說(shuō)，阻礙它普及的最大障礙就是成本了，一旦低成本HBM得以實(shí)現(xiàn)，那么HBM就有可能不再局限于高端顯卡之中，CPU也可以拿它來(lái)做緩存了。

HMC：不同于HBM的3D內(nèi)存

如同閃存從2D NAND轉(zhuǎn)向3D NAND一樣，內(nèi)存也要從平面轉(zhuǎn)向3D立體，前面的HBM就是3D內(nèi)存技術(shù)的一種，不過(guò)它并非唯一選擇，美光、Intel還有HMC（Hybrid Memory Cube）內(nèi)存，它也是通過(guò)TSV硅穿孔工藝堆棧多層DRAM核心以實(shí)現(xiàn)3D堆棧的。

實(shí)現(xiàn)3D堆棧之后，HMC也可以搭積木一樣堆疊內(nèi)存核心了，帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)就是：

·性能更強(qiáng)，帶寬是DDR3內(nèi)存的15倍

·功耗更低，功耗比DDR4減少70%

·占用面積更小，比DDR4減少90%

·設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，通道復(fù)雜性比DDR4減少88%

HMC與HBM都是TSV工藝的堆棧內(nèi)存，很容易混淆，不過(guò)具體結(jié)構(gòu)上HMC內(nèi)存與HBM還是有很大不同的，它可以分為三個(gè)層次——頂部的是堆棧的DRAM核心，中間有個(gè)邏輯層（Logic Layer），最下面則是封裝層（Package）。

另外，HMC與處理器的連接方式也有所不同，HBM有個(gè)工藝復(fù)雜的中介層，打通了處理器與HBM芯片，而HMC與處理器連接是靠4條高速Link，每條Link有16個(gè)通道，速度最高可達(dá)30Gbps，典型速度有10Gbps、15Gbps、25Gbps。如果是4-link、10Gbps速度，那么帶寬可達(dá)160GB/s，15Gbps速度則是240GB/s，美光還在開(kāi)發(fā)8-link HMC，理論帶寬可上320GB/s。

美光目前量產(chǎn)的HMC單顆容量2GB，核心容量為4Gb，4層堆棧，帶寬160GB/s，算起來(lái)性能比HBM 2顯存的256GB/s要差一些，不過(guò)HMC對(duì)比HBM還有個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是HBM的高帶寬需要離處理器很近，顯卡跟HBM都是封裝在一起的，所以制造工藝復(fù)雜，成本太高，而HMC通過(guò)Link與處理器相連，既可以做近場(chǎng)內(nèi)存（Near Memory），也可以距離遠(yuǎn)點(diǎn)（Far Memory），部署更加靈活。

不過(guò)，與HBM顯存受到顯卡、FPGA追捧不同，HMC推廣的力度就小多了，盡管HMC陣營(yíng)也有三星、SK Hynix參與，但真正在推進(jìn)的只有美光、Intel，Intel代號(hào)“Knights Landing”的Xeon Phi上使用了16GB片上緩存，就是美光提供的HMC，號(hào)稱(chēng)是DDR4內(nèi)存的5倍性能、5倍能效，同時(shí)面積占用只有后者1/3。

HMC的規(guī)范發(fā)展已經(jīng)到了2.0時(shí)代，據(jù)說(shuō)美光今年還要推出HMC 3.0規(guī)范，Link數(shù)量、堆棧層數(shù)、核心容量都有進(jìn)一步提高，帶寬可提升到480GB/s，該指標(biāo)跟HBM 3差不多同級(jí)了。

小結(jié)

本文主要介紹了2020年之前新一代內(nèi)存/顯存的技術(shù)路線(xiàn)，DDR5內(nèi)存的發(fā)展是按部就班，DDR5技術(shù)使用傳統(tǒng)思路提升帶寬、降低能耗，而HBM及HMC則是3D堆棧，發(fā)展?jié)摿Ρ菵DR5更誘人，不過(guò)3D堆棧目前制造過(guò)程復(fù)雜，成本太高，主要用于高性能計(jì)算領(lǐng)域，普通消費(fèi)者要想用上廉價(jià)3D內(nèi)存/顯存恐怕還要等待技術(shù)逐步成熟之后。