SDRDDR123GDDR12345 详细规格解释 显存 内存超牛的文章.docx

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SDRDDR123GDDR12345详细规格解释显存内存超牛的文章

SDR，DDR1/2/3，GDDR1/2/3/4/5 详细规格解释（上）－超牛的文章

（2011-04-0418:

07:

40）

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sdr

ddr1/2/3

gddr1/2/3/4/5

详细规格解释

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电脑知识

通常大家所说的DDR-400、DDR2-800、DDR3-1600等，其实并非是内存的真正频率，而是业界约定俗成的等效频率，这些DDR1/2/3内存相当于老牌SDR内存运行在400MHz、800MHz、1600MHz时的带宽，因此频率看上去很夸张，其实真正的内核频率都只有200MHz而已！

   内存有三种不同的频率指标，它们分别是核心频率、时钟频率和有效数据传输频率。

核心频率即为内存Cell阵列（MemoryCellArray，即内部电容）的刷新频率，它是内存的真实运行频率；时钟频率即I/OBuffer（输入/输出缓冲）的传输频率；而有效数据传输频率就是指数据传送的频率（即等效频率）。

●SDR和DDR1/2/3全系列频率对照表：

常见DDR内存频率对照表

   通过上表就能非常直观的看出，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。

而每一代DDR的推出，都能够以较低的存储单元频率，实现更大的带宽，并且为将来频率和带宽的提升留下了一定的空间。

●SDR和DDR1/2/3存储原理示意图：

   虽然存储单元的频率一直都没变，但内存颗粒的I/O频率却一直在增长，再加上DDR是双倍数据传输，因此内存的数据传输率可以达到核心频率的8倍之多！

通过下面的示意图就能略知一二：

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。

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（SynchronousDRAM）：

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（DoubleDateRateSDRAM）：

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。

   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（DDR2SDRAM）：

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。

   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（DDR3SDRAM）：

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。

●内存位宽——SDR/DDR1/2/3单条内存都是64bit

   内存模组的设计取决于内存控制器（集成在北桥或者CPU内部），理论上位宽可以无限提升，但受制因素较多：

高位宽将会让芯片组变得十分复杂，对主板布线提出严格要求，内存PCB更是丝毫马虎不得，内存颗粒及芯片设计也必须作相应的调整。

可谓是牵一发而动全身，所以多年来业界都是墨守成规，维持64bit的设计不变。

   相比之下，显卡作为一个整体就没有那么多的顾忌，只需重新设计GPU内部的显存控制器，然后PCB按照位宽要求布线，焊更多的显存颗粒上去就行了，虽然成本也很高但实现512bit并没有太大难度。

●多通道内存——双通道/三通道

   既然实现高位宽内存条太难，那么就退而求其次，让两条内存并行传输数据，同样可以让位宽翻倍。

目前流行的双通道技术就是如此，北桥或者CPU内部整合了两个独立的64bit内存控制器，同时传输数据等效位宽就相当于128bit。

   IntelNehalem核心CPU直接整合三通道内存控制器，位宽高达192bit。

但由于CPU、主板、内存方面成本都增加不少，因此在主流Lynnfield核心CPU上面又回归了双通道设计。

事实上服务器芯片组已经能够支持四通道内存，对服务器来说成本方面不是问题，只是对稳定性和容错性要求很高。

●内存颗粒位宽：

4/8/16/32bit

   理论上，完全可以制造出一颗位宽为64bit的芯片来满足一条内存使用，但这种设计对技术要求很高，良品率很低导致成本无法控制，应用范围很窄。

   所以内存芯片的位宽一般都很小，台式机内存颗粒的位宽最高仅16bit，常见的则是4/8bit。

这样为了组成64bit内存的需要，至少需要4颗16bit的芯片、8颗8bit的芯片或者16颗4bit的芯片。

   而显卡对位宽要求很高，容量反而退居其次，所以显存颗粒的位宽普遍比内存颗粒大（这就是显存和内存主要区别之一），比如GDDR3/4/5颗粒都是32bit，4颗就能满足低端卡128bit的需要，8颗可以满足高端卡256bit的需要；而低端GDDR2颗粒为16bit，需要8颗才能组成低端卡128bit的需要。

●内存芯片的逻辑Bank

   在芯片的内部，内存的数据是以bit为单位写入一张大的矩阵中，每个单元称为CELL阵列，只要指定一个行一个列，就可以准确地定位到某个CELL，这就是内存芯片寻址的基本原理。

这个阵列我们就称为内存芯片的BANK，也称之为逻辑BANK（LogicalBANK）。

   不可能只做一个全容量的逻辑Bank，因为单一的逻辑Bank将会造成非常严重的寻址冲突，大幅降低内存效率。

所以大容量内存颗粒都是由多个逻辑Bank叠加而成的。

简单来说，我们可以把一个Bank看作是一片平面的矩阵纸，而内存颗粒是由多片这样的纸叠起来的。

   一个Bank的位宽就是内存颗粒的位宽，内存控制器一次只允许对一个Bank进行操作，由于逻辑Bank的地址线是公用的，所以在读写时需要加一个逻辑Bank的编号，这个动作被称为片选。

●内存条的物理Bank

   内存控制器的位宽必须与内存条的位宽相等，这样才能在一个时钟周期内传输所有数据，这个位宽就被成为一个物理Bank（通常是64bit），每条内存至少包含一个Bank，多数情况下拥有二个物理Bank。

   一个物理Bank不会造成带宽浪费，理论上是最合理的配置，但为了实现大容量内存，单条内存多物理Bank也是允许的，但内存控制器所能允许的最大Bank数存在上限，常见的是双物理Bank设计，只有特殊内存或者服务器内存才会使用四Bank以上的设计，因为这种内存兼容性不好，“挑”芯片组。

   事实上显卡上也存在双物理Bank设计，目的就是为了实现超大显存容量，比如1GB的9800GT，正反两面共有16颗16M×32bit的GDDR3显存，总位宽达512bit，实际上显存控制器只支持256bit，这样就是双物理Bank。

SDRAM时代，显存颗粒和内存颗粒通用

早在SDRAM时代，显卡上用的“显存颗粒”与内存条上的“内存颗粒”是完全相同的。

在那个时候，GPU本身的运算能力有限，对数据带宽的要求自然也不高，所以高频的SDRAM颗粒就可以满足要求。

●内存满足不了显卡的需求，显存应运而生

   本是同根生的状况一直持续到SDR和DDR交接的时代，其实最早用在显卡上的DDR颗粒与用在内存上的DDR颗粒仍然是一样的。

后来由于GPU特殊的需要，显存颗粒与内存颗粒开始分道扬镳，这其中包括了几方面的因素：

   1.GPU需要比CPU更高的带宽。

GPU不像CPU那样有大容量二三级缓存，GPU与显存之间的数据交换远比CPU频繁，而且大多都是突发性的数据流，因此GPU比CPU更加渴望得到更高的显存带宽支持。

   位宽×频率=带宽，因此提高带宽的方法就是增加位宽和提高频率，但GPU对于位宽和频率的需求还有其它的因素。

   2．显卡需要高位宽的显存。

显卡PCB空间是有限的，在有限的空间内如何合理的安排显存颗粒，无论高中低端显卡都面临这个问题。

从布线、成本、性能等多种角度来看，显存都需要达到更高的位宽。

   最早的显存是单颗16bit的芯片，后来升级到32bit，将来甚至还会有更高的规格出现。

而内存则没有那么多要求，多年来内存条都是64bit，所以单颗内存颗粒没必要设计成高位宽，只要提高容量就行了，所以位宽一直维持在4/8bit。

   3．显卡能让显存达到更高的频率。

显存颗粒与GPU配套使用时，一般都经过专门的设计和优化，而不像内存那样有太多顾忌。

GPU的显存控制器比CPU或北桥内存控制器性能优异，而且显卡PCB可以随意的进行优化，因此显存一般都能达到更高的频率。

而内存受到内存PCB、主板走线、北桥CPU得诸多因素的限制很难冲击高频率

　　由此算来，显存与内存“分家”既是意料之外，又是情理之中的事情了。

为了更好地满足显卡GPU的特殊要求，一些厂商（如三星等）推出了专门为图形系统设计的高速DDR显存，称为“GraphicsDoubleDataRateDRAM”，也就是我们现在常见的GDDR。

●GDDR——显存和内存正式分家

   GDDR作为第一代专用的显存芯片，其实在技术方面与DDR没有任何区别，同样采用了2bit预取技术，理论频率GDDR并不比DDR高多少。

不过后期改进工艺的GDDR有了优秀PCB的显卡支持之后，GDDR显存最高冲刺至900MHz，而DDR内存只能达到600MHz左右，显存和内存的差距从此逐渐拉开。

  TSOP封装的GDDR16bit：

TSOPII封装的GDDR，单颗16MB，理论频率500MHz

当年9550、FX5700等128Bit中端卡需要搭配8颗才能组成128BitTSOP封装的GDDR颗粒，外观规格特性都与DDR内存颗粒没有什么区别，所以在很多人看来“GDDR”与“DDR”是可以“划等号”的。

其实两者还是有些差别：

GDDR采用4K循环32ms的刷新周期，而DDR采用8K循环64ms的刷新周期；

GDDR为了追求频率在延迟方面放的更宽一些，毕竟GPU对延迟不太敏感；

GDDR颗粒的容量小、位宽大，一般是8×16Bit（16MB）的规格，而DDR颗粒的容量大、位宽小，虽然也有16Bit的颗粒，但最常见的还是8Bit和4Bit，单颗容量32MB或64MB。

   为了实现更大的位宽，并进一步提升GDDR的性能，后期很多厂商改用了电气性能更好的MBGA封装，当然也有内存颗粒使用MBGA封装，但规格已有了较大差异，主要是颗粒位宽不同。

MBGA封装的GDDR32bit：

4M×32Bit2.2nsMBGA封装的GDDR，单颗16MB，理论频率900MHz

8颗组成128MB256Bit规格，是GDDR1最后的辉煌

MBGA封装GDDR的单颗位宽首次达到了32Bit，从此就标志着GDDR与DDR正式分道扬镳，32Bit的规格被GDDR2/3/4/5一直沿用至今。

GDDR显存的这两种封装：

MBGA与TSOP构成的高低配，曾一度一统显卡市场。

虽然GDDR已经退出历史舞台，但32Bit主攻中高端、16Bit主攻低端的局面，时至今日依然得到了延续。

●GDDR2第一版：

短命的早产儿高压高发热

   GDDR2源于DDR2技术，也就是采用了4Bit预取，相比DDR1代可以将频率翻倍。

虽然技术原理相同，但GDDR2要比DDR2早了将近两年时间，首次支持DDR2内存的915P主板于2004年中发布，而首次搭载GDDR2显存的FX5800Ultra于2003年初发布，但早产儿往往是短命的。

   NVIDIA在设计NV30芯片时依然保持128Bit显存位宽，为了提高带宽必须使用高频显存，700MHz的GDDR已经无法满足需求了，于是冒险尝试GDDR2。

第一代GDDR2受制造工艺限制，电压规格还是和DDR/GDDR一样的2.5V，虽然勉强将频率提升至1GHz左右，但功耗发热出奇的大。

4M×32Bit2.0nsMBGA144Ball封装的GDDR2，单颗16MB，理论频率1000MHz

GDDR2第一版只有2.2ns和2.0ns两种速度

   GDDR2第一版只在FX5800/Ultra和FX5600Ultra这三款显卡上出现过（也包括对应的专业卡及个别非公版显卡），ATI也有极少数9800Pro使用了GDDR2。

高电压、高发热、高功耗、高成本给人的印象非常差。

随着FX5900改用GDDR及256Bit，GDDR2很快被人遗忘。

FX5800Ultra需要为显存专门安装厚重的散热片

   GDDR2失败的主要原因是NVIDIAGeForceFX系列架构和性能的问题，之后即便改用了256Bit高频GDDR（此时GDDR的频率已被提升至850-900MHz，直逼GDDR2），FX5950Ultra依然不是9800XT的对手。

当然GDDR2自身规格的不完善也造成了它无法入住中低端显卡，被时代所遗弃。

   GDDR2虽然坏毛病一大堆，但它也拥有一些新的特性，比如首次使用片内终结电阻，PCB设计比GDDR更加简洁，这个特性被后来的gDDR2和GDDR3继承。

●gDDR2第二版：

统一低端显卡永远的配角

   由于第一代GDDR2的失败，高端显卡的显存是直接从GDDR跳至GDDR3的，但GDDR2并未消亡，而是开始转型。

几大DRAM大厂有针对性的对GDDR2的规格和特性做了更改（说白了就是DDR2的显存版），由此gDDR2第二版正式登上显卡舞台，时至今日依然活跃在低端显卡之上。

   gDDR2第二版相对于第一版的改进主要有：

∙工作电压从2.5V降至1.8V，功耗发热大降；

∙制造工艺有所进步，功耗发热进一步下降，成本降低，同时良率和容量有所提升；

∙颗粒位宽从32Bit降至16Bit，只适合低端显卡使用；

∙封装形式从144BallMBGA改为84BallFBGA，外观上来看从正方形变成长方形或者长条形；

由于电压的下降，第二代gDDR2的频率要比第一代GDDR2低，主要以2.5ns（800MHz）和2.2ns（900MHz）的规格为主，当然也有2.8ns（700MHz）的型号。

直到后期制造工艺上去之后，第二代gDDR2才以1.8V电压突破了1000MHz，最高可达1200MHz，赶超了第一代高压GDDR2的记录。

   采用gDDR2显存的经典显卡有：

7300GT、7600GS、X1600Pro、8500GT……一大堆低端显卡。

注意三星官方网站对于显存的分类

相信很多朋友也注意到了，本页gDDR2的第一个字母为小写，几大DRAM厂商在其官方网站和PDF中就都是这么写的，以示区分。

我们可以这么认为：

大写G表示显卡专用，32bit定位高端的版本；而小写g表示为显卡优化，16bit定位低端的版本，本质上与内存颗粒并无区别。

   事实上，GDDR3和gDDR3之间也是这种关系，稍后我们会做详细介绍。

GDDR源于DDR，GDDR2源于DDR2，而GDDR3在频率方面的表现又与DDR3比较相似，于是很多人认为GDDR3就是显存版的DDR3，这可是个天大的误区。

●GDDR3：

一代王者GDDR3源于DDR2技术

   无论GDDR还是GDDR2，由于在技术方面与DDR/DDR2并无太大差别，因此最终在频率方面GDDR并不比DDR高太多。

在经历了GDDR2的失败之后，两大图形巨头NVIDIA和ATI对JEDEC组织慢如蜗牛般的标准制订流程感到越来越失望，认为他们制定的显存不能适应GPU快节奏的产品更新换代周期，于是NVIDIA和ATI的工作人员积极参与到了JEDEC组织当中，以加速显存标准的起草及制定。

   双方一致认为，显存与内存在数据存储的应用方面完全不同，在内存核心频率（电容刷新频率）无法提升的情况下，单纯提高I/O频率来获得高带宽很不现实。

因此，必须要有一种针对高速点对点环境而重新定义的I/O接口。

于是GDDR3诞生了，这是第一款真正完全为GPU设计的存储器。

GDDR3和GDDR2/DDR2一样，都是4Bit预取架构，GDDR3主要针对GDDR2高功耗高发热的缺点进行改进，并提升传输效率来缓解高延迟的负面影响。

●点对点DQS，读写无需等待

    GDDR2只有一条数据选择脉冲（DQS），是单一双向的，而GDDR3则拥有读与写两条独立的DQS，而且是点对点设计。

这样做的好处在于，在读取之后如果马上进行写入时，不必再等DQS的方向转变，由此实现读写操作的快速切换。

相比GDDR2/DDR2，GDDR3的读写切换动作可以少一个时钟周期，如果需要对某一个连续的区块同时读写数据时，GDDR3的速度就要比GDDR2快一倍。

   由于存储单元自身的特性，内存颗粒的逻辑Bank是无法同时读写数据的，并不存在“全双工”一说，但GDDR3的这项改进让顺序读写成为可能。

GPU本身缓存很小，与显存之间的数据交换极其频繁，读写操作穿插进行，因此GDDR3点对点设计的DQS可以让显存存储效率大增。

但对于CPU来说，读写切换并不如GPU那么频繁，而且CPU拥有大容量的二三级缓存，所以GDDR3这种设计并不能极大的提升内存带宽，也没有引入到下一代DDR3当中。

●改进I/O接口，简化数据处理，控制功耗

同时GDDR3也对I/O控制电路和终结电阻进行了修改，它不再沿用GDDR2的“推式（PushPull）”接收器，而将其改为虚拟开极逻辑方式（PseudoOpenDrainLogic），并且通过将所有的三相数据信号转移到本位电路上，来简化数据处理，将DC电流压至最小，只有当逻辑LOW移至总线上时才会消费电力，从而很好的控制了功耗和发热。

GDDR3的频率能达到现在这么高，其实并没有什么诀窍，凭借的就是不断改进的工艺制程，来暴力拉升频率。

资历稍老点的玩家应该知道，GDDR3于2004年初次登台亮相时，6600GT的显存频率仅为1GHz，并不比GDDR2高，5年过去了，GDDR3从1GHz一路攀升至2GHz甚至2.5GHz，生命力得到了延续。

   明白了GDDR3的原理技术后，再来看看实物。

GDDR3和GDDR1类似，也有两种封装形式：

●144BallMBGA封装，为了向下兼容GDDR和GDDR2

   最初的GDDR3采用了144BallMBGA封装，这与GDDR和GDDR2第一版完全相同，外观也是正方形，三者的电气性能相似，支持GDDR3的GPU也可使用GDDR显存，PCB和电路只需做少量调整。

三星2.0ns8M×32BitGDDR3颗粒

   144Ball封装的GDDR3只有8M×32Bit一种规格，所以8颗显存组成256MB256Bit、或者4颗显存组成128MB128Bit是当时的主流。

5700Ultra就首次使用了GDDR3取代了GDDR2。

   144Ball封装的GDDR3主要有2.0ns（1000MHz）和1.6ns（1250MHz）两种速度，1.4ns良率不高产量很小，最高频率止步于1400MHz。

曾被7800GTX/GT、6800GS、6600GT、X850/X800/X700等显卡大量采用。

由于144Ball封装及PCB电路限制了其频率的提升，很快GDDR3就改用了电气性能更好的136BallFBGA封装。

●136BallFBGA封装，频率容量节节攀升

   为了提高电气性能和环保水平，从2005年开始，GDDR3开始采用全新的136BallFBGA封装，并统一使用无铅封装工艺。

新封装使得显卡PCB必须重新设计，但也为GDDR3的腾飞铺平了道路。

三星0.8nsGDDR3显存16M×32Bit规格

   136Ball封装GDDR3的优势如下：

规格不再局限于8M×32Bit一种，16M×32Bit成为主流，目前32M×32Bit已大量采用；

伴随着制造工艺的进步，额定电压从2.0V进一步降至1.8V，但一些高频颗粒可适当加压；

速度从1.4ns起跳，经过1.2ns、1.1ns、1.0ns一路发展至0.8ns、0.7ns，最快速度可突破2500MHz，但这是以牺牲延迟为代价的，好在GPU对延迟不太敏感；

   当GDDR3的频率首次达到2000MHz时，很多人都认为离极限不远了，于是未雨绸缪的抓紧制定GDDR4规范，但没想到在DRAM厂商的努力及新工艺的支持下，GDDR3的生命得到了延续，0.8ns0.7ns的型号相继量产，而且容量更大的32M×32Bit颗粒也成为主流，基本上能够满足高中低端所有显卡的需要。

GDDR3采用了DDR2的4bit预取技术，所以采用DDR38bit预取技术的显存只能按顺序命名为GDDR4。

GDDR4是在GDDR3的基础上发展而来的，它继承了GDDR3的两大技术特性，但内核改用DDR3的8bit预取技术，并加入了一些新的技术来提升频率。

SDR，DDR1/2/3，GDDR1/2/3/4/5 详细规格解释（下）

（2011-04-0419:

06:

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gddr1/2/3/4/5

详细规格解释

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 GDDR4的技术特性：

∙使用DDR3的8bit预取技术，以较低的核心频率达到更高带宽，但延迟增加；

∙采用数据总线转位技术（DBI，DataBusInversion，下文做详细介绍），提高数据精度，降低功耗