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        內存技術比較

        2017-04-07 21:23:46藍色
        個人電腦 2017年3期
        關鍵詞:堆棧功耗三星

        藍色

        下一代內存技術則會有DDR5、HBM、HMC等,它們還會根據(jù)不同應用范圍衍生出多個版本。預測DDR、HBM及HMC三強爭霸的結局還太早了,要想分出勝負我們還得掂量掂量這三者在性能、功耗及成本上的表現(xiàn)。

        從Haswell-E處理器開始,內存就開始從DDR3向DDR4升級,經(jīng)過2年多時間的磨合,到了今年DDR4內存也可以說是白菜價了。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可以說是普通人接觸到的第一款3D堆棧內存,它代表著未來,而DDR內存則是主流代表,下一步是DDR5內存,再加上美光、Intel主導的HMC內存,這三者以及它們的衍生品可以說是2020年之前內存/顯存技術角逐天下的主角了。

        下一代內存技術則會有DDR5、HBM、HMC等,它們還會根據(jù)不同應用范圍衍生出多個版本。預測DDR、HBM及HMC三強爭霸的結局還太早了,要想分出勝負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

        2014年隨著Hasewll-E處理器及X99主板的問世,DDR4內存首次進入桌面市場,不過X99平臺是面向發(fā)燒級玩家的,到了2015年Intel又推出了Skylake處理器,這才算是走入主流市場。經(jīng)過這兩年的發(fā)展,DDR4內存已經(jīng)從王謝堂前燕飛入尋常百姓家了,性價比完全不輸DDR3內存。DDR4的技術原理方面,簡單來說就是在基礎頻率無法大幅提升的情況下,DDR4通過翻倍提升顯存核心的Bank(內存庫)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,進而提高了內存帶寬。此外,DDR4內存的電壓也從前代的1.5V降低到了1.2V,提高了能效,而隨著工藝的進步,DDR4內存的核心容量也從之前4Gb提升到了8Gb、16Gb,可以輕松實現(xiàn)單條64GB以及128GB內存,這些都是它比DDR3內存先進的地方。目前高頻DDR4內存頻率已經(jīng)達到了4.26Gbps,差不多又到了一個極限了,下一步該準備DDR4的繼任者了,不出意外的話,其命名就是DDR5,技術路線也類似DDR3到DDR4那樣,核心頻率同樣不會有大幅提高,能做文章的地方還是數(shù)據(jù)預取位寬、內存庫數(shù)量等。

        DDR5內存目前還在研發(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,其目標是相比DDR4內存至少帶寬翻倍,容量更大,同時更加節(jié)能,具體來說就是數(shù)據(jù)頻率從目前1.6-3.2Gbps的水平提升到3.2-6.4Gbps,預取位寬從8bit翻倍到16bit,內存庫提升到16-32個。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。(圖4)

        在三星討論的DDR5內存規(guī)范中,其目標跟美光基本一致,也是帶寬至少翻倍,預取位寬也會翻倍,不過內存庫數(shù)量還是16個,與美光公布的數(shù)據(jù)略有不同。不過在時間點上,業(yè)界還是有一定共識的——DDR5預計在2017年完成規(guī)范制定,2018年出樣,2019年開始生產,不過要普及的話估計至少是2020年的事了。此外,盡管美光、三星都沒提制程工藝的問題,不過2018年10nm工藝已經(jīng)量產了,2020年左右則是7nm節(jié)點了,而目前DDR4最先進的工藝是18nm,到了2020年那個時間段,內存也會殺向10nm以下節(jié)點的。(圖5)

        說DDR5內存是最正統(tǒng)的內存續(xù)作,不僅因為它是最主流的內存選擇,還與它的衍生版有關——顯存用的下一代GDDR與手機、平板用的LPDDR低功耗內存都跟DDR5息息相關,業(yè)界在討論DDR5內存的同時,同樣也沒忘了GDDR6及未來的LPDDR5內存。

        很久之前顯卡用的顯存是跟PC內存一樣的,但是隨著GPU性能的不斷提升,對帶寬的要求也水漲船高,普通PC內存已經(jīng)滿足不了需要了,在DDR內存基礎上就衍生出了GDDR內存,GDDR5就是在DDR3基礎上衍生的,大部分規(guī)格都是相同的,不過數(shù)據(jù)預取位寬從4bit翻倍到8bit,所以帶寬在DDR3基礎上提高一倍,這也是其數(shù)據(jù)頻率是真實頻率4倍的由來,而普通DDR3內存是2倍真實頻率。

        在DDR5基礎上衍生出來的顯存就是GDDR6(雖然還不是正式定名)了,它的實際頻率與目前高頻GDDR5內存差不多,都是1.75GHz左右,但因為預取位寬再次翻倍,數(shù)據(jù)頻率則會從7Gbps提升到14+Gbps,這個思路其實跟美光主推的GDDR5X顯存是一樣的,同樣是在不提高實際頻率的情況下通過提升預取位寬實現(xiàn)帶寬提升。當然,為了進一步降低功耗,GDDR6顯存的電壓也會從目前1.5V降至1.35V。

        低功耗LPDDR內存也會在DDR5基礎上演進,其速率也能達到6.4Gbps,不過電壓則會進一步降低,目前LPDDR4已經(jīng)是1.1v電壓了,LPDDR5電壓會低于1.1v,目標是實現(xiàn)20%的能效提升。

        HBM

        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的,售價比較高,但從技術上來說Fury系列顯卡絕對是顯卡史上的一次重大變革,因為它用上了HBM顯存,它不僅僅是性能更強大,最重要的是HBM顯存極大地減少了PCB面積占用,可以把高端顯卡做的非常小巧,AMD的R9 Nano顯卡是2015年讓筆者印象最深刻的產品,比GTX Titan X和GTX 980 Ti更有意義。

        對于HBM顯存,一句話來說就是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,功耗更低,占用面積更小。到了2016年,HBM顯存又進化到了第二代,并正式成為JEDEC標準。與前代產品相比,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,帶來的好處就是在同樣4-hi堆棧下,HBM 2單顆顯存容量可達4GB,帶寬1024GB/s。

        HBM顯存最早是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,HBM 2時代NVIDIA、三星也參與進來了,前者首發(fā)了HBM 2顯存的Tesla P100加速卡,SK Hynix也開始量產HBM 2顯存了,有2-hi、4-hi、8-hi三種堆棧方式,頻率1.0、1.6及2.0Gbps,帶寬分別是128、204256GB/s,堆棧容量2、4、8GB,最高可實現(xiàn)32GB堆??側萘?,1024GB/s帶寬。

        HBM 2還沒上市,三星已經(jīng)在討論HBM 3顯存了,預計在2019-2020年問世,不過目前并沒有確切的規(guī)格。從三星的表態(tài)來看,HBM 3會進一步提高堆棧層數(shù)、核心容量及帶寬,但在核心頻率、內存庫、DQ位寬方面保持HBM 2的水平,不過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容量不是夢。值得注意的是,HBM 3顯存的電壓預計會比目前1.2v低得多,這有助于大幅降低HBM 3功耗。

        從HBM顯存問世開始,我們就知道它是個好東西,各方面完勝GDDR顯存——除了成本太高,因為HBM顯存是新標準,產能不足,而且它是2.5D堆棧的,制造工藝比GDDR5顯存復雜多了,這都加劇了HBM顯存的普及難度。在這方面,三星一方面在推進更高性能的HBM 3,同時也在探討研發(fā)低成本的HBM,通過移除ECC校驗、緩沖器層、減少I/O及降低TSV數(shù)量(TSV工藝中打孔數(shù)量越多,性能越好,但會更復雜),這些手段有助于減少HBM成本,雖然這會對HBM性能造成一定影響,I/O位寬從1024bit減少到512bit,但可以通過其他手段彌補,比如提高數(shù)據(jù)頻率到3Gbps,這樣一來低成本HBM的帶寬會從256GB/s降低到200GB/s左右,還在可接受范圍內,而制造成本就低多了。對HBM來說,阻礙它普及的最大障礙就是成本了,一旦低成本HBM得以實現(xiàn),那么HBM就有可能不再局限于高端顯卡之中,CPU也可以拿它來做緩存了。

        HMC

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

        實現(xiàn)3D堆棧之后,HMC也可以搭積木一樣堆疊內存核心了,帶來的優(yōu)勢就是:

        ·性能更強,帶寬是DDR3內存的15倍

        ·功耗更低,功耗比DDR4減少70%

        ·占用面積更小,比DDR4減少90%

        ·設計更簡單,通道復雜性比DDR4減少88%

        HMC與HBM都是TSV工藝的堆棧內存,很容易混淆,不過具體結構上HMC內存與HBM還是有很大不同的,它可以分為三個層次——頂部的是堆棧的DRAM核心,中間有個邏輯層(logic Layer),最下面則是封裝層(package)。(圖14)

        HMC與處理器的連接方式也不同,HBM有個工藝復雜的中介層,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個通道,速度最高可達30Gbps,典型速度有10Gbps、15Gbps、25Gbps。如果是4-link、10Gbps速度,那么帶寬可達160GB/s,15Gbps速度則是240GB/s,美光還在開發(fā)8-link HMC,帶寬可上320GB/s。

        美光目前量產的HMC單顆容量2GB,核心容量為4Gb,4層堆棧,帶寬160GB/s,算起來性能比HBM 2顯存的256GB/s要差一些,不過HMC相比HBM還有個優(yōu)勢,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,所以制造工藝復雜,成本太高,而HMC通過Link與處理器相連,既可以做近場內存(near memory),也可以距離遠點(far memory),部署更加靈活。(圖15)

        不過與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陣營也有三星、SK Hynix參與,但真正在推的只有美光、Intel,Intel代號“Knights Landing”的Xeon Phi上使用了16GB片上緩存,就是美光提供的HMC,號稱是DDR4內存的5倍性能、5倍能效,同時面積占用只有后者1/3。HMC的規(guī)范發(fā)展已經(jīng)到了2.0時代,據(jù)說美光今年還要推出HMC 3.0規(guī)范,Link數(shù)量、堆棧層數(shù)、核心容量都有進一步提高,帶寬可提升到480GB/s,該指標跟HBM 3差不多同級了。

        總而言之,DDR5內存的發(fā)展是按部就班,DDR5技術使用傳統(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3D堆棧目前制造過程復雜,成本太高,主要用于高性能計算領域,普通消費者要想用上廉價3D內存/顯存還要等技術成熟。

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