文章主要介紹DRAM、FLASH和DDR技術分析和對比，并從容量、成本、可靠性、耐用性、ECC算法和壞塊處理等維度進行對比分析。

定義

1、DRAMDRAM(Dynamic Random Access Memory)，即動態(tài)隨機存取存儲器，最為常見的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時間。為了保持數(shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲，所以必須隔一段時間刷新(refresh)一次，如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失。(關機就會丟失數(shù)據(jù))。

2、Flash內(nèi)存

Flash內(nèi)存即Flash Memory，全名叫Flash EEPROM Memory，又名閃存，是一種長壽命的非易失性(在斷電情況下仍能保持所存儲的數(shù)據(jù)信息)的存儲器，數(shù)據(jù)刪除不是以單個的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位，區(qū)塊大小一般為256KB到20MB。閃存是電子可擦除只讀存儲器(EEPROM)的變種，EEPROM與閃存不同的是，它能在字節(jié)水平上進行刪除和重寫而不是按區(qū)塊擦寫，這樣閃存就比EEPROM的更新速度快，所以被稱為Flash erase EEPROM，或簡稱為Flash Memory。由于其斷電時仍能保存數(shù)據(jù)，閃存通常被用來保存設置信息，如在電腦的BIOS(基本輸入輸出程序)、PDA(個人數(shù)字助理)、數(shù)碼相機中保存資料等。另一方面，閃存不像RAM(隨機存取存儲器)一樣以字節(jié)為單位改寫數(shù)據(jù)，因此不能取代RAM。

3、NOR Flash和NAND Flash

NOR Flash和NAND Flash是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR Flash 技術，徹底改變了原先由EPROM(Erasable Programmable Read-Only-Memory電可編程序只讀存儲器)和EEPROM(電可擦只讀存儲器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory)一統(tǒng)天下的局面。緊接著1989年，東芝公司發(fā)表了NAND Flash 結構，強調(diào)降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。NOR Flash 的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP ，eXecute In Place），這樣應用程序可以直接在Flash閃存內(nèi)運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR 的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。NAND的結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于Flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。通常讀取NOR的速度比NAND稍快一些，而NAND的寫入速度比NOR快很多，在設計中應該考慮這些情況。

4、DDR

DDR=Double Data Rate雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器。嚴格的說DDR應該叫DDR SDRAM，人們習慣稱為DDR，其中，SDRAM 是Synchronous Dynamic Random Access Memory的縮寫，即同步動態(tài)隨機存取存儲器。而DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的縮寫，是雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器的意思。DDR內(nèi)存是在SDRAM內(nèi)存基礎上發(fā)展而來的，仍然沿用SDRAM生產(chǎn)體系，因此對于內(nèi)存廠商而言，只需對制造普通SDRAM的設備稍加改進，即可實現(xiàn)DDR內(nèi)存的生產(chǎn)，可有效的降低成本。

5、DDR2

DDR2（Double Data Rate 2） SDRAM是由JEDEC（電子設備工程聯(lián)合委員會）進行開發(fā)的新生代內(nèi)存技術標準，它與上一代DDR內(nèi)存技術標準最大的不同就是，雖然同是采用了在時鐘的上升/下降延同時進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉绞剑獶DR2內(nèi)存卻擁有兩倍于上一代DDR內(nèi)存預讀取能力（即：4bit數(shù)據(jù)讀預取）。換句話說，DDR2內(nèi)存每個時鐘能夠以4倍外部總線的速度讀/寫數(shù)據(jù)，并且能夠以內(nèi)部控制總線4倍的速度運行。此外，由于DDR2標準規(guī)定所有DDR2內(nèi)存均采用FBGA封裝形式，而不同于目前廣泛應用的TSOP/TSOP-II封裝形式，F(xiàn)BGA封裝可以提供了更為良好的電氣性能與散熱性，為DDR2內(nèi)存的穩(wěn)定工作與未來頻率的發(fā)展提供了堅實的基礎。回想起DDR的發(fā)展歷程，從第一代應用到個人電腦的DDR200經(jīng)過DDR266、DDR333到今天的雙通道DDR400技術，第一代DDR的發(fā)展也走到了技術的極限，已經(jīng)很難通過常規(guī)辦法提高內(nèi)存的工作速度；隨著Intel最新處理器技術的發(fā)展，前端總線對內(nèi)存帶寬的要求是越來越高，擁有更高更穩(wěn)定運行頻率的DDR2內(nèi)存將是大勢所趨。

6、DDR3

DDR3是一種計算機內(nèi)存規(guī)格。它屬于SDRAM家族的內(nèi)存產(chǎn)品，提供了相較于DDR2 SDRAM更高的運行效能與更低的電壓，是DDR2 SDRAM(四倍資料率同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存)的后繼者(增加至八倍)，也是現(xiàn)時流行的內(nèi)存產(chǎn)品規(guī)格。主要特點：

• (1)功耗和發(fā)熱量較小：吸取了DDR2的教訓，在控制成本的基礎上減小了能耗和發(fā)熱量，使得DDR3更易于被用戶和廠家接受。

• (2)工作頻率更高：由于能耗降低，DDR3可實現(xiàn)更高的工作頻率，在一定程度彌補了延遲時間較長的缺點，同時還可作為顯卡的賣點之一，這在搭配DDR3顯存的顯卡上已有所表現(xiàn)。

• (3)降低顯卡整體成本：DDR2顯存顆粒規(guī)格多為16M X 32bit，搭配中高端顯卡常用的128MB顯存便需8顆。而DDR3顯存顆粒規(guī)格多為32M X 32bit，單顆顆粒容量較大，4顆即可構成128MB顯存。如此一來，顯卡PCB面積可減小，成本得以有效控制，此外，顆粒數(shù)減少后，顯存功耗也能進一步降低。

• (4)通用性好：相對于DDR變更到DDR2，DDR3對DDR2的兼容性更好。由于針腳、封裝等關鍵特性不變，搭配DDR2的顯示核心和公版設計的顯卡稍加修改便能采用DDR3顯存，這對廠商降低成本大有好處。

目前，DDR3顯存在新出的大多數(shù)中高端顯卡上得到了廣泛的應用。現(xiàn)在許多低端的顯卡也有采用DDR3顯存的

7、DDR4

DDR，英文全稱為：Dual Data Rate，是一種雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器。嚴格的說，DDR應該叫DDR SDRAM，人們習慣稱為DDR，其中，SDRAM 是Synchronous Dynamic Random Access Memory的縮寫，即同步動態(tài)隨機存取存儲器，而DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的縮寫，是雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器的意思。簡單來說，DDR4就是第二代內(nèi)存的意思，目前不少智能手機與電腦都用上了新一代DDR4內(nèi)存，它屬于我們熟知的DDR3內(nèi)存的下一代版本，帶來了更低的功耗與更出色的性能。8、DDR5DDR5 是下一代同步動態(tài)隨機存取存儲器 (SDRAM)。DDR 存儲器可在單個時鐘周期內(nèi)發(fā)送和接收兩次數(shù)據(jù)信號，并允許更快的傳輸速率和更高的容量。JEDEC還沒有正式發(fā)布DDR5規(guī)范，但是DRAM制造商和SoC設計人員正在全力準備DDR5的發(fā)布。在SoC方面，AMD的EPYC Genoa和英特爾的Xeon Sapphire Rapids在2021 ~ 2022年發(fā)布時將支持DDR5 DRAM。Samsung (三星) 日前也公開其DDR5 路線圖(Roadmap) 資料，鐵定今年內(nèi)量產(chǎn)DDR5 記憶體顆粒，單顆高達64Gbits (即8GB) 容量！DDR5 記憶體預計明年初，推出至終端用戶使用者市場。時鐘方面，最終可發(fā)展至DDR5-8400。雙通道DDR5-8400 的頻寬高達134.4GB/s，等于雙通道DDR4-3200 (51.2GB/s) 的2.625 倍，或等于雙通道DDR4-4000 (64GB/s) 的2.1 倍。

image

雖然 DDR 內(nèi)存中的大多數(shù)開發(fā)都是適度的增量，重點是性能改進以滿足服務器和個人計算機應用程序要求，但從 DDR4 到 DDR5 的跨越是一個更大的飛躍。在需要更多帶寬的驅(qū)動下，DDR5 在強大的封裝中帶來了全新的架構。

DDR5 帶來了更高的數(shù)據(jù)速率、更低的能耗和更高的密度。DDR5 發(fā)布后的最大數(shù)據(jù)速率為 4800MT/s（百萬次/秒），而 DDR4 為 3200MT/s。系統(tǒng)級仿真中的并行比較顯示，DDR5 的有效帶寬約為 DDR4 的 1.87 倍。

DDR5 將突發(fā)長度增加到 BL16，約為 DDR4 的兩倍，提高了命令/地址和數(shù)據(jù)總線效率。相同的讀取或?qū)懭胧聞宅F(xiàn)在提供數(shù)據(jù)總線上兩倍的數(shù)據(jù)，同時限制同一存儲庫內(nèi)輸入輸出/陣列計時約束的風險。

此外，DDR5 使存儲組數(shù)量翻倍，這是通過在任意給定時間打開更多頁面來提高整體系統(tǒng)效率的關鍵因素。所有這些因素都意味著更快、更高效的內(nèi)存以滿足下一代計算的需求。但是，DDR5 不僅提高了性能，還提高了可擴展性。

在電力消耗部分，DDR5的工作電壓為1.1V，低于DDR4的1.2V，能降低單位頻寬的功耗達20％以上。區(qū)別

1、NAND flash和NOR flash

一、NAND flash和NOR flash的性能比較flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進行，所以大多數(shù)情況下，在進行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內(nèi)所有的位都寫為0。由于擦除NOR器件時是以64～128KB的塊進行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時)，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設計師必須權衡以下的各項因素。

• 1、NOR的讀速度比NAND稍快一些。
• 2、NAND的寫入速度比NOR快很多。
• 3、NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。
• 4、大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。
• 5、NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。

二、NAND flash和NOR flash的接口差別NOR flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作，很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設備。三、NAND flash和NOR flash的容量和成本NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應地降低了價格。NOR flash占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當中，這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。四、NAND flash和NOR flash的可靠性和耐用性采用flahs介質(zhì)時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲方案。可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。五、NAND flash和NOR flash的壽命(耐用性)在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。六、位交換所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(很少見，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多)，一個比特位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報告反轉(zhuǎn)了。一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個關鍵文件上，這個小小的故障可能導致系統(tǒng)停機。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決了。當然，如果這個位真的改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候，同時使用七、EDC/ECC算法這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確保可靠性。八、壞塊處理NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價太高，根本不劃算。NAND器件需要對介質(zhì)進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進行這項處理，將導致高故障率。九、易于使用可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其他存儲器那樣連接，并可以在上面直接運行代碼。由于需要I/O接口，NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時，必須先寫入驅(qū)動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當?shù)募记桑驗樵O計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。十、軟件支持當討論軟件支持的時候，應該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進行同樣操作時，通常需要驅(qū)動程序，也就是內(nèi)存技術驅(qū)動程序(MTD)，NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些，許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動，該驅(qū)動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。驅(qū)動還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。

2、DDR與DDR2

image

DDR與DDR2區(qū)別一覽表

3、DDR2與DDR3區(qū)別

1、邏輯Bank數(shù)量DDR2 SDRAM中有4Bank和8Bank的設計，目的就是為了應對未來大容量芯片的需求。而DDR3很可能將從2Gb容量起步，因此起始的邏輯Bank就是8個，另外還為未來的16個邏輯Bank做好了準備。2、封裝(Packages)由于DDR3新增了一些功能，在引腳方面會有所增加，8bit芯片采用78球FBGA封裝，16bit芯片采用96球FBGA封裝，而DDR2則有60/68/84球FBGA封裝三種規(guī)格。并且DDR3必須是綠色封裝，不能含有任何有害物質(zhì)。3、突發(fā)長度(BL，Burst Length)由于DDR3的預取為8bit，所以突發(fā)傳輸周期(BL，Burst Length)也固定為8，而對于DDR2和早期的DDR架構的系統(tǒng)，BL=4也是常用的，DDR3為此增加了一個4-bit Burst Chop(突發(fā)突變)模式，即由一個BL=4的讀取操作加上一個BL=4的寫入操作來合成一個BL=8的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸，屆時可通過A12地址線來控制這一突發(fā)模式。4、尋址時序(Timing)就像DDR2從DDR轉(zhuǎn)變而來后延遲周期數(shù)增加一樣，DDR3的CL周期也將比DDR2有所提高。DDR2的CL范圍一般在2至5之間，而DDR3則在5至11之間，且附加延遲(AL)的設計也有所變化。DDR2時AL的范圍是0至4，而DDR3時AL有三種選項，分別是0、CL-1和CL-2。另外，DDR3還新增加了一個時序參數(shù)——寫入延遲(CWD)，這一參數(shù)將根據(jù)具體的工作頻率而定。

4、DDR3與DDR4區(qū)別

1、外觀改變DDR4內(nèi)存條外觀變化明顯，金手指變成彎曲狀，這意味著，DDR4內(nèi)存不再兼容DDR3，老平臺電腦無法升級DDR4內(nèi)存，除非將CPU和主板都更換為新平臺。2、DDR4內(nèi)存頻率與帶寬提升明顯頻率方面，DDR3內(nèi)存起始頻率為800，最高頻率達到了2133。DDR4內(nèi)存起始頻率就達到了2133，量產(chǎn)產(chǎn)品最高頻率達到了3000，從內(nèi)存頻率來看，DDR4相比DDR3提升很大。帶寬方面，DDR4內(nèi)存的每個針腳都可以提供2Gbps (256MB/S)的帶寬，DDR4-3200那就是51.2GB/s，比之DDR3-1866高出了超過70%。綜合來看，DDR4內(nèi)存性能最大幅度可比DDR3提升高達70%，甚至更高。3、DDR4內(nèi)存容量提升明顯，可達128GB上一代DDR3內(nèi)存，最大單挑容量為64GB，實際能買到的基本是16GB/32GB，而新一代DDR4內(nèi)存，單條容量最大可以達到128GB，媲美SSD了。4、DDR4功耗明顯降低，電壓達到1.2V、甚至更低。

上一代DDR3內(nèi)存，采用1.5V標準電壓，而DDR4內(nèi)存則降低為1.2V，甚至可以做到更低，功耗下降了，更省電，并且可以減少內(nèi)存的發(fā)熱。

本文轉(zhuǎn)載自：架構師技術聯(lián)盟(公眾號) 如遇版權問題請聯(lián)系我！