深度分析DDR3内存

DDR2与DDR3的结构对比，提高I/O Buffer的时钟频率和预取位数，使得数据传输频率保持高速增长。

　　DDR内存实现了双倍数据率传输(Double Data Rating)，它可以在一个时钟周期传输两次数据，即分别在时钟的上升沿和下降沿分别激发一次，这样它的数据传输频率就达到时钟频率的两倍，而它的核心频率仍然与时钟频率相同，例如DDR400内存，它的核心频率与时钟频率都只有200MHz。双倍数据率意味着从内存核心要在一个时钟周期内供给两倍的数据，为了做到这一点，DDR内存引入了2bit预取设计，在预取机制中，内存Cell阵列的数据先被输入到I/O Buffer缓冲中，然后再从I/O Buffer向内存总线输出。而2bit预取则意味着每个时钟周期内存Cell阵列都会发送2bit数据到I/O Buffer内暂存，以满足下个时钟周期的两次数据传送。

　　DDR2在DDR基础上将性能提升了一倍，它的最高数据传输频率达到800MHz；但DDR2 800的核心频率仍然只有200MHz、也就是和DDR400相当，那么，它又是如何做到的呢？答案很简单：DDR2引入了4bit预取和频率不对等的设计，控制I/O Buffer的时钟频率提升到核心频率的2倍，而数据传输频率仍为时钟频率的2倍，也就是说DDR2的数据传输频率达到核心频率的4倍！接下来的DDR3同样是沿着这条道路前进：它将预取位数提高到8bit，并将时钟频率提升为核心频率的4倍——假设其核心频率为100MHz，那么时钟频率就达到400MHz，数据传输频率则高达800MHz，这也就是DDR3 800的设计标准。

　　在数据频率不断提升的过程中，内存的核心频率始终保持相对稳定，这主要受到DRAM结构的先天限制--作为一种并行传输的内存技术，DRAM核心无法达到很高的工作频率，当年英特尔一度认为SDRAM体系很难保持后继发展，这才冒险推行RDRAM内存技术。在后来的DDR、DDR2和现在的DDR3，我们看到的是数据频率以翻倍的速度提升，而核心频率几乎保持不变，例如DDR400内存已达到200MHz核心频率，现在的DDR2-800、乃至未来的DDR2-1600也都只能达到这个数字。只有非标准的DDR2-1066能够将核心频率提高到266MHz，但这更多是由于引入更先进的半导体制造技术所致。

迷惑不在：更短的延迟时间

　　在从DDR升级到DDR2的过程中，延迟时间过长的毛病一直被用户诟病，搭载DDR2 533内存的系统很多时候在性能上甚至不如老旧的DDR400平台，原因就在于前者的访问延迟较长，进而影响了整体性能的发挥。我们知道，内存子系统主要根据两项指标来判断性能：其一就是带宽，它表示内存子系统的数据吞吐能力；其二就是访问延迟，它表示从内存从收到读写指令到实际发送/接纳数据所经历的时间。对于3D图形渲染、并行计算、高清视频解码等涉及高数据量传输的应用中，带宽高低往往更为人看中；但在常规应用中，访问延迟会对整体性能有着更大的影响。

内存条上的延迟参数

　　DDR2由于引入4bit预取的I/O Buffer，导致其延迟周期有了明显的增加，JEDEC规范所定义的DDR2 533、DDR2 667和DDR2 800的访问延迟指标分别为4-4-4、5-5-5和6-6-6，但延迟指标对于内存性能的影响却不能直接以时钟周期来评判、而是以实际的时间为基础，也就是以“纳秒”作为单位，这就意味着必须将频率指标也考虑在内——延迟时间越短、意味着CPU能够越快得到数据、内存性能越出色，而延迟时间短并不意味着延迟周期也比较短，频率高低在这里起到相当关键的作用。

　　DDR2标准就是一个典型的例子，虽然从DDR2 533、DDR2 667到DDR2 800的延迟周期都不相同，但三者的延迟时间都是15ns。换句话说，DDR2内存在访问延迟指标上其实都是相同的，频率的提升并没有对延迟性能造成不良影响。

　　同样的例子也出在DDR3身上——根据JEDEC的规范定义，DDR3 1066、DDR3 1333及DDR3 1600的CL值分别为7-7-7、8-8-8及9-9-9，但它们的延迟时间分别是13.125纳秒、12.0纳秒以及11.25纳秒；也就是说，DDR3不仅在带宽指标上优胜于DDR2，而且比DDR2有着更低的访问延迟。因此，DDR3推广的阻力会比当年DDR2取代DDR时小很多，只是目前市面上DDR2 1066规格的内存不少，延迟指标又普遍强于JEDEC的规范、比同频率的DDR3 1066还要略快一些，或许DDR3要等到1333MHz频率时方能显示出明显的性能的优势。

　　新特性：DDR3的新改进

　　DDR2内存能够取代DDR内存，不仅是因为带宽上的优势，还有非常重要的一条，那就是DDR2在节能上比DDR更有优势。同样的，DDR3的低功耗特性对于移动设备来说意义重大，功耗降低可以显著延长设备电池的续航能力。英特尔在(今年)春季的IDF峰会上就对分别搭载DDR2与DDR3的移动机型做了对比，在高清视频播放模式下，DDR3机型的电池时间可比同配置DDR2机型高出20～30分钟，节能效果十分显著。

　　DDR3的低功耗主要得益于较低的核心电压，第一代DDR内存的核心电压达到2.5V，DDR2降低到1.8V，而DDR3则进一步降低到1.5V；此外，I/O Buffer也采用低功耗设计，I/O Driver的阻值从DDR2的34欧姆降低到18欧姆，这也可以带来明显的功耗降低——整体而言，DDR3内存拥有更为出色的带宽功耗比(Bandwitdh per watt，每瓦能耗的带宽指标)，假设DDR2 800的功耗/带宽比为参照点1，那么DDR3 800的比值就只有0.72，相当于在相同带宽前提下，DDR3 800的功耗和DDR2 800相比有28%的降幅；即便是更高性能的DDR3 1066、它的比值也只提升到0.83，功耗降幅也达到17%。因此，从DDR2升级到DDR3，内存系统的功耗将明显降低，移动设备也可因此获得更长的电池续航力。

DDR3将带来可观的功耗降低。

　　DDR3的节能特性不仅于此，新引入的“重置(Reset)”功能也使DDR3可以保持较低的功耗指标，而且该功能可以让DDR3的初始化操作变得简单——DDR3内存颗粒中专门增加了一个重置引脚，当信号激活时，DDR3内存将停止所有操作，大部分功能都被关闭，包括数据接收、发送动作均告停止，内部的程序装置也将复位，数据总线上的任何请求都不被理睬。在此期间，DDR3内存可以保持极低的耗电量。

　　DDR3的刷新机制也获得低功耗适应的改良。我们知道，所有DRAM体系的内存技术都必须不断进行刷新(Refresh)才能保全数据，“刷新”也是DRAM最重要的动作之一。一般来说，刷新操作分为自动刷新(Auto Refresh，简称AR)与自主刷新(Self Refresh，简称SR)两种类型，而DDR3则采用两者混合的自动-自主刷新设计(ASR，Automatic Self-Refresh)。它的特点是利用一个温度传感器来控制刷新动作的频率，如果刷新频率较高、DRAM核心的温度也随之升高，而温度传感器的作用就是在保证数据不丢失的前提下、将刷新频率降到最低点，以此达到降低温度和节能的目的。不过，ASR功能只作为DDR3的可选设计，目前市面上的DDR3内存是否支持该功能尚不明确。

　　为了弥补这一点，DDR3还可支持一项叫做“自主刷新温度范围(Self-Refresh Temperature，简称SRT)”的机制，它提供普通温度(例如0℃至85℃)和扩展温度(例如最高到95℃)，对于这两种温度范围，DDR3都以固定的频率和电流进行刷新动作，当然这两种情况的频率/电流指标并不相同。

　　此外，DDR3还有一个名为“局部自主刷新”(Partial Array Self-Refresh，简称RASR)的可选功能，它可以只对部分逻辑BANK进行刷新、而不是对全部的BANK都进行刷新，这样做也可以降低高频率刷新带来的能耗。对于笔记本电脑来说，只要系统未处于满负荷运转状态下，内存的刷新动作就可以因地制宜地削减，以节约出更多的电力。

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