“葡萄”待成熟——DDR4内存技术前瞻
技术空间
在日本东京举行的MemCon 2010大会上，早有制定发展规划的DDR4内存再一次出现在人们眼前，最高频率4266MHz，最低电压1.05V，采用30nm制程制造，DDR4内存相比现在的DDR3内存，规格更加的吸引人。实际上，早在2007年，JEDEC（电子元件工业联合会）就规划出了下一代内存DDR4的路线蓝图，按照JEDEC的设想，新一代的DDR4内存将于2012年面世，在2013年普及。但是在JEDEC最新的蓝图中，这一计划已经往后推延，DDR4很有可能将在2012年首次面世，这比人们想象的时间整整晚了3年。为什么看上去规格如此强悍的DDR4内存要往后推移呢？DDR4内存相比DDR3内存到底有什么变化？下面就随着我们的笔触一起走近DDR4内存。
美好的想象——DDR4的起点规格
在谈论DDR4面临的难题之前，还是先让我们一起来看看当初JEDEC是如何打造DDR4的未来的。在2007年，JEDEC就给出了一份乐观的蓝图表。在这份蓝图上，JEDEC认为在2010年，DDR3内存会全面普及到DDR3 1333，而到2011年，主流内存将会是DDR3 1600的天下。实际上，到目前为止，DDR3内存已经全面向DDR3 1600过渡，只不过JEDEC并没有想到，在DDR3发展的年代里，DDR2还一直占据着市场上重要的地位，当然这里面Intel的“功劳”是显而易见的。
在JEDEC初始的规划中，2012年DDR4内存将会面世，频率会达到2133MHz，工作电压为1.2V；而在2013年，DDR4内存的频率将会达到2667MHz，工作电压则将降到1.0V。而事实上呢？直到现在我们也没有看到哪家公司在近期会有发展DDR4内存的计划，JEDEC也悄然更改了自己的内存发展蓝图。在最近的MemCon 2010大会上，JEDEC的一位董事介绍说，DDR4内存将在2011年完成规范制定工作，2012年开始商用，但实际上大多数人都认为，按照目前的硬件发展以及Intel、AMD的规划来看，2012年DDR4内存即使能够问世，也不会如JEDEC想象中那样在2013年开始普及。事实上，就连JEDEC自己或许都存在着疑虑，所以我们看到，JEDEC将DDR3内存的最高频率提升到2133MHz上，而这本该是DDR4内存诞生时的初始频率。
当然，不管DDR4是否能在2013年普及，就目前的规格来看，DDR4的确有实力将DDR3从性能上拉下马来。DDR4内存的有效运行频率初步设定在2133MHz至4266MHz之间，运行电压则会进一步降低至1.2V、1.1V，甚至还可能会有1.05V的超低压节能版，芯片制造工艺预计首批采用36nm或者32nm。从DDR4内存的规格来看，更高的性能以及更低的能耗显然是它的亮点，那么为什么业界的巨子们在面对DDR4内存时却显得如此犹豫？抛开商业利益上的考虑以及硬件上的现状，DDR4在技术和规格上的难题才是困扰工程师们的关键。
很多人认为2015年，DDR4内存才能普及
现实的困惑——DDR4内存解读
访问机制的改变
对于DDR3内存来说，目前数据读取访问的机制是双向传输，而在DDR4内存中，访问机制已经改为了点对点技术，也就是每个单独的内存条中采用点对点接口进行访问，这种机制的改变其实并不会对速度产生太大的影响，但是由于点对点访问使得每个内存通道只能支持一条内存模组，和现有的内存模式相比，DDR4内存在系统中可使用的内存数量，以及单根内存条的容量都会受到很大的限制。
这个问题对于桌面电脑来说，其实没有什么，普通家用电脑一般就用了2条内存插槽，最大8GB内存也就足够了，但是在服务器领域，如果系统使用的内存数量和容量受到了限制，势必对服务器性能造成极大的影响。此外值得一提的是，DDR4这种点对点的访问机制还将为主板设计带来不少问题，DDR4模组仍采用64bit并行总线与内存控制器相连，双通道设计则是128bit，但是由于采用点对点访问机制，那么主板上对应的数据排线也将达到128条，考虑到DDR4内存的高频率和高带宽，这就要求信号输出的误差必须控制在很低的水平上，那么则要求主板PCB上的128条数据线在长度高度上要尽量达到一致，这对主板厂商来说，不但制造要求高，同时成本也不低。
采用硅穿孔技术提升容量
点对点的访问体系限制了DDR4内存在系统中的数量以及内存容量，那么业界的工程师们自然要想办法来解决。首先工程师们考虑的是在主板的PCB上安装一个内存控制开关，使得多条不同的DDR4内存运行在一个内存通道中，但是这种解决方案最大的难题在于如果让不同的内存运行在一个内存通道中，那么就要让内存控制器工作在不同模式下，现在无论是AMD还是Intel，内存控制器都内置在处理器当中，这种方案看似简单，不过却提升了主板的设计难度和成本，同时处理器厂商如何设计CPU又是一个问题，而且这种方式另外一个隐患则是让不同DDR4内存工作在一个通道中，不但可能影响性能，同时还有兼容性的隐患。
上述方案有诸多不足，工程师们便在DDR4内存设计上考虑第二种方案：既然内存数量有限制，那么就只能提升单颗内存颗粒的容量了。工程师们考虑让内存厂商借助硅穿孔（TSV）技术和多层制造工艺大幅提高单个内存颗粒的容量，比如在单个颗粒中设计4层到8层的晶体叠加，让单颗内存颗粒达到4GB或者8GB容量，这样就能解决DDR4内存容量限制的问题。这种方案在技术上比较成熟，对性能没有影响，也不会造成兼容性问题，只不过在现有的生产技术下，这种方案会造成内存成本的极大提升。从目前来看，使用这种方案来提升DDR4内存容量的可能性非常大，在DDR4内存问世之际，我们或许会对它们的售价感到震惊……
两种物理规格
为了实现高频运作，DDR4内存将采用16bit读取模式，这是目前DDR3内存的两倍，和XDR2内存相同。在其他的技术规格上，DDR4内存也都是在DDR3内存基础上进一步发展，比如芯片内整合终结器、内存模组为64bit位宽等等，这些规格上并无太大的变动，JEDEC内部也没有分歧。但在信号传输机制上，DDR4却出现了两种不同的方案：一个方案是传统的SE（Single-ended Signaling）单端信号，另一个方案就是Differential Signaling，即差分信号技术。
传统SE信号就是利用一根线路传输一个信号，信号所代表的二进制数值由电平的高低决定，如64bit模组对应64条传输线路，现行的各种DDR体系的内存都是采用这项技术。传统信号的优点在于所需的线路较少，PCB布线工作相对容易，但它很难胜任高频总线的需要：总线的频率越高，对外界干扰就越敏感，传统SE信号对于干扰几乎没有任何免疫力。差分信号技术则利用两条线路来传送一个信号，通过电压差决定信号所表达的数值，具有很强的抗干扰能力。采用传统SE信号的DDR4内存最高可达到3.2Gbps传输速率，而差分信号版本最高可突破6.4Gbps，虽然还未能达到XDR2的8Gbps速率，但DDR4模组位宽达到64bit，双通道方案可提供高达102.4Gbps的内存带宽。
但遗憾的是，由于SE信号与差分信号在规格上不可能兼容，两种DDR4内存无法在物理上做到兼容，换而言之未来将会有传统SE信号和差分信号两种规格的DDR4，彼此互不兼容。JEDEC内部成员也已对两种DDR4规格达成了一致，未来平滑升级的SE信号版本将出现在市场接替DDR3的地位，差分信号的高频版DDR4则作为下一代产品。尽管DDR4将衍生出不同的两代产品，但研发工作并不会一分为二，镁光与三星公司在此继续扮演核心角色，其中镁光主要推动差分信号技术的发展，三星公司则致力于SE信号DDR4的商用化。
DDR4内存采用点对点的访问机制
采用多层制造的方案来提升DDR4内存的容量
任重而道远——DDR4内存还需完善
除了技术规格上的难点以外，DDR4内存延期的另外因素则是业界环境以及生产工艺。DDR4内存的初始频率为2133MHz，这个频率实际上目前的DDR3内存就能达到，不少内存厂商已经推出DDR3 2000甚至是DDR3 2400的产品，这使DDR4内存的性能优势至少在初期并不明显。实际上从AMD和Intel的处理器、芯片组规范来看，在未来数年里，DDR3内存依然是绝对的主角，这显然为尚未诞生的DDR4内存蒙上了一层阴影。当然，我们不排除在DDR4内存诞生之际，处理器、芯片组的规格会有一定变化，但是考虑到DDR3内存普及的时间，要DDR4内存诞生初期就大红大紫显然不现实。
DDR4内存最高频率将达到4266MHz，这看上去很美，但是就连厂商都认为，从现有的生产工艺来看，要达到这个频率恐怕短期内无法实现。此外，电压是DDR4的一大优势，但是在高频率上降低电压是一件很困难的事情，DDR4最低的电压将会是1.05V，但是从现有的生产工艺来看，要在这么低电压的环境下维持这么高的频率，铁定无法达到，即使是制造工艺为30nm都很困难。内存行业将于2013年转向30nm以下的制造工艺，恐怕只有到那个时候，我们才能冀望低电压的DDR4内存面世。
值得一提的是，在DDR4内存的技术中，我们看到很多XDR（eXtreme Data Rate，终极数据率）内存的影子，比如预读模式、信号误差要求等等。实际上纯粹从技术角度考虑，DDR4内存并不一定就能达到Rambus于2005年发布的XDR2内存的高度，DDR内存能成为业界主导者，主要还是它在成本和性能上达到一个平衡，而如今DDR4尚未正式面世，但已经为厂商们敲响了成本警钟，这也值得JEDEC思考，是否目前的DDR内存发展方向就是正确的，或者说唯一的。Rambus靠技术专利生存，但是DDR不但要靠技术，更要靠主流的内存市场。
写在最后>>
如同DDR3内存终将取代DDR2内存一般，DDR4内存在未来必然也将成为主流。尽管我们现在看DDR4还有很多不足，以及一些不确定因素，但是凭借DDR系列的江湖地位，以及业界的现状，没有任何一种其他内存技术能在我们看得到的未来中取代DDR4，所以DDR4内存“确定一定以及肯定”将是未来唯一的选择。我们只是在揣测，这个未来到底要多久才来？此外，在DDR4内存中，我们看到提升成本的东西多了，但是真正有革新意义的技术并不多，这方面甚至不如GDDR5颗粒那种4通道提升性能的方案。但不管如何，DDR4内存的出现总是这个技术时代的一个进步，哪怕是一个很小的进步，它总能推动内存行业往前发展，这一点是毋庸置疑的。“葡萄”现在尚未成熟，或许在成熟后，它能带给我们另一番光景。