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对比美光、三星、SK 海力士的DDR5内存

2022-02-22 17:09:32 Jeongdong Choe 阅读:
本文比较了美光、三星和 SK 海力士的 DDR4-3200 和 DDR5-4800 芯片的 DDR5 芯片尺寸、存储密度、DRAM 单元尺寸和设计规则。

我们正在进入 DDR5 内存时代。在DDR5供不应求的情况下,美光、三星、SK海力士等主要DRAM企业纷纷推出了DDR5系列产品。  CYeednc

DDR5是 DRAM 的新标准,可满足人工智能、机器学习和数据分析等应用对计算和高带宽的需求。CYeednc

与通常在 1,600 至 3,200 MHz 范围内运行的 DDR4 数据速率相比,DDR5 提供的数据和时钟速率都将性能提高一倍,至少达到 7,200 MB/s。此外,DDR5 将工作电压降低至 1.1V。CYeednc

在开发过程中,工程师增强了 DDR5 的功能,添加和修改了多项高级功能,包括将预取从 8 位增加到 16 位、更多的内存块(bank)和内存块组以提高总线效率。他们还添加了新的写入模式和刷新模式,添加了决策反馈均衡器,以及每个 DRAM 的寻址能力。还包括片上 ECC,以加强片上 RAS,同时减少控制器负担。CYeednc

这些创新意味着能进一步在未来以数据为中心的应用中释放价值。CYeednc

首批投放市场的DDR5 产品为 UDIMM,其运行速度介于 4,800 MT/s 和 5,600 MT/s 之间。这意味着与当前高性能服务器中的高端 3,200 MT/s DDR4 DIMM 相比,数据速率提高了 33%。作为参考,Everspin 1 GB pMTJ STT–MRAM 独立 DDR4 芯片以 1,333 MT/s 的速度运行,具有 15 ns CL 和 135 ns tRCD。最近发布的 GDDR6 器件的运行速度为 16,000 MT/s,LPDDR5 器件的运行速度为 6,400 MT/s,HBM2e 器件的运行速度为 3,600 MT/s,包括最新版本的 Nvidia 旗舰数据中心 GPU——80 GB 的 A100。CYeednc

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 DDR、GDDR、HBM和LPDDR到DDR6、GDDR6X、HBM3和LPDDR6的DRAM数据速率趋势。 (资料来源:TechInsights) CYeednc

JEDEC 最近更新了 DDR5 SDRAM 标准 (JESD79–5A) 以满足云和企业数据中心应用需求,为开发人员提供了两倍的性能和更高的能效。为了更高的密度和更高的性能,DDR5有望采用D1z或D1a (D1α)一代等最先进的DRAM单元技术节点,它们是第三或第四代 10 nm级 DRAM 节点。DDR5 内存包含多项创新和一种新的 DIMM 架构,后者可在支持扩展的同时提供速度等级提升。CYeednc

比较 DDR5 产品

TechInsights 最近比较了美光、三星和 SK 海力士的 DDR4-3200 和 DDR5-4800 芯片的 DDR5 芯片尺寸、存储密度、DRAM 单元尺寸和设计规则。具体来说,我们查看了美光 DDR5 器件中的 TeamGroup ELITE DDR5 16 GB UDIMM 系列;三星 DDR5 器件中的 G.SKILL Trident Z5 DDR5 内存 (F5–5600U3636C16GX2–TZ5K);和 SK 海力士 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5–4800B 模块。CYeednc

三星 宣布推出基于高 k 金属栅极 (HKMG) 工艺的 DDR5 内存模块。该公司于 2018 年在其 GDDR6 内存中采用了 HKMG 工艺,这是业界首创,随后扩展到 DDR5 内存。CYeednc

SK 海力士还宣布了一款新的 24GB DDR5 芯片,该芯片采用尖端 D1a 纳米技术开发,采用 EUV 光刻技术。在带宽方面,DIMM 提供 38.4 GB/s 或 44.8 GB/s,而 SK 海力士的 GDDR6 器件和 8-die HBM2E 器件提供 64 GB/s 和 460 GB/s。CYeednc

美光、三星和 SK 海力士正在批量生产其首款 4800 MHz 或 5600 MHz DDR5 器件。我们希望看到 DDR5 器件建立在行业领先的工艺技术节点 D1a 或 D1α 之上。然而,DDR5 DRAM 芯片和单元/外围设计似乎还没有完全成熟。首批 DDR5 芯片采用了先前已有的技术节点或设计规则,包括三星 D1y、美光 D1z 和 SK 海力士 D1y。表 1 显示了首批 DDR5 器件的比较。CYeednc

CYeednc

来自美光、三星和 SK 海力士的三款新 DDR5 器件/芯片的比较。(来源:TechInsights)CYeednc

TeamGroup配备 16 GB DDR5 器件的 ELITE DDR5 UDIMM 包括 美光生产的DDR5 MT60B2G8HB–48B:A芯片(Y32A 裸片)。G.SKILL Trident Z5 DDR5 内存 F5–5600U3636C16GX2–TZ5K 包括三星 DDR5 K4RAH086VB–BCQK 器件(K4RAH046VB 芯片)。SK 海力士包括 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5–4800B 模块(H5CNAG8NM 芯片)。我们将裸片图像添加到上表以供参考。CYeednc

美光应用其 M-D1z 工艺技术节点,而三星和 SK 海力士采用 D1y 单元工艺(S-D1y 和 H-D1y)。因此,美光 (66.26 mm 2 ) 的 DDR5 裸片尺寸小于三星 (73.58 mm 2 ) 和 SK 海力士 的 (75.21 mm 2 )。CYeednc

与三星和 SK 海力士相比,美光在 DDR5 上的单元尺寸和存储密度方面有更大的进步。事实上,美光 M-D1z 工艺技术比三星和 SK 海力士的 D1y 工艺更先进,包括 15.9 nm DR、不含钨(W)材料的多晶硅/氮化钛(TiN)电池栅极、更小的活动(active)/字线/位线间距、先进的SNLP(Storage Node Landing Pad)工艺和 SN 电容器工艺和材料以及CuMn/Cu金属工艺。CYeednc

TechInsights 比较了 Micron、Samsung 和 SK 海力士 的 DDR4-3200 和 DDR5-4800 芯片的 DDR5 裸片尺寸、存储密度、DRAM 单元尺寸和 DR,如图 1 至图 4 所示。CYeednc

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 1 – 美光、三星和 SK 海力士  16GB DRAM 芯片尺寸的图形比较:DDR4-3200  DDR5-4800。(来源:TechInsightsCYeednc

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 2 – 美光、三星和 SK 海力士  16GB DRAM 存储密度的图形比较:DDR4-3200  DDR5-4800。(来源:TechInsightsCYeednc

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 3 – 美光、三星和 SK 海力士  16GB DRAM 单元尺寸的图形比较:DDR4-3200  DDR5-4800。(来源:TechInsightsCYeednc

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 4 – 美光、三星和 SK 海力士  16GB DRAM DR 的图形比较:DDR4-3200  DDR5-4800。(来源:TechInsightsCYeednc

所有芯片每个裸片都有 16 GB 的内存容量,因此比较起来就更容易。对于 16-GB DDR4–3200 芯片,美光和 SK 海力士 使用 D1z 工艺节点,而三星的 16GB DDR4 使用 S–D1x 节点。美光和三星的 DDR4–3200 芯片保留了相同的裸片尺寸和存储密度,而 SK 海力士将裸片尺寸增加了 40%,并将存储密度降低了 28%,原因是 DDR5 上使用了较旧的工艺节点(DDR4 的 H-D1z 与.H–D1y 用于 DDR5)。CYeednc

至于 DDR5 上的 DRAM 单元大小和单元 DR,美光保持 DDR4 单元大小,而三星将单元大小减少了 8.7%,DR 减少了 5%。另一方面,SK 海力士将单元大小增加了 11.8%,DR 增加了 5.7%。虽然今天的 DDR4 和 DDR5 的最高速度分别为 3.2 GB/s 和 4.8 GB/s,但 DDR5 的带宽在未来的迭代中将能够扩展到 8.4 GB/s。CYeednc

TechInsights 预计更先进和更具颠覆性的 DDR5 产品将在 2022 年和 2023 年上市,包括提供更高带宽和性能的产品,包括 24 GB 或 32 GB 甚至与 TSV DRAM 堆栈相结合的多裸片DDR5 器件的 DDR5–6400 芯片(> 50 GB/s @96 GB DIMM)。CYeednc

 制造商的目标是为 DDR 应用提供更高的密度、更高的容量、更高的速度、更高的能效和更好的可靠性。先进的 DDR5 技术已经在开发中,市场将继续增长,直到 2024 年末或 2025 年初下一代 DDR6 内存问世。CYeednc

关于DDR6内存的技术规格,数据传输速度将比DDR5提升一倍。例如,对于 DDR6–9600,JEDEC 模块可以以大约 9,600 MB/s 的速度运行。此外,DDR6 还将每个模块的内存通道数量增加一倍,并将四个 16 位通道组合在 64 个内存块中。CYeednc

原文发表于AspenCore旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:Comparing DDR5 Memory From Micron, Samsung, SK Hynix;Demi Xia编译

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