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DDR記憶體比較和概述

( 01 Aug 2008 )
Joaquin Romo, Freescale Semiconductor

電腦最重要的功能之一就是儲存大量資訊的能力，而和運算效能息息相關的部分，就是隨機存取記憶體(RAM)，保存可以直接和迅速存取的揮發性資訊。考慮到不斷升級的系統速度和效率需要，瞭解DDR記憶體對系統開發人員很重要。

隨著處理器速度的提高，RAM記憶體已經發展成為DDR同步動態RAM(SDRAM)的高效能RAM晶片組。透過在時脈迴圈的上升和下降沿提取資料，把處理速率提高了1倍。這與在時脈迴圈的單邊上提取資料的單倍數據速率(SDR)SDRAM形成了鮮明的對比。

除了眾所周知的電腦應用外，DDR記憶體還廣泛應用於其他高速、對記憶體提出很高要求的應用中，如圖形卡，需要在非常短的時間內處理大量資訊，以實現最佳圖形處理效率。採用刀鋒或專用主機板、由一個更高效電源供電的刀鋒式伺服器也需要快速記憶體存取，這使得刀鋒能夠在彼此間快速發射可靠資訊，以降低功耗。在一些網路和通訊應用中也需要記憶體元件，任務範圍從簡單的位址查詢到流量整形/警管和緩衝管理。本文介紹了DDR記憶體的主要功能以及各類DDR記憶體所需的電源規範。

DDR記憶體功能
DDR記憶體的主要優勢就是能夠同時在時脈迴圈的上升和下降緣提取資料，把給定時脈頻率的資料速率提高1倍。例如，在DDR200元件中，資料傳輸頻率為200 MHz，而總線速度則為100MHz。

DDR1、DDR2和DDR3記憶體的電壓分別為2.5、1.8和1.5V，因此與採用3.3V的正常SDRAM晶片組相比，它們在電源管理中產生的熱量更少，效率更高。延時性是DDR記憶體的另一功能，記憶體延時性可透過一系列數字體現，如用於DDR1的2-3-2-6-T1、3-4-4-8或2-2-2-5。這些數字表明記憶體進行某一操作所需的時脈脈衝數，數位越小，儲存越快。

這些數字代表的操作如下：CL-tRCD–tRP–tRAS–CMD。要理解它們，必須牢記記憶體被內部組織為一個矩陣，資料保存在行和列的交叉點。
�P CL：列位址選通脈衝(CAS)延遲，是從處理器發出資料記憶體請求到記憶體返回記憶體間的時間。
�P tRCD：行地址選通脈衝(RAS)到CAS的延遲，是啟動行(RAS)和啟動列(CAS)間的時間，其中，資料保存在矩陣中。
�P tRP：RAS預充電時間，是禁用資料行接入和開始另一行資料接入間的時間。
�P tRAS：啟動預充電延時，是在啟動下一次記憶體接入前記憶體必須等待的時間。
�P CMD：命令速率是儲存晶片啟動和向記憶體發送第一個命令間的時間。有時，該值不會公佈。它通常是T1(1個時脈速度)或T2(2個時脈速度)。

表1是在當今電腦中可以發現的RAM記憶體晶片組的時脈和傳輸速率的比較，包括SDR、DDR、DDR2和未來的DDR3模組。

DDR記憶體類型
目前，有三代DDR記憶體：
1. DDR1記憶體，400MHz最大速率時脈和64位元(8位元組)資料匯流排，現正逐漸過時，且不再批量生產。這一技術正採用新方式來實現RAM記憶體的更快速度/資料速率。
2. DDR2技術正以400MHz至800MHz的資料速率和64位元(8位元組)資料匯流排代替DDR。RAM製造商目前正大量生產的DDR2記憶體與上一代DDR記憶體不能物理相容。
3. DDR3技術拾起的正是DDR2遺忘的技術(800 Mbps頻寬)，並使速度達到1.6Gbps。ELPIDA已宣佈的一個晶片包含高達512兆的DDR3 SDRAM，8.75ns(CL7延遲)的列存取時間以及1.6 GHz時1.6 Gbps的資料傳輸速率。與DDR2記憶體相比，1.5V DDR3電壓電平還更省電。更有趣的是，在更低的1.36V上，DDR3 RAM在具有CL6延遲(總CAS時間為8.4 ns)的1.333 GHz(DDR3-1333)上運行正常，這可與目前最快DDR2記憶體的CAS時間相媲美。
圖1為DDR2/DDR3記憶體類型的片內終結器（ODT）與DDR1母板終結的比較，這也是為什麼前兩個類型與DDR1元件不能物理相容的主要原因。

DDR2與DDR3之比較
DDR2和DDR3模組的主要差異如下：
�P DDR2記憶體包括400 MHz、533 MHz、667 MHz和800 MHz版本，而DDR3記憶體包括800 MHz、1066 MHz、1333 MHz和1600 MHz版本。兩種類型都把給定時脈頻率的資料速率提高了1倍。因此，所列的時脈是標稱時脈，不是實際時脈。要想獲得實際時脈，用標稱時脈除以2就可以了。例如，DDR2-667記憶體實際運行在333 MHz上。
�P 除增強型頻寬外，DDR3還由於運行在1.5V上(比DDR2的1.8V低16.3%)而使用比DDR2更小的功率。DDR2和DDR3記憶體都具有省電功能，如更小的頁面以及一個活動的關機模式。這些功耗優勢使得DDR3記憶體特別適合筆記型電腦、伺服器和低功率移動應用。
�P 輸出資料緩衝器新推出的自動校準功能增強了在電壓和溫度波動期間控制系統定時預算的能力。這種功能有助於實現強勁的、高效能的運算，而這正是DDR3架構的主要優勢之一。
�P DDR3元件推出中斷重定功能，實現了系統彈性。
�P 在DDR2記憶體中，CL參數(記憶體延時提交所需資料的時間)可以有3至5個時脈迴圈，而在DDR3記憶體上，CL可以是5至10個時脈迴圈。
�P 在DDR2記憶體中，根據晶片不同，有0至5個時脈迴圈的額外延遲(AL)。因此，在具有CL4的DDR2記憶體中，AL1延遲為5。
�P DDR2記憶體擁有等於讀延遲(CL+AL)減1的寫延遲。
�P 從內部來說，DDR2記憶體內的控制器透過從儲存區(稱為預取任務)預載入4個資料位元進行工作，而DDR3記憶體內的控制器則透過提前載入8個位進行工作。

DDR的典型電源要求
終結電壓(VTT)電源必須以一半輸出電壓(1/2 VDDQ)汲取和供應電流。這意味著，如果電源沒有允許供應電流的分流器，就不能使用標準的切換電源。由於每條資料線路都與具有相對較低抗阻的VTT相連，因此這一電源必須極其穩定。電源中的任何噪音都直接進入資料線路。

必須提供充足的BULK和旁路電容，以便把該電源保持在1/2 VDDQ上。相同的噪音問題要求電壓參考(VREF)訊號不能來自VTT，而必須來自具有1%或更好電阻分壓器的VDDQ。不要嘗試用一個分壓器產生VREF，並把它從控制器路由到記憶體元件。在每個元件上產生一個本地VREF。使用離散電阻器產生VREF，不要使用封裝電阻。

DDR記憶體電源管理
DDR1記憶體有一個推拉輸出緩衝器，而輸入接收器是一個需要參考偏移中點VREF的微分級。因此，它要求一個能夠供應和汲取電流的輸入電壓終結。此功能把DDR VTT從出現在電腦母板上的其他終結區分開來。由於其正軌終結，連接CPU與記憶體通道控制中心(MCH)的前置系統匯流排(FSB)終結只需要接收功能。因此，這種DDR VTT終結不會重新使用或調節以前的VTT終結架構，而要求新設計。圖2顯示DDR1記憶體的典型電源管理配置。

在驅動晶片組的任何輸出緩衝器和記憶體模組上的相應輸入接收器之間，您必須終結電阻器RT和RS的路由痕跡(圖2)。所有抗阻，包括輸出緩衝器，每條終結線路都可以供應或汲取±16.2 mA的電流(根據2000年6月的JESD79修訂，這比以前的值±15.2mA大)。對於那些在發射器和接收器間有較長追蹤長度的系統來說，可能必須在兩端終結線路，從而把電流提高一倍。

VTT和VDDQ的峰值和平均電流消耗是正確確定電源系統規模的兩個參數，要達到終結電壓的峰值功率要求，我們必須決定記憶體系統中的通用匯流排。

電源順序違反
DDR記憶體必須以特定方式接通電源。任何違反通電順序的行為都將導致意外操作。此外，當需要關閉DDR元件，而所有與同一電源連接的其他元件都不關閉時，斷電順序也作為省電工具。違反這些順序將出現不良省電後果。

DDRx記憶體的典型應用
市場分析顯示，DDR目前已應用於超過50%的電子系統中，並且未來幾年其應用還將提高到80%。DDR現在不會，將來也決不會成為“ALL THINGS TO ALL DESIGNS”技術。DDR記憶體很適合於那些具有高讀寫比率的設計。例如，4倍數據速率記憶體就旨在用於需要50%讀/寫比率的應用。

當今，DDR記憶體主要用於雙列直插儲存模組(DIMM)RAM元件中的電腦應用。在與32位元微控制器和DSP進行介面時，可採用DDR記憶體。由於很多記憶體都用64位元資料匯流排進行工作，微控制器必須進行雙資料擷取，以便先獲得不太重要的32位，後獲得更重要的32位。DDR記憶體還一直用於與FPGA進行介面，從而給予這些元件廣泛的編程彈性。FPGA常用於客製化結合了眾多數位模組的應用，如具有特定應用硬體、USB控制器和列印模組的微控制器。FPGA還常發現專門作為儲存控制器使用，以便與其他元件進行介面。DDR記憶體適合這些類型的元件，因為與其他RAM記憶體相比，它不但快速而且經濟。

根據設計特性選擇記憶體
要保持競爭優勢，您必須創造出能夠充分利用當今先進技術的新設計。要瞭解具體設計應用挑戰的最佳解決方案，必須進行大量的研究，權衡技術(如DDR記憶體)的優勢，並把它們融入新產品開發過程中。本文簡明扼要地介紹了DDR記憶體，描述DDR與其他記憶體的不同，是為特定需求選擇最佳解決方案的良好開端。

參考資料
�P 2000年6月的JEDEC STANDARD JESD79以及1998年9月的JESD8-9。
�P Understanding Ram Timings (Article)
www.hardwaresecrets.com/article/26/1
�P DDR Memories require efficient power management. (Article)
powerelectronics.com/mag/power_ddr_memories_require/
�P ELPIDA 1 Gb DDR2 SDRAM記憶體產品說明書

作者簡介
Joaquin Romo是一名電源管理和發動機控制應用部門的應用工程師，主管新電源管理產品的功能描述，開發消費電子市場的應用注意事項和評估板。

Click here for the illustrations:

Figure 1, Figure 2, Table 1, Table 2

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