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2024-08-21
使用新的 DRAM 進(jìn)步來提高嵌入式系統(tǒng)的性能
來源：新能源汽車網(wǎng)
時(shí)間：2023-04-03 16:04:34
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使用新的 DRAM 進(jìn)步來提高嵌入式系統(tǒng)的性能 對于主流內(nèi)存，這條路已經(jīng)規(guī)劃好了，也走過了。從快速頁面 (FP) 模式和擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出 (EDO) 到 SDR、DDR 和 DD
對于主流內(nèi)存，這條路已經(jīng)規(guī)劃好了，也走過了。從快速頁面 (FP) 模式和擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出 (EDO) 到 SDR、DDR 和 DDR2，演變帶來了先進(jìn)的架構(gòu)、更快的速度、更高的密度和帶寬，以及更低的電源電壓和功耗。這些重大進(jìn)步共同推動(dòng) DRAM 和計(jì)算細(xì)分市場達(dá)到更高的性能水平。
DRAM 技術(shù)的進(jìn)步伴隨著多核處理器、新操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，以及對許多不同計(jì)算平臺(tái)和應(yīng)用程序（例如服務(wù)器、工作站、大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)、超級計(jì)算機(jī)、PC 和外圍設(shè)備）的日益不同的要求。隨著從一代內(nèi)存到下一代內(nèi)存的每次過渡，內(nèi)存注意事項(xiàng)變得更加復(fù)雜。
向 DDR3 的過渡也不例外。但是，通過清楚地了解主存儲(chǔ)器的發(fā)展歷程和權(quán)衡取舍，設(shè)計(jì)人員可以選擇能滿足其平臺(tái)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序需求的高性能存儲(chǔ)設(shè)備。
通過使用與系統(tǒng)時(shí)鐘同步的 DRAM 時(shí)鐘引腳，可以實(shí)現(xiàn)比異步存儲(chǔ)器更高的數(shù)據(jù)速率。
2000年，DDR SDRAM推向市場。DDR 技術(shù)通過在時(shí)鐘周期的上升沿和下降沿傳輸數(shù)據(jù)來使 SDR 數(shù)據(jù)速率加倍。使用 DDR，每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸 2 位（每條數(shù)據(jù)線）（而不是使用 SDR 的 1 位）。
為此，在每個(gè)時(shí)鐘周期為每條數(shù)據(jù)線從存儲(chǔ)器陣列訪問 2 位。這個(gè)過程稱為2-word或2n-prefetch（這里的時(shí)鐘周期是指內(nèi)存陣列的周期時(shí)間，內(nèi)存陣列的頻率是I/O 緩沖器的一半和數(shù)據(jù)速率的四分之一。） . 預(yù)取有助于以進(jìn)化的速度提高速度，提高產(chǎn)量和性能。
DDR2 SDRAM 的功能與 DDR SDRAM 非常相似，但具有可實(shí)現(xiàn)更快速度的新功能，并且 DDR3 在 DDR2 停止的地方起飛。
DDR 具有 2n 預(yù)取，DDR2 具有 4n 預(yù)取，而 DDR3 具有 8n 預(yù)取。DDR3 的內(nèi)部數(shù)據(jù)周期時(shí)間是外部時(shí)鐘速率的八分之一，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度是外部數(shù)據(jù)總線寬度的 8 倍。使用 DDR3，在每個(gè)內(nèi)核時(shí)鐘周期，每條數(shù)據(jù)線將 8 位數(shù)據(jù)從內(nèi)存陣列移動(dòng)到 I/O 緩沖區(qū)。
其他帶寬增強(qiáng)功能包括較低的 RTT（終端電阻）值以支持更高的數(shù)據(jù)速率。DDR2 值從 50 歐姆開始，而 DDR3 值從 20 歐姆開始。
DDR3 提供了一系列技術(shù)改進(jìn)，強(qiáng)調(diào)更快的速度和改進(jìn)的性能。DDR3 設(shè)備專為高速信號傳輸而設(shè)計(jì)。具有更多功率和接地球的改進(jìn)引腳排列可提供更好的功率傳輸。
改進(jìn)的電源和滾球分配與改進(jìn)的信號參考相結(jié)合，以提高信號質(zhì)量。DDR3 D/Qarray 減少了 D/Q 偏斜并收緊了 D/Q 時(shí)序。完全填充的球柵提高了機(jī)械可靠性。
由于 DDR3 的帶寬是 DDR2 的兩倍，因此 DDR3 的速度會(huì)在 DDR2 停止的地方上升。DDR3 速度從 800Mbps 開始，可達(dá) 1,600Mbps。當(dāng)考慮到 64 位總線帶寬時(shí)，DDR3 達(dá)到 6,400-12,800 Mtransfers/s 的速度。
DDR3 的電源電壓已降至 1.5V，與標(biāo)準(zhǔn) 1.8V DDR2 相比降低了不到 20%。這對于移動(dòng)計(jì)算等較低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用尤為重要。在功率比性能更重要的移動(dòng)計(jì)算應(yīng)用中，節(jié)能 15-20% 意義重大。DDR3 的低功耗同樣有利于筆記本電腦應(yīng)用。
與 DDR2 的 18 歐姆驅(qū)動(dòng)器相比，DDR3 的 34 歐姆驅(qū)動(dòng)器針對每通道兩個(gè)模塊和點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。DDR3SDRAM 驅(qū)動(dòng)器還通過電容減少、動(dòng)態(tài)片上終端 (ODT) 和新的校準(zhǔn)方案得到增強(qiáng)。
為了減少組合輸出驅(qū)動(dòng)器/終端驅(qū)動(dòng)器的輸入電容，DDR3 實(shí)現(xiàn)了合并驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)程序使用相同的上拉和下拉驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)的組合來啟用多個(gè)終止值。
事實(shí)上，合并驅(qū)動(dòng)器顯著的優(yōu)勢是它能夠通過重復(fù)使用這些結(jié)構(gòu)來減少電容——這是與 DDR2 的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別，DDR2 對輸出驅(qū)動(dòng)器和終端驅(qū)動(dòng)器阻抗使用單獨(dú)的結(jié)構(gòu)。
新特性
DDR3 的新動(dòng)態(tài) ODT 特性可以靈活地針對不同負(fù)載條件優(yōu)化終止值，從而提高信號完整性。
它還提供了一種管理終端功耗的方法。動(dòng)態(tài) ODT 使 DDR3 設(shè)備能夠在向不同模塊發(fā)出的寫入命令之間無縫更改終端值。這是 DDR2 系統(tǒng)不具備的功能，DDR2 系統(tǒng)需要總線空閑時(shí)間來更改同一設(shè)備上的終止值。
主重置是 DDR3 的一項(xiàng)新功能。此功能通過消除未知的啟動(dòng)狀態(tài)并確保已知的初始化和恢復(fù)狀態(tài)來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。這消除了控制器確保沒有給出非法命令的負(fù)擔(dān)。
這個(gè)新功能可以清除 DDR3 內(nèi)存設(shè)備中的所有狀態(tài)信息，而無需單獨(dú)重置每個(gè)控制寄存器或關(guān)閉設(shè)備電源。當(dāng)使設(shè)備進(jìn)入已知狀態(tài)時(shí)，這可以節(jié)省時(shí)間和電力。DDR3 重置適用于冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)。
DDR3 初針對計(jì)算和圖形密集型應(yīng)用程序，例如高端臺(tái)式 PC 和工作站，在這些應(yīng)用程序中必須處理大量信息以創(chuàng)建栩栩如生的圖像以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。其附加和寫入延遲方案還將提高服務(wù)器應(yīng)用程序中的命令總線效率。
該領(lǐng)域的 DDR3 需求明年可能會(huì)開始增長。筆記本電腦對 DDR3 的需求明年也有望加速增長，這主要是因?yàn)槠漭^低的系統(tǒng)功率需求。
DRAM 技術(shù)的進(jìn)步伴隨著多核處理器、新操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，以及對許多不同計(jì)算平臺(tái)和應(yīng)用程序（例如服務(wù)器、工作站、大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)、超級計(jì)算機(jī)、PC 和外圍設(shè)備）的日益不同的要求。隨著從一代內(nèi)存到下一代內(nèi)存的每次過渡，內(nèi)存注意事項(xiàng)變得更加復(fù)雜。
向 DDR3 的過渡也不例外。但是，通過清楚地了解主存儲(chǔ)器的發(fā)展歷程和權(quán)衡取舍，設(shè)計(jì)人員可以選擇能滿足其平臺(tái)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序需求的高性能存儲(chǔ)設(shè)備。
在 DDR 技術(shù)出現(xiàn)之前，就有了 SDR 技術(shù)。而在SDR之前，有FP/EDO內(nèi)存，數(shù)據(jù)是異步傳輸?shù)?，所以沒有數(shù)據(jù)/地址/命令信號所參考的時(shí)鐘信號。SDR 技術(shù)通過提供這些信號所參考的時(shí)鐘輸入改進(jìn)了這一點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿（低到高轉(zhuǎn)換）傳輸。
通過使用與系統(tǒng)時(shí)鐘同步的 DRAM 時(shí)鐘引腳，可以實(shí)現(xiàn)比異步存儲(chǔ)器更高的數(shù)據(jù)速率。
2000年，DDR SDRAM推向市場。DDR 技術(shù)通過在時(shí)鐘周期的上升沿和下降沿傳輸數(shù)據(jù)來使 SDR 數(shù)據(jù)速率加倍。使用 DDR，每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸 2 位（每條數(shù)據(jù)線）（而不是使用 SDR 的 1 位）。
為此，在每個(gè)時(shí)鐘周期為每條數(shù)據(jù)線從存儲(chǔ)器陣列訪問 2 位。這個(gè)過程稱為2-word或2n-prefetch（這里的時(shí)鐘周期是指內(nèi)存陣列的周期時(shí)間，內(nèi)存陣列的頻率是I/O 緩沖器的一半和數(shù)據(jù)速率的四分之一。） . 預(yù)取有助于以進(jìn)化的速度提高速度，提高產(chǎn)量和性能。
DDR2 SDRAM 的功能與 DDR SDRAM 非常相似，但具有可實(shí)現(xiàn)更快速度的新功能，并且 DDR3 在 DDR2 停止的地方起飛。
DDR 具有 2n 預(yù)取，DDR2 具有 4n 預(yù)取，而 DDR3 具有 8n 預(yù)取。DDR3 的內(nèi)部數(shù)據(jù)周期時(shí)間是外部時(shí)鐘速率的八分之一，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度是外部數(shù)據(jù)總線寬度的 8 倍。使用 DDR3，在每個(gè)內(nèi)核時(shí)鐘周期，每條數(shù)據(jù)線將 8 位數(shù)據(jù)從內(nèi)存陣列移動(dòng)到 I/O 緩沖區(qū)。
其他帶寬增強(qiáng)功能包括較低的 RTT（終端電阻）值以支持更高的數(shù)據(jù)速率。DDR2 值從 50 歐姆開始，而 DDR3 值從 20 歐姆開始。
DDR3 提供了一系列技術(shù)改進(jìn)，強(qiáng)調(diào)更快的速度和改進(jìn)的性能。DDR3 設(shè)備專為高速信號傳輸而設(shè)計(jì)。具有更多功率和接地球的改進(jìn)引腳排列可提供更好的功率傳輸。
改進(jìn)的電源和滾球分配與改進(jìn)的信號參考相結(jié)合，以提高信號質(zhì)量。DDR3 D/Qarray 減少了 D/Q 偏斜并收緊了 D/Q 時(shí)序。完全填充的球柵提高了機(jī)械可靠性。
由于 DDR3 的帶寬是 DDR2 的兩倍，因此 DDR3 的速度會(huì)在 DDR2 停止的地方上升。DDR3 速度從 800Mbps 開始，可達(dá) 1,600Mbps。當(dāng)考慮到 64 位總線帶寬時(shí)，DDR3 達(dá)到 6,400-12,800 Mtransfers/s 的速度。
DDR3 的電源電壓已降至 1.5V，與標(biāo)準(zhǔn) 1.8V DDR2 相比降低了不到 20%。這對于移動(dòng)計(jì)算等較低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用尤為重要。在功率比性能更重要的移動(dòng)計(jì)算應(yīng)用中，節(jié)能 15-20% 意義重大。DDR3 的低功耗同樣有利于筆記本電腦應(yīng)用。
與 DDR2 的 18 歐姆驅(qū)動(dòng)器相比，DDR3 的 34 歐姆驅(qū)動(dòng)器針對每通道兩個(gè)模塊和點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。DDR3SDRAM 驅(qū)動(dòng)器還通過電容減少、動(dòng)態(tài)片上終端 (ODT) 和新的校準(zhǔn)方案得到增強(qiáng)。
為了減少組合輸出驅(qū)動(dòng)器/終端驅(qū)動(dòng)器的輸入電容，DDR3 實(shí)現(xiàn)了合并驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)程序使用相同的上拉和下拉驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)的組合來啟用多個(gè)終止值。
事實(shí)上，合并驅(qū)動(dòng)器顯著的優(yōu)勢是它能夠通過重復(fù)使用這些結(jié)構(gòu)來減少電容——這是與 DDR2 的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別，DDR2 對輸出驅(qū)動(dòng)器和終端驅(qū)動(dòng)器阻抗使用單獨(dú)的結(jié)構(gòu)。
新特性
DDR3 的新動(dòng)態(tài) ODT 特性可以靈活地針對不同負(fù)載條件優(yōu)化終止值，從而提高信號完整性。
它還提供了一種管理終端功耗的方法。動(dòng)態(tài) ODT 使 DDR3 設(shè)備能夠在向不同模塊發(fā)出的寫入命令之間無縫更改終端值。這是 DDR2 系統(tǒng)不具備的功能，DDR2 系統(tǒng)需要總線空閑時(shí)間來更改同一設(shè)備上的終止值。
主重置是 DDR3 的一項(xiàng)新功能。此功能通過消除未知的啟動(dòng)狀態(tài)并確保已知的初始化和恢復(fù)狀態(tài)來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。這消除了控制器確保沒有給出非法命令的負(fù)擔(dān)。
這個(gè)新功能可以清除 DDR3 內(nèi)存設(shè)備中的所有狀態(tài)信息，而無需單獨(dú)重置每個(gè)控制寄存器或關(guān)閉設(shè)備電源。當(dāng)使設(shè)備進(jìn)入已知狀態(tài)時(shí)，這可以節(jié)省時(shí)間和電力。DDR3 重置適用于冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)。
DDR3 初針對計(jì)算和圖形密集型應(yīng)用程序，例如高端臺(tái)式 PC 和工作站，在這些應(yīng)用程序中必須處理大量信息以創(chuàng)建栩栩如生的圖像以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。其附加和寫入延遲方案還將提高服務(wù)器應(yīng)用程序中的命令總線效率。
該領(lǐng)域的 DDR3 需求明年可能會(huì)開始增長。筆記本電腦對 DDR3 的需求明年也有望加速增長，這主要是因?yàn)槠漭^低的系統(tǒng)功率需求。
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