内存发展历史及未来趋势

内存发展历史及未来趋势

作为PC不可缺少的重要核心部件——内存，它伴随着DIY硬件走过了多年历程。从286时代的30pin SIMM内存、486时代的72pin SIMM 内存，到Pentium时代的EDODRAM内存、PII时代的SDRAM内存，到P4时代的DDR内存和目前9X5

平台的DDR2内存。内存从规格、技术、总线带宽等不断更新换代。不过我们

有理由相信，内存的更新换代可谓万变不离其宗，其目的在于提高内存的带宽，以满足CPU不断攀升的带宽要求、避免成为高速CPU运算的瓶颈。那么，内存

在PC领域有着怎样的精彩人生呢？下面让我们一起来了解内存发展的历史吧。

一、历史起源——内存条概念

如果你细心的观察，显存（或缓存）在目前的DIY硬件上都很容易看到，显卡

显存、硬盘或光驱的缓存大小直接影响到设备的性能，而寄存器也许是最能代

表PC硬件设备离不开RAM的，的确如此，如果没有内存，那么PC将无法运转，所以内存自然成为DIY用户讨论的重点话题。

在刚刚开始的时候，PC上所使用的内存是一块块的IC，要让它能为PC服务，

就必须将其焊接到主板上，但这也给后期维护带来的问题，因为一旦某一块内

存IC坏了，就必须焊下来才能更换，由于焊接上去的IC不容易取下来，同时加上用户也不具备焊接知识（焊接需要掌握焊接技术，同时风险性也大），这似

乎维修起来太麻烦。

因此，PC设计人员推出了模块化的条装内存，每一条上集成了多块内存IC，同

时在主板上也设计相应的内存插槽，这样内存条就方便随意安装与拆卸了（如

图1），内存的维修、升级都变得非常简单，这就是内存“条”的来源。

图1，内存条与内存槽的出现

内存(Random Access Memory，RAM)的主要功能是暂存数据及指令。我们可以

同时写数据到RAM 内存，也可以从RAM 读取数据。由于内存历来都是系统中

最大的性能瓶颈之一，因此从某种角度而言，内存技术的改进甚至比CPU 以及

其它技术更为令人激动

二、开山鼻祖——SIMM 内存

在80286主板发布之前，内存并没有被世人所重视，这个时候的内存是直接固

化在主板上，而且容量只有64 ～256KB，对于当时PC所运行的工作程序来说，这种内存的性能以及容量足以满足当时软件程序的处理需要。不过随着软件程

序和新一代80286硬件平台的出现，程序和硬件对内存性能提出了更高要求，

为了提高速度并扩大容量，内存必须以独立的封装形式出现，因而诞生了前面

我们所提到的“内存条”概念。

在80286主板刚推出的时候，内存条采用了SIMM（Single In-lineMemory Modules，单边接触内存模组）接口，容量为30pin、256kb，必须是由8 片数据位和1 片校验位组成1 个bank，正因如此，我们见到的30pin SIMM一般是四

条一起使用。自1982年PC进入民用市场一直到现在，搭配80286处理器的

30pin SIMM 内存是内存领域的开山鼻祖（如图2）。

图2，30pin SIMM 内存

随后，在1988 ～1990 年当中，PC 技术迎来另一个发展高峰，也就是386和

486时代，此时CPU 已经向16bit 发展，所以30pin SIMM 内存再也无法满足需求，其较低的内存带宽已经成为急待解决的瓶颈，所以此时72pin SIMM 内存出

现了（如图3），72pin SIMM支持32bit快速页模式内存，内存带宽得以大幅度提升。72pin SIMM内存单条容量一般为512KB ～2MB，而且仅要求两条同时使用，由于其与30pin SIMM 内存无法兼容，因此这个时候PC业界毅然将30pin SIMM 内存淘汰出局了。

图3，72pin SIMM内存

72线的SIMM内存引进了一个FP DRAM（又叫快页内存），在386时代很流行。因为DRAM需要恒电流以保存信息，一旦断电，信息即丢失，其刷新频率每秒

钟可达几百次，但由于FP DRAM使用同一电路来存取数据，所以DRAM的存取

时间有一定的时间间隔，这导致了它的存取速度并不是很快。另外，在DRAM 中，由于存储地址空间是按页排列，所以当访问某一页面时，切换到另一页面

会占用CPU额外的时钟周期。

三、徘徊不前——EDO DRAM内存

EDO DRAM（Extended Date Out RAM，外扩充数据模式存储器）内存，这是

1991 年到1995 年之间盛行的内存条，EDO-RAM同FP DRAM极其相似，它取消

了扩展数据输出内存与传输内存两个存储周期之间的时间间隔，在把数据发送

给CPU的同时去访问下一个页面，故而速度要比普通DRAM快15~30%。工作

电压为一般为5V，带宽32bit，速度在40ns以上，其主要应用在当时的486及

早期的Pentium电脑上（如图4）。

图4，不同规格的EDO DRAM内存

在1991 年到1995 年中，让我们看到一个尴尬的情况，那就是这几年内存技术发展比较缓慢，几乎停滞不前，所以我们看到此时EDO RAM有72 pin和168 pin并存的情况，事实上EDO 内存也属于72pin SIMM 内存的范畴，不过它采用了全新的寻址方式。EDO 在成本和容量上有所突破，凭借着制作工艺的飞速发展，此时单条EDO 内存的容量已经达到4 ～16MB 。由于Pentium及更高级别的CPU数据总线宽度都是64bit甚至更高，所以EDO RAM与FPM RAM都必须成对使用（如图5）。

图5，EDO DRAM内存

四、一代经典——SDRAM 内存

自Intel Celeron系列以及AMD K6处理器以及相关的主板芯片组推出后，EDO DRAM内存性能再也无法满足需要了，内存技术必须彻底得到个革新才能满足

新一代CPU架构的需求，此时内存开始进入比较经典的SDRAM时代。

第一代SDRAM 内存为PC66 规范（如图6），但很快由于Intel 和AMD的频率

之争将CPU外频提升到了100MHz，所以PC66内存很快就被PC100内存取代

（如图7），接着133MHz 外频的PIII以及K7时代的来临，PC133规范也以相

同的方式进一步提升SDRAM 的整体性能，带宽提高到1GB/sec以上（如图8）。由于SDRAM 的带宽为64bit，正好对应CPU 的64bit 数据总线宽度，因此它只

需要一条内存便可工作，便捷性进一步提高。在性能方面，由于其输入输出信

号保持与系统外频同步，因此速度明显超越EDO 内存。

图6，PC66 SDRAM内存

图7，PC100 SDRAM内存

图8，PC133 SDRAM内存

不可否认的是，SDRAM 内存由早期的66MHz，发展后来的100MHz、133MHz，尽管没能彻底解决内存带宽的瓶颈问题，但此时CPU超频已经成为DIY用户永恒的话题，所以不少用户将品牌好的PC100品牌内存超频到133MHz使用以获得CPU超频成功，值得一提的是，为了方便一些超频用户需求，市场上出现了一些PC150、PC166规范的内存(如图9)。

图9，PC150 SDRAM内存

五、曲高和寡——Rambus DRAM内存

尽管SDRAM PC133内存的带宽可提高带宽到1064MB/S，加上Intel已经开始着手最新的Pentium 4计划，所以SDRAM PC133内存不能满足日后的发展需求，此时，Intel为了达到独占市场的目的，与Rambus联合在PC市场推广Rambus DRAM内存（称为RDRAM内存）。与SDRAM不同的是，其采用了新一代高速简单内存架构，基于一种类RISC(Reduced Instruction Set Computing，精简指令

集计算机)理论，这个理论可以减少数据的复杂性，使得整个系统性能得到提高（如图10）。

图10，Rambus DRAM内存

在AMD与Intel的竞争中，这个时候是属于频率竞备时代，所以这个时候CPU 的主频在不断提升，Intel为了盖过AMD，推出高频PentiumⅢ以及Pentium 4 处理器，因此Rambus DRAM内存是被Intel看着是未来自己的竞争杀手剑，Rambus DRAM内存以高时钟频率来简化每个时钟周期的数据量，因此内存带宽相当出色，如PC 1066 1066 MHz 32 bits带宽可达到4.2G Byte/sec，Rambus DRAM曾一度被认为是Pentium 4 的绝配。

尽管如此，Rambus RDRAM 内存生不逢时，后来依然要被更高速度的DDR“掠夺”其宝座地位，在当时，PC600、PC700的Rambus RDRAM 内存因出现

Intel820 芯片组“失误事件”、PC800 Rambus RDRAM因成本过高而让Pentium 4平台高高在上（如图11），无法获得大众用户拥戴，种种问题让Rambus RDRAM胎死腹中，Rambus曾希望具有更高频率的PC1066 规范RDRAM来力挽狂澜，但最终也是拜倒在DDR 内存面前。

图11，PC800 Rambus RDRAM内存

六、再续经典——DDR内存

DDR SDRAM(Dual Date Rate SDRAM)简称DDR，也就是“双倍速率SDRAM“的意思。DDR可以说是SDRAM的升级版本， DDR在时钟信号上升沿与下降沿各传

输一次数据，这使得DDR的数据传输速度为传统SDRAM的两倍。由于仅多采

用了下降缘信号，因此并不会造成能耗增加。至于定址与控制信号则与传统SDRAM相同，仅在时钟上升缘传输。

DDR 内存是作为一种在性能与成本之间折中的解决方案，其目的是迅速建立起

牢固的市场空间，继而一步步在频率上高歌猛进，最终弥补内存带宽上的不足。第一代DDR200 规范并没有得到普及，第二代PC266 DDR SRAM（133MHz时钟

×2倍数据传输＝266MHz带宽）是由PC133 SDRAM内存所衍生出的，它将

DDR 内存带向第一个高潮，目前还有不少赛扬和AMD K7处理器都在采用

DDR266规格的内存（如图12），其后来的DDR333内存也属于一种过度（如图13），而DDR400内存成为目前的主流平台选配（如图14），双通道DDR400

内存已经成为800FSB处理器搭配的基本标准，随后的DDR533 规范则成为超频

用户的选择对象（如图15）。

图12，DDR266内存

图13，DDR333内存

图14，DDR400内存

图15，DDR533内存

七、再续经典二——DDR2内存

随着CPU 性能不断提高，我们对内存性能的要求也逐步升级。不可否认，紧紧依高频率提升带宽的DDR迟早会力不从心，因此JEDEC 组织很早就开始酝酿DDR2 标准，加上LGA775接口的915/925以及最新的945等新平台开始对DDR2内存的支持，所以DDR2内存将开始演义内存领域的今天。

DDR2 能够在100MHz 的发信频率基础上提供每插脚最少400MB/s 的带宽，而且其接口将运行于1.8V 电压上，从而进一步降低发热量，以便提高频率。此外，DDR2 将融入CAS、OCD、ODT 等新性能指标和中断指令，提升内存带宽的利用率。从JEDEC组织者阐述的DDR2标准来看，针对PC等市场的DDR2内存

将拥有400、533、667MHz等不同的时钟频率（如图16）。高端的DDR2内存将拥有800、1000MHz两种频率。DDR-II内存将采用200-、220-、240-针脚的FBGA封装形式。最初的DDR2内存将采用0.13微米的生产工艺，内存颗粒的电压为1.8V，容量密度为512MB。

图16，DDR2 533内存

八、今日之星——DDR3内存

内存芯片的不断发展，系统的不断演变，DDR3内存早已成为市场的主流，如今低频率内存已不能满足高端处理器对内存带宽的需求，不能满足更高带宽的平台的使用，高频率1600内存孕育而生。从技术指标上看，DDR3内存超频潜质极佳，且价格相当诱人，选配高端平台的朋友绝对是不容错过之选。

提升带宽是DDR3内存的核心使命

这一点无疑是DDR3最为突出的PC使命，简单地说，DDR3面世就是为了进一步地提升内存带宽，为FSB越来越高的CPU提供足够的匹配指标。DDR2内存其频率需要可以达到1066MHz这样的极端频率，但它的良率及成本都不理想，这种玩家级的产品没法进入到市场主流。

提升带宽是DDR3内存的核心使命

要用低成本切入到更高的频率的话，新一代的解决方案必将出台，这就是DDR3内存了。从技术指标上看，DDR3内存的起跑频率就已经是在1066MHz了，尽管延时参数方面没法与DDR2内存相抗衡，但是将来推出的1600/2000MHz产品的内存带宽肯定大幅度抛离DDR2内存，以DDR3 2000MHz为例，其带宽可以达到16GB/s（双通道内存方案则可以达到32GB/s的理论带宽值），所以将来DDR3内存肯定成为用户唯一的高带宽选择。

DDR3内存提升频率的关键技术

其实DDR3内存提升有效频率的关键依然是旧招数，就是提高预取设计位数，这与DDR2采用的提升频率的方案是类似的。我们知道，DDR2的预取设计位数是4Bit，也就是说DRAM内核的频率只有接口频率的1/4，所以DDR2-800内存的核心工作频率为200MHz的，而DDR3内存的预取设计位数提升至8Bit，其DRAM内核的频率达到了接口频率的1/8，如此一来同样运行在200MHz核心工作频率的DRAM内存就可以达到1600MHz的等值频率，这种“翻倍”的效果在DDR3上依然非常有效。

降低功耗为业界造福

如果说2006年是CPU双核元年的话，那么2007年则可以说是PC的功耗年，因为本年有太多关系功耗性能比的宣传，从环保角度去看，降低功耗对业界是有着实实在在的贡献的，全球的PC每年的耗电量相当惊人，即使是每台PC减低1W的幅度，其省电量都是非常可观的。

降低功耗为业界造福

DDR3内存在达到高带宽的同时，其功耗反而可以降低，其核心工作电压从DDR2的1.8V降至1.5V，相关数据预测DDR3将比现时DDR2节省30%的功耗，当然发热量我们也不需要担心。就带宽和功耗之间作个平衡，对比现有的DDR2-800产品，DDR3-800、1066及1333的功耗比分别为0.72X、0.83X及

0.95X，不但内存带宽大幅提升，功耗表现也比上代更好。

DDR3 1600 4G/8G内存

下一代内存技术发展趋势

JEDEC正式宣布了下一代DDR4内存的发展蓝图，与之前的升级路线类似，

DDR4将继承DDR体系技术升级平滑、低成本过渡的特点，同时性能也将在现

行DDR3基础上提升一倍！如DDR3体系中的最高标准DDR3-1600数据频率为

1.6GHz，每个信号引脚可提供1.8Gbps的传输率，而DDR4将达到3.2GHz（也

就是对应DDR4-3200），每引脚提供3.2Gbps的卓越效能。根据JEDEC的规划，DDR4内存将在2009年推出样品，并将于2010年或2011年正式推向市场，届

时DDR3内存将退出舞台。

（JEDEC即固态技术协会是微电子产业的领导标准机构。在过去50余年的时间里，JEDEC所制定的标准为全行业所接受和采纳。作为一个全球性组织，JEDEC

的会员构成是跨国性的。JEDEC 不隶属于任何一个国家或政府实体。）

为了实现高频运作，DDR4体系的预取机制将达到DDR3的两倍、也就是16bit ——这个数字与XDR2相同，两者的数据频率都相当于核心频率的16倍！其他的技术规格也都是在DDR3基础上进一步发展，譬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：其一是传统的SE （Single-ended Signaling）单端信号，另一个方案就是Differential Signaling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，对外界干扰就越为敏感，传统SE信号对于干扰几乎没有任何免疫力。

差分信号技术是利用两条线路来传送一个信号，通过电压差的决定信号所表达的数值，具有很强的抗干扰能力——采用SE信号的DDR4内存最高可达到

3.2Gbps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。

遗憾的是，由于SE信号与差分信号不可能兼容，两种DDR4内存无法在物理上做到兼容，换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上，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，Micron与三星公司在此继续扮演核心角色，其中Micron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。

尽管DDR4在理论上可以获得超高数据传输率，但在实际部署中却需要面对一些严峻的问题，尤其是PCB布线的高难度会让主板厂商大为头疼。我们知道，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、对应128条数据线；由于总线频率将高达3.2GHz，并行信号到达终点的误差时间就必须被控制在很低的水平上——对应在PCB设计上，就是要求128条数据线的长度高度一致，尺寸误差微乎其微，即便主板厂商通过更新制造设备达到要求，也会导致高昂的成本。Rambus的XDR体系其实也有类似问题，但是Rambus发展出FlexPhase电路技术巧妙地解决了这一难题，而DDR4迄今为止尚未有理想的解决方案。从这一层面上讲，DDR4在技术上并没有比Rambus在2005年发布的XDR2内存先进。

JEDEC未来还要面对的问题就是Rambus公司的专利壁垒，显然，DDR4与XDR 体系存在诸多技术上的雷同，发起专利诉讼是Rambus的拿手好戏——Rambus 只是一家很小的技术型企业，但它却可以独立对抗由内存工业组成的JEDEC，无论是英特尔、IBM还是三星，若能够成功收购Rambus，都将有机会改变内存工业的游戏规则

DDR4将改变内存标准的发展模式

自英特尔在RDRAM问题上惨遭失败之后，内存工业便重新回到JEDEC主导规格的正常轨道上，三星电子、英飞凌、Elpida、Hynix、Micron等内存厂商在JEDEC 组织中掌握话语权，这就意味着内存标准很大程度上是由这些内存厂商来决定

的。英特尔当年推广RDRAM的一个目的就是希望能够主导内存标准的发展，但未能如愿，作为核心平台供应商，英特尔始终都未放弃主导标准的企图，如推出FB-DIMM标准、“建议”DDR3推行到2133MHz规格都是典型的例子。AMD公司虽然也有类似的做法，不过AMD的号召力远非英特尔可比，它的动机只是为了增加自家平台的性能以同英特尔竞争，而没有主导内存标准发展的宏图大志。

未来的DDR4标准为英特尔主导标准提供了新的契机——DDR4存在传统SE信号和差分信号两个版本，由于研发工作统一进行，高性能的差分信号DDR4也可以在2010年左右推出，如英特尔与AMD分别支持不同的版本，那么将会导致内存工业的分裂，令DRAM技术朝着多元化的方向发展，而英特尔也将因此加强对内存工业的控制力。