新一代内存路在何方

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HBM可以说是普通人接触到的第一款3D堆栈内存，它代表着未来，而DDR内存则是主流代表，下一步是DDR5内存，再加上美光、Intel主导的HMC内存，这三者以及它们的衍生品可以说是2020年之前内存/显存技术角逐天下的主角了。

每次有新闻提到PC市场销量下滑，大家往往会不自觉地调侃两家公司——“Intel，你又挤牙膏了，SNB还能战三年”，还有一个想努力挤牙膏但新牙膏上市延期、只能先上PPT的AMD。五年多前的SNB处理器+4GB DDR3内存的确还能再战，但是公平地说，计算机性能实际上一直在不断增长，2011年的TOP500冠军是日本京/K计算机，性能只有8.2PFLOPS（千万亿次），内存容量141TB，2016上半年的TOP500冠军是中国的太湖之光，浮点性能93PFLOPS，内存容量1.31PB，差不多都是5年前的10倍。

五年前的高性能计算刚刚达到1亿亿次，去年太湖之光就实现了10亿亿次，2020年之前的目标是实现百亿亿次，也就是exaFLOPS级别，包括中国、美国、日本和欧盟在内，百亿亿次计算是世界各国都在争夺的下一个制高点，它不仅对主处理器/协处理器提出了极高的要求，支撑起如此庞大运算规模也需要在网络连接、高速内存等子系统上实现突破。

处理器方面陆续将会有Intel下一代Xeon处理器、IBM Power 9及AMD Zen，加速卡也有NVIDIA Volta、AMD Navi等，下一代内存技术则会有DDR5、HBM、HMC等，它们还会根据不同应用范围衍生出多个版本。这次我们就来探讨一下未来的集中内存（也包括显存）技术的走向及特点。

从Haswell-E处理器开始，内存就开始从DDR3向DDR4升级，经过2年多时间的磨合，如今，DDR4内存也可以说是白菜价了。2015年AMD推出了Fiji核心的Fury系列显卡，它使用的是HBM显存，与之前的GDDR5显存不同，HBM可以说是普通人接触到的第一款3D堆栈内存，它代表着未来，而DDR内存则是主流代表，下一步是DDR5内存，再加上美光、Intel主导的HMC内存，这三者以及它们的衍生品可以说是2020年之前内存/显存技术角逐天下的主角了。

预测DDR、HBM及HMC三强争霸的结局还太早了，要想分出胜負我们还得掂量掂量这三者在性能、功耗及成本上的表现。

DDR5：内存正统续作

2014年，随着Hasewll-E处理器及X99主板的问世，DDR4内存首次进入桌面市场，不过X99平台是面向发烧级玩家的。到了2015年，Intel又推出了Skylake处理器，这才算是真正走入主流市场。经过这两年的发展，DDR4内存已经从王谢堂前飞入寻常百姓家了，其性价比完全不输DDR3内存。

对于DDR4内存，我们之前在三位一体升级换代，Haswell-E、X99及DDR4前瞻一文中已经详细解析过它与DDR3内存的不同，简单来说就是在基础频率无法大幅提升的情况下，DDR4通过翻倍提升显存核心的Bank（内存库）数量变相提高了数据吞吐率，其数据频率可从前代的0.8-2.1Gbps大幅提升到1.6-3.2Gbps，进而提高了内存带宽。

此外，DDR4内存的电压也从前代的1.5V降低到了1.2V，提高了能效，而随着工艺的进步，DDR4内存的核心容量也从之前4Gb提升到了8Gb、16Gb，可以轻松实现单条64GB以及128GB内存，这些都是它比DDR3内存先进的地方。

目前，高频DDR4内存频率已经达到了4.26Gbps，差不多又到了一个极限了，下一步该准备DDR4的继任者了，不出意外的话，其命名就是DDR5，技术路线也类似DDR3到DDR4那样，核心频率同样不会有大幅提高，能做文章的地方还是数据预取位宽、内存库数量等。

DDR5内存目前还在研发阶段，尚未有具体规范，所以厂商公布的很多规格都不是确定的，其目标是相比DDR4内存至少带宽翻倍、容量更大，同时更加节能。具体来说就是数据频率从目前1.6-3.2Gbps的水平提升到3.2-6.4Gbps，预取位宽从8bit翻倍到16bit，内存库提升到16-32个。至于电压，DDR4电压已经降至1.2v，DDR5有望降至1.1v或者更低。

在三星讨论的DDR5内存规范中，其目标跟美光基本一致，也是带宽至少翻倍，预取位宽也会翻倍，不过内存库数量还是16个，与美光公布的数据略有不同。

而在时间点上，业界还是有一定共识的——DDR5预计在2017年完成规范制定，2018年推出样品，2019年开始生产，不过要普及的话估计至少是2020年的事了。

此外，尽管美光、三星都没提制程工艺的问题，但考虑到2018年10nm工艺已经量产了，2020年左右则是7nm节点了，而目前DDR4最先进的工艺是18nm，到了2020年那个时间段，内存也会转向10nm以下节点的。

DDR5内存衍生版之GDDR6显存

说DDR5内存是最正统的内存续作，不仅因为它是最主流的内存选择，还与它的衍生版有关——显存用的下一代GDDR与手机、平板用的LPDDR低功耗内存都跟DDR5息息相关，业界在讨论DDR5内存的同时，同样也没忘了GDDR6及未来的LPDDR5内存。

其实，很久之前显卡用的显存是跟PC内存一样的，但随着GPU性能的不断提升，对带宽的要求也水涨船高，普通PC内存已经无法满足带宽需求了。在DDR内存的基础上就衍生出了GDDR内存，GDDR5就是在DDR3基础上衍生的，两者的大部分规格都基本相同，只不过数据预取位宽从4bit翻倍到8bit，所以GDDR5的带宽在DDR3基础上提高了一倍，这也是其数据频率是真实频率4倍的由来，而普通DDR3内存是2倍真实频率。

在DDR5基础上衍生出来的显存就是GDDR6（虽然还未正式命名）了，它的实际频率与目前高频GDDR5内存差不多，都是1.75GHz左右，但因为预取位宽再次翻倍，数据频率则会从7Gbps提升到14Gbps以上，这个思路其实跟美光主推的GDDR5X显存是一样的，同样是在不提高实际频率的情况下通过提升预取位宽实现带宽提升。

当然，为了进一步降低功耗，GDDR6显存的电压也会从目前1.5V降至1.35V。

DDR5内存衍生版之LP5显存

低功耗LPDDR内存也会在DDR5基础上继续演进，其速率可达到6.4Gbps左右，而电压则会进一步降低，目前LPDDR4已经是1.1v电压了，LPDDR5的电压会低于1.1v，目标是实现20%的能效提升。

HBM：第三代性能更强大

2015年AMD推出了Fiji核心的Fury系列显卡，虽然推出的三款显卡都是面向高端市场的，售价比较高，但从技术上来说Fury系列显卡绝对是显卡史上的一次重大变革，因为它用上了HBM显存，它不仅仅是性能更强大，最重要的是HBM显存极大地减少了PCB面积占用，可以把高端显卡做得非常小巧。从某种程度上来说，AMD的R9 Nano显卡是当时让我们印象最深刻的产品，比GTX Titan X和GTX 980 Ti更有意义。

对于HBM显存，我们之前在评测及解析中也详细说过它的特点和优势了，在此就不再赘述了，感兴趣的读者可以参考以前的相关文章。总的来说，HBM的性能远超GDDR5，它的功耗降50%，面积小94%，一句话总结就是HBM在电压只有1.2V的情况下将显存带宽提升到512GB/s，性能更强、功耗更低，且占用空间更小。

到了2016年，HBM显存又进化到了第二代，并正式成为JEDEC标准。与前代产品相比，HBM 2显存核心容量从2Gb提升到8Gb，数据频率从1Gbps提升到2Gbps，带来的好处就是在同样4-hi堆栈下，HBM 2单颗显存容量可达4GB，带宽1024GB/s。

HBM显存最早是由AMD和SK Hynix联合研发的，第一代HBM显存主要是SK Hynix在生产，进入HBM 2时代，NVIDIA、三星也参与进来了，前者首发了HBM 2显存的Tesla P100加速卡。同时，SK Hynix也开始量产HBM 2显存，有2-hi、4-hi、8-hi三种堆栈方式，速率1.0、1.6及2.0Gbps，带宽分别是128、204、256GB/s，堆栈容量2、4、8GB，最高可实现32GB堆栈总容量，1024GB/s带宽。

HBM 2还没上市，三星已经开始讨论HBM 3显存了，预计在2019-2020年问世，不过，目前并没有确切的规格。从三星的表态来看，HBM 3会进一步提高堆栈层数、核心容量及带宽，但在核心频率、内存库、DQ位宽方面保持HBM 2的水平，但就算提升容量和堆栈层数，也足够HBM 3容量翻倍、带宽翻倍了，64GB HBM 3容量应该不是梦。

值得注意的是，HBM 3显存的电压预计会比目前1.2v低得多，这有助于大幅降低HBM 3功耗。

从HBM显存问世开始，我们就知道它是个好东西，各方面完胜GDDR显存——除了成本太高，因为HBM显存是新标准，产能不足，而且它是2.5D堆栈的，制造工艺比GDDR5显存复杂多了，这都加剧了HBM显存的普及难度。

在这方面，三星一边推进更高性能的HBM 3，同时也在探讨研发低成本的HBM，通过移除ECC校验、缓冲器层、减少I/O及降低TSV数量（TSV工艺中打孔数量越多，性能越好，但会更复杂），这些手段有助于减少HBM成本，虽然这会对HBM性能造成一定影响，I/O位宽从1024bit减少到512bit，但可以通过其他手段弥补，比如提高数据频率到3Gbps，这样一来低成本HBM的带宽会从256GB/s降低到200GB/s左右，还在可接受范圍内，而制造成本就低多了。

对HBM来说，阻碍它普及的最大障碍就是成本了，一旦低成本HBM得以实现，那么HBM就有可能不再局限于高端显卡之中，CPU也可以拿它来做缓存了。

HMC：不同于HBM的3D内存

如同闪存从2D NAND转向3D NAND一样，内存也要从平面转向3D立体，前面的HBM就是3D内存技术的一种，不过它并非唯一选择，美光、Intel还有HMC（Hybrid Memory Cube）内存，它也是通过TSV硅穿孔工艺堆栈多层DRAM核心以实现3D堆栈的。

实现3D堆栈之后，HMC也可以搭积木一样堆叠内存核心了，带来的优势就是：

·性能更强，带宽是DDR3内存的15倍

·功耗更低，功耗比DDR4减少70%

·占用面积更小，比DDR4减少90%

·设计更简单，通道复杂性比DDR4减少88%

HMC与HBM都是TSV工艺的堆栈内存，很容易混淆，不过具体结构上HMC内存与HBM还是有很大不同的，它可以分为三个层次——顶部的是堆栈的DRAM核心，中间有个逻辑层（Logic Layer），最下面则是封装层（Package）。

另外，HMC与处理器的连接方式也有所不同，HBM有个工艺复杂的中介层，打通了处理器与HBM芯片，而HMC与处理器连接是靠4条高速Link，每条Link有16个通道，速度最高可达30Gbps，典型速度有10Gbps、15Gbps、25Gbps。如果是4-link、10Gbps速度，那么带宽可达160GB/s，15Gbps速度则是240GB/s，美光还在开发8-link HMC，理论带宽可上320GB/s。

美光目前量产的HMC单颗容量2GB，核心容量为4Gb，4层堆栈，带宽160GB/s，算起来性能比HBM 2显存的256GB/s要差一些，不过HMC对比HBM还有个优势，那就是HBM的高带宽需要离处理器很近，显卡跟HBM都是封装在一起的，所以制造工艺复杂，成本太高，而HMC通过Link与处理器相连，既可以做近场内存（Near Memory），也可以距离远点（Far Memory），部署更加灵活。

不过，与HBM显存受到显卡、FPGA追捧不同，HMC推广的力度就小多了，尽管HMC阵营也有三星、SK Hynix参与，但真正在推进的只有美光、Intel，Intel代号“Knights Landing”的Xeon Phi上使用了16GB片上缓存，就是美光提供的HMC，号称是DDR4内存的5倍性能、5倍能效，同时面积占用只有后者1/3。

HMC的规范发展已经到了2.0时代，据说美光今年还要推出HMC 3.0规范，Link数量、堆栈层数、核心容量都有进一步提高，带宽可提升到480GB/s，该指标跟HBM 3差不多同级了。

小结

本文主要介绍了2020年之前新一代内存/显存的技术路线，DDR5内存的发展是按部就班，DDR5技术使用传统思路提升带宽、降低能耗，而HBM及HMC则是3D堆栈，发展潜力比DDR5更诱人，不过3D堆栈目前制造过程复杂，成本太高，主要用于高性能计算领域，普通消费者要想用上廉价3D内存/显存恐怕还要等待技术逐步成熟之后。