新千年内存规格之争——DDR与Rambus鹿死谁手

王寒晖   http://dizen.yeah.net
2000年 第19期 

　　威盛电子于4月10日宣布推出了PC2100及PC1600的DDR（Double Data Rate）DRAM规范，它是继PC133架构后的新内存标准。威盛电子表示，DDR266根据SDRAM架构设计，它使内存厂商和OEM系统厂商在原有标准上构建出新一代的产品技术。目前主要合作的厂商包括Micron、三星、Hyundai、Infineon、NEC、日立、三菱、南亚、东芝等，威盛电子参与了所有DDR266规格制定过程，这使威盛的芯片组能符合最新的SDRAM标准。跨入2000年，Rambus仍积极冲刺PC主内存市场，而DDR则蓄势待发，意图继承PC 133的主流地位，未来的PC主内存架构趋势将如何演变呢？
#1    DDR与Rambus的内存架构
　　DDR SDRAM也可以说是传统 SDRAM的升级版本，其最重要的改变是在界面数据传输上，DDR在时钟信号上升沿与下降沿时各传输一次数据，这使得DDR的数据传输速率为传统SDRAM的两倍，由于仅多采用了下降沿信号，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，仅在时钟上升沿传输。另一个明显的改变是增加了一个双向的数据控制接脚（Data Strobe，DQS）。当系统中某个控制器发出一个写入命令时，一个DQS信号便会由内存控制器送出至内存。此外，传统SDRAM的DQS接脚则用来在写入数据时（单向：内存控制器DRAM）做数据遮罩（Data Mask）用。由于数据、数据控制信号（DQS）与DM同步传输，不会有某个数据传输较快，而另外的数据传输较慢的skew（时间差）以及Flight Time（控制信号从内存控制器出发，到数据传回内存控制器的时间）不相同的问题。此外，DDR的设计可让内存控制器每一组DQ／DQS／DM与DIMM上的颗粒相接时，维持相同的负载，减少对主板的影响。在内存内部架构上，传统SDRAM属于×8组态（organization），表示内存核心中的I／O寄存器有8位数据I／O，不过对于×8组态的DDR SDRAM而言，内存核心中的I／O寄存器却是16位的，一次可传输16位数据，在时钟信号上升沿时输出8位数据，在下降沿再输出8位数据。此外，为了保持较高的数据传输率，电气信号必须要求能较快改变，因此，DDR改为支持电压为2.5V的SSTL2信号标准。
　　与DDR相比，Direct Rambus改用封包方式传输／控制位址讯息与数据。在内存控制器（如英特尔的820）上，处理列要求封包有3根接脚，处理行要求封包有5根接脚，数据封包则要求有两组各为9根的接脚组，因其中第9根为支持ECC功能时方才使用，所以实际上每一组乃是负责1 byte的数据。由于每根总线是彼此独立，所以行封包、列封包与数据封包可以同时传送至不同的RDRAM颗粒或是同一颗颗粒的不同缓冲区。在RDRAM部分，颗粒内部的DRAM核心具有32个缓冲区（除第一个与最后一个感应放大器是仅连一个缓冲区，基本上是每两个缓冲区共用一个感应放大器）及工作频率为100MHz的128／144位数据路径（datapath）；在界面部分，Rambus的数据宽度为16位，工作频率则有300MHz、356MHz与400MHz三种；在控制封包部分，每一个封包占去4个时钟周期，若以时钟速度400MHz计算，1个时钟周期是2.5ns，4个周期便可达10ns。而在数据封包部分，RDRAM内部数据路径宽度长达128位，数据宽度为16位（2Byte），每一个时钟上下沿各可传送一次，所以收到行存取指令后，是以4个时钟周期的时间（10ns），传送16 Byte的数据封包。而Rambus内存次系统部分不同于SDRAM的并联式架构，RIMM的连接方式则是采用串连式的总线系统，以内存控制器作为起端，中间串连各个RDRAM，结束端则是加上代表信号准位为0的1.8V电压的终止电阻，以避免信号反射。以数据接脚DQA0为例，控制器上的数据接脚DQA0会藉由PCB板上的线路与每一个模组、每颗RDRAM的数据接脚DQA0相连，最后再接上一个终止电阻，而数据传输仅止于内存控制器与每一颗RDRAM间，各个RDRAM间不会有数据的流通。至于信号界面部分则是Rambus专属的RSL，电压为1.8V，参考电压为1.4V，逻辑0为1.8V，逻辑1为1.0V。
#1    DDR的生产体系更具有优势
　　PC主内存架构由传统SDRAM走向DDR与Rambus等新架构，或多或少会引起整个PC供应链体系的变动与调整，并很可能影响到很多芯片制造、封装、测试、芯片组与时钟产生器等IC、被动元件、连接器、主板、模组与PCB等生产厂商。
　　就DDR架构来看，它基本上可完全沿用传统SDRAM（SDR SDRAM）的生产体系。以内存颗粒制造为例，DDR与SDR SDRAM可共用同一个DRAM设计，生产SDR SDRAM通常需要20～22道工序，而生产DDR的工序绝大部分与生产SDR SDRAM相同，仅需在最上一层金属层或在衬垫（Pad）处变动一下便可生产出DDR产品。在封装上，DDR仍是采用传统的TSOP Ⅱ封装，测试时仍可沿用现有的SDRAM测试平台。DDR的模组部分采用184针封装，PCB使用4～6层板，在其他零组件或组装上并无太大差别，与SDR DIMM成本相差不大。使用DDR后，主板设计可使用4层板，与SDR主板较大的差异在于模组插槽将由原来的168针更改为184针，电气接口由LVTTL改变为SSTL2，因此模组插槽与电气设计会有所调整。若主板仅支持DDR DIMM，而不考虑沿用SDR DIMM/SDR SDRAM的兼容性，其成本比PC 133主板可降低10％～15％，差异的部分在于芯片组、PCB、时钟产生器/缓冲器、插槽与被动元件，最大的缺点则是旧的SDR DIMM内存条将无法继续使用。而若考虑与SDR SDRAM的兼容性，则主板需支持2.5V与3.3V两种I/O电压，并且要同时配置184针与168针两种插槽，或是配置支持184针的SDR DIMM内存条，当然，缺点则是主板成本将升高。
　　RDRAM有着颗粒面积较大的劣势，主要在于其内存核心分区（Partition）方式的改变，以及Rambus专属界面IP会多占空间。传统的SDRAM具有四个Bank，而RDRAM则具有三十二个Bank，Bank与Bank间，自然需要更多的数据路径，因此影响到DRAM核心的面积。而在周边电路方面，设计RDRAM必需置入Rambus提供的界面IP，以支持其专用的高速传输界面，因此，RDRAM的芯片面积会较SDR/DDR SDRAM大上许多。在价格方面，目前128MB RDRAM的颗粒价格近50美元，与PC133 SDRAM的近13美元相比，是它的4倍左右，并且RDRAM需要采用CSP封装。测试时，由于Rambus的高频界面之故，即便采用先测内存核心、再测高频界面的二段式测试方式，仍需添购高频的内存测试机平台，且由于RDRAM需满足高频规格的测试，许多DRAM都过不了800MHz的测试关卡。在模组的制造成本方面，若不计颗粒，目前Unbuffered SDR DIMM的制造成本，包括电阻、电容、SPD与PCB约为2美元出头。与DIMM相比，RIMM大约仅需一半数目的被动元件，但需增加一个散热片。除颗粒外，RIMM的成本差异主要是来自于PCB板，DIMM可用4层板做，而RIMM则需8层板。不过RIMM PCB板的价格正逐步下滑，但与DIMM的PCB相较，价格仍过于昂贵。而在主板方面，Rambus主板在PCB上已可用4层板制作，但由于阻抗需要达到28欧姆，生产成本仍然较高。
　　综合而言，DDR SDRAM乃至于支持DDR的PC几乎可完全沿用现有的生产体系，即便是量产初期，DDR PC整体制造成本将仅约较PC133 PC多出10％～15％，不过DDR PC初期将主打高端市场，在价格上会有较高的价差。至于Rambus方面，其生产体系需要重新建立。可以确定的是，建立DDR量产生产体系的转换成本将远较RDRAM低，而在近期内，Rambus相关零组件的生产成本仍比DDR高出一截。
#1    Rambus在Granularity与带宽上具有极佳的特性
　　单就技术来看，不考虑实际制造的难度与成本，Rambus架构在Granularity与带宽上具有极佳的特性。所谓Granularity，乃是指在DRAM架构与组态（organization）确定的条件下，系统中内存所需装载的最小容量。
　　对SDR/DDR SDRAM而言，目前PC系统中内存数据总线宽度为64位，在DIMM上需要以并联方式运作。以64MB SDRAM来说，目前有16MB×4、8MB×8B与4M×16三种常见的组态，若以8MB×8的颗粒来算，由于此款颗粒数据界面宽度为8位，所需的颗粒数为则8颗，因此DIMM乃是以8颗8MB颗粒的方式封装，模组的容量则是64MB。而单以64MB容量来看，如不分DRAM组态的话，Granularity乃是32MB。在DRAM世代交替持续进行的情况下，内存需装载的最小容量会变得愈来愈大，以×8组态的DRAM颗粒而言，至256MB时代时，Granularity增加为256MB，而至512MB与1GB时代时，更分别增加为512MB与1GB。至于若采用×16组态颗粒的话，Granularity则可以小一些，其256MB、512MB与1GB时代的Granularity分别为128MB、256MB与512MB。而在RDRAM方面，其内存次系统与SDRAM有颇大的差异在：RDRAM内存数据总线宽度仅为16位，正好与每颗RDRAM的数据界面宽度一样，而RDRAM乃是以串连方式组成内存次系统，而不必像SDRAM一样必须并联64位的数据总线。这使RDRAM在实际使用时，在支持一个Rambus通道的情况下，仅需一颗便可让系统运作，而若支持两个Rambus通道，也仅需两颗RDRAM。因此RDRAM的架构，将使其在系统设计上具有更大的弹性，特别是对内存次系统容量需求不高的小系统，更具有吸引力。
　　除了Granularity的弹性外，Rambus的最大优点，则是在高速运作时所提供的高带宽。以800MHz RDRAM而言，每一根数据接脚的带宽可达800MB/pin/s，而PC133 SDRAM为133MB/pin/s，PC266则为266MB/pin/s。PC100内存数据总线的带宽为800MB/s，PC133带宽增为1.06GB/s，PC266则为2.13GB/s。而对Rambus来说，带宽乃是视执行几个Rambus通道而定，就一个通道而言，带宽为1.6GB/s，若是两个通道，则可提升为3.2GB/s，若是四个通道的话，则带宽将达到6.4GB/s。SONY于3月所推出的PS2支持两个Rambus通道，仅使用两颗128MB的RDRAM，便可提供3.2GB/s带宽，算是将RDRAM带宽与Granularity优点发挥得最淋漓尽致的产品。附表是三种内存的部分性能参数比较表。
#1    DDR与Rambus的局限性
　　DDR除了带宽比SDR SDRAM提高两倍外，最大的优势在于可完全使用现有的SDR量产生产体系。不过依照AMD、威盛、矽统与扬智等芯片组厂商的规划，芯片组最快要2000年第三季度末方能大量出货，而由于芯片组与主板量产乃至打开市场的时间将耗时3～6个月，且初期DDR将主攻高性能PC市场，因此2000年第四季度DDR的出货量将非常有限，真正的商机需要2001年方可显现。
　　RDRAM毋庸讳言是项好技术，但问题在于，RDRAM虽具有Granularity的优势，但低端市场用户却无法承受RDRAM的高价。2000年普通用户购机仍选购64MB与128MB SDRAM，SDRAM应付各类PC市场仍绰绰有余，RDRAM并无法凸显其价值。待英特尔推出Willamette后，RDRAM有可能因其带宽优势使需求增长，然而此机会落点在2001年，至于2000年RDRAM的市场需求则有限。RDRAM原打算掌握高性能PC市场，再向主流PC市场渗透，但在高性能PC市场版图却持续缩小，而在RDRAM成本过高的缺点未能有效改善的情况下，RDRAM主流化速度欲快不易。RDRAM难卖局面要有所突破，最主要的关键在DRAM厂商身上，唯有DRAM厂商愿意扩大RDRAM的颗粒产量，开始走入以量制价、创造需求的良性循环，方可有效驱动RDRAM的普及。（^19030503a^）
　　DDR与Rambus两大阵营，究竟谁可以主导未来的个人电脑市场？目前尚难预料，i820芯片组的MTH芯片出现问题，使得Rambus的推行再次受到打击，而DDR内存条已经颇为电脑DIY玩家所熟悉。支持DDR规格的芯片组及主板目前尚未在一般的市场中出现，而DDR DRAM模组在高端的图形显示卡领域中，已经占有一席之地。不过IT业变化快速，现在还不能说已分出高下，但以消费者的眼光来看，如果Rambus价格继续保持高昂，那么它将很难阻止DDR登上主流的宝座。由于目前Rambus与DDR均各有局限性，因此即使到今年年末，PC133仍将是内存市场的主流规格。