編者按：目前CPU用的內存正在從DDR2向DDR3過渡，而GPU用的顯存則是以GDDR2/3為主、跳過GDDR4、直奔GDDR5而去。或許很多朋友一時還難以接受GDDR5那夸張的頻率、不明白GDDR相比DDR發展速度為何如此“超前”、甚至搞不清楚GDDR1/2/3/4/5和DDR1/2/3之間“說不清道不明”的關系。

    如果您是一位求知欲很強的電腦愛好者，那么本文非常適合您，筆者特意搜集了大量官方技術文檔，為大家獻上內存和顯存鮮為人知的奧秘……

    近年來CPU（中央處理器）和GPU（圖形處理器）的發展速度之快讓人目不暇接，新產品的運算能力成倍提升，此時就對內存子系統提出了嚴峻的需求，因為CPU/GPU運算所需的數據和生成的數據都是來自于內存/顯存，如果存儲速度跟不上，那么就會浪費很多時間在數據等待上面，從而影響CPU/GPU的性能發揮。

    為了讓內存/顯存不至于造成瓶頸，芯片廠商都在想方設法的提高帶寬：AMD和Intel相繼將內存控制器整合在了CPU內部，大大降低了延遲并提高存儲效率，Intel旗艦級CPU能夠支持三通道內存，帶寬提升50%；ATI和NVIDIA也先后使用了512Bit的顯存控制器，總帶寬倍增。

    是何原因導致業界三大巨頭如此大費周折呢？這是因為內存技術的發展速度，其實并不如大家想象中的那么快，受到很多技術難題和傳統因素的制約，本文就對內存和顯存的發展歷程及相關技術進行詳細分析。

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    往日經典文章回顧：

  

● 內存的存取原理及難以逾越的頻障：

    在半導體科技極為發達的臺灣省，內存和顯存被統稱為記憶體（Memory），全名是動態隨機存取記憶體（Dynamic Random Access Memory，DRAM）。基本原理就是利用電容內存儲電荷的多寡來代表0和1，這就是一個二進制位元（bit），內存的最小單位。

DRAM的存儲單元結構圖

    DRAM的結構可謂是簡單高效，每一個bit只需要一個晶體管加一個電容。但是電容不可避免的存在漏電現象，如果電荷不足會導致數據出錯，因此電容必須被周期性的刷新（預充電），這也是DRAM的一大特點。而且電容的充放電需要一個過程，刷新頻率不可能無限提升（頻障），這就導致DRAM的頻率很容易達到上限，即便有先進工藝的支持也收效甚微。

    “上古”時代的FP/EDO內存，由于半導體工藝的限制，頻率只有25MHz/50MHz，自SDR以后頻率從66MHz一路飆升至133MHz，終于遇到了難以逾越的障礙。此后所誕生的DDR1/2/3系列，它們存儲單元官方頻率（JEDEC制定）始終在100MHz-200MHz之間徘徊，非官方（超頻）頻率也頂多在250MHz左右，很難突破300MHz。事實上高頻內存的出錯率很高、穩定性也得不到保證，除了超頻跑簡單測試外并無實際應用價值。

    既然存儲單元的頻率（簡稱內核頻率，也就是電容的刷新頻率）不能無限提升，那么就只有在I/O（輸入輸出）方面做文章，通過改進I/O單元，這就誕生了DDR1/2/3、GDDR1/2/3/4/5等形形色色的內存種類，首先來詳細介紹下DDR1/2/3之間的關系及特色。

    通常大家所說的DDR-400、DDR2-800、DDR3-1600等，其實并非是內存的真正頻率，而是業界約定俗成的等效頻率，這些DDR1/2/3內存相當于老牌SDR內存運行在400MHz、800MHz、1600MHz時的帶寬，因此頻率看上去很夸張，其實真正的內核頻率都只有200MHz而已！

    內存有三種不同的頻率指標，它們分別是核心頻率、時鐘頻率和有效數據傳輸頻率。核心頻率即為內存Cell陣列(Memory Cell Array，即內部電容)的刷新頻率，它是內存的真實運行頻率；時鐘頻率即I/O Buffer（輸入/輸出緩沖）的傳輸頻率；而有效數據傳輸頻率就是指數據傳送的頻率（即等效頻率）。

● SDR和DDR1/2/3全系列頻率對照表：

常見DDR內存頻率對照表

    通過上表就能非常直觀的看出，近年來內存的頻率雖然在成倍增長，可實際上真正存儲單元的頻率一直在133MHz-200MHz之間徘徊，這是因為電容的刷新頻率受制于制造工藝而很難取得突破。而每一代DDR的推出，都能夠以較低的存儲單元頻率，實現更大的帶寬，并且為將來頻率和帶寬的提升留下了一定的空間。

● SDR和DDR1/2/3存儲原理示意圖：

    雖然存儲單元的頻率一直都沒變，但內存顆粒的I/O頻率卻一直在增長，再加上DDR是雙倍數據傳輸，因此內存的數據傳輸率可以達到核心頻率的8倍之多！通過下面的示意圖就能略知一二：

    那么，內存IO頻率為什么能達到數倍于核心頻率呢？

    相信很多人都知道，DDR1/2/3內存最關鍵的技術就是分別采用了2/4/8bit數據預取技術（Prefetch），由此得以將帶寬翻倍，與此同時I/O控制器也必須做相應的改進。

● DDR1/2/3數據預取技術原理：

    預取，顧名思義就是預先/提前存取數據，也就是說在I/O控制器發出請求之前，存儲單元已經事先準備好了2/4/8bit數據。簡單來說這就是把并行傳輸的數據轉換為串行數據流，我們可以把它認為是存儲單元內部的Raid/多通道技術，可以說是以電容矩陣為單位的。

內存數據預取技術示意圖：并行轉串行

    這種存儲陣列內部的實際位寬較大，但是數據輸出位寬卻比較小的設計，就是所謂的數據預取技術，它可以讓內存的數據傳輸頻率倍增。試想如果我們把一條細水管安裝在粗水管之上，那么水流的噴射速度就會翻幾倍。

    明白了數據預取技術的原理之后，再來看看DDR1/2/3內存的定義，以及三種頻率之間的關系，就豁然開朗了：

● SDRAM（Synchronous DRAM）：同步動態隨機存儲器

    之所以被稱為“同步”，因為SDR內存的存儲單元頻率、I/O頻率及數據傳輸率都是相同的，比如經典的PC133，三種頻率都是133MHz。

    SDR在一個時鐘周期內只能讀/寫一次，只在時鐘上升期讀/寫數據，當同時需要讀取和寫入時，就得等待其中一個動作完成之后才能繼續進行下一個動作。

● DDR（Double Date Rate SDRAM）：雙倍速率同步動態隨機存儲器

    雙倍是指在一個時鐘周期內傳輸兩次數據，在時鐘的上升期和下降期各傳輸一次數據(通過差分時鐘技術實現)，在存儲陣列頻率不變的情況下，數據傳輸率達到了SDR的兩倍，此時就需要I/O從存儲陣列中預取2bit數據，因此I/O的工作頻率是存儲陣列頻率的兩倍。

    DQ頻率和I/O頻率是相同的，因為DQ在時鐘上升和下降研能傳輸兩次數據，也是兩倍于存儲陣列的頻率。

● DDR2（DDR 2 SDRAM）：第二代雙倍速率同步動態隨機存儲器

    DDR2在DDR1的基礎上，數據預取位數從2bit擴充至4bit，此時上下行同時傳輸數據（雙倍）已經滿足不了4bit預取的要求，因此I/O控制器頻率必須加倍。

    至此，在存儲單元頻率保持133-200MHz不變的情況下，DDR2的實際頻率達到了266-400MHz，而（等效）數據傳輸率達到了533-800MHz。

● DDR3（DDR 3 SDRAM）：第三代雙倍速率同步動態隨機存儲器

    DDR3就更容易理解了，數據預取位數再次翻倍到8bit，同理I/O控制器頻率也加倍。此時，在存儲單元頻率保持133-200MHz不變的情況下，DDR3的實際頻率達到了533-800MHz，而（等效）數據傳輸率高達1066-1600MHz。

    綜上可以看出，DDR1/2/3的發展是圍繞著數據預取而進行的，同時也給I/O控制器造成了不小的壓力，雖然存儲單元的工作頻率保持不變，但I/O頻率以級數增長，我們可以看到DDR3的I/O頻率已逼近1GHz大關，此時I/O頻率成為了新的瓶頸，如果繼續推出DDR4（注意不是GDDR4，兩者完全不是同一概念，后文會有詳細解釋）的話，將會受到很多未知因素的制約，必須等待更先進的工藝或者新解決方案的出現才有可能延續DDR的生命。

    前面介紹的是關于歷代內存的技術原理，可以說是比較微觀的東西，反映在宏觀上，就是常見的內存顆粒及內存條了，這都是些看得見摸得著的東西，但有些概念還是不容易理解，這里一一進行說明：

● 內存位寬——SDR/DDR1/2/3單條內存都是64bit

    內存模組的設計取決于內存控制器（集成在北橋或者CPU內部），理論上位寬可以無限提升，但受制因素較多：高位寬將會讓芯片組變得十分復雜，對主板布線提出嚴格要求，內存PCB更是絲毫馬虎不得，內存顆粒及芯片設計也必須作相應的調整。可謂是牽一發而動全身，所以多年來業界都是墨守成規，維持64bit的設計不變。

    相比之下，顯卡作為一個整體就沒有那么多的顧忌，只需重新設計GPU內部的顯存控制器，然后PCB按照位寬要求布線，焊更多的顯存顆粒上去就行了，雖然成本也很高但實現512bit并沒有太大難度。

● 多通道內存——雙通道/三通道

    既然實現高位寬內存條太難，那么就退而求其次，讓兩條內存并行傳輸數據，同樣可以讓位寬翻倍。目前流行的雙通道技術就是如此，北橋或者CPU內部整合了兩個獨立的64bit內存控制器，同時傳輸數據等效位寬就相當于128bit。

    Intel Nehalem核心CPU直接整合三通道內存控制器，位寬高達192bit。但由于CPU、主板、內存方面成本都增加不少，因此在主流Lynnfield核心CPU上面又回歸了雙通道設計。事實上服務器芯片組已經能夠支持四通道內存，對服務器來說成本方面不是問題，只是對穩定性和容錯性要求很高。

● 內存顆粒位寬：4/8/16/32bit

    理論上，完全可以制造出一顆位寬為64bit的芯片來滿足一條內存使用，但這種設計對技術要求很高，良品率很低導致成本無法控制，應用范圍很窄。

    所以內存芯片的位寬一般都很小，臺式機內存顆粒的位寬最高僅16bit，常見的則是4/8bit。這樣為了組成64bit內存的需要，至少需要4顆16bit的芯片、8顆8bit的芯片或者16顆4bit的芯片。

    而顯卡對位寬要求很高，容量反而退居其次，所以顯存顆粒的位寬普遍比內存顆粒大（這就是顯存和內存主要區別之一），比如GDDR3/4/5顆粒都是32bit，4顆就能滿足低端卡128bit的需要，8顆可以滿足高端卡256bit的需要；而低端GDDR2顆粒為16bit，需要8顆才能組成低端卡128bit的需要。

● 內存芯片的邏輯Bank

    在芯片的內部，內存的數據是以bit為單位寫入一張大的矩陣中，每個單元稱為CELL陣列，只要指定一個行一個列，就可以準確地定位到某個CELL，這就是內存芯片尋址的基本原理。這個陣列我們就稱為內存芯片的BANK，也稱之為邏輯BANK（Logical BANK）。

    不可能只做一個全容量的邏輯Bank，因為單一的邏輯Bank將會造成非常嚴重的尋址沖突，大幅降低內存效率。所以大容量內存顆粒都是由多個邏輯Bank疊加而成的。簡單來說，我們可以把一個Bank看作是一片平面的矩陣紙，而內存顆粒是由多片這樣的紙疊起來的。

    一個Bank的位寬就是內存顆粒的位寬，內存控制器一次只允許對一個Bank進行操作，由于邏輯Bank的地址線是公用的，所以在讀寫時需要加一個邏輯Bank的編號，這個動作被稱為片選。

● 內存條的物理Bank

    內存控制器的位寬必須與內存條的位寬相等，這樣才能在一個時鐘周期內傳輸所有數據，這個位寬就被成為一個物理Bank（通常是64bit），每條內存至少包含一個Bank，多數情況下擁有二個物理Bank。

    一個物理Bank不會造成帶寬浪費，理論上是最合理的配置，但為了實現大容量內存，單條內存多物理Bank也是允許的，但內存控制器所能允許的最大Bank數存在上限，常見的是雙物理Bank設計，只有特殊內存或者服務器內存才會使用四Bank以上的設計，因為這種內存兼容性不好，“挑”芯片組。

    事實上顯卡上也存在雙物理Bank設計，目的就是為了實現超大顯存容量，比如1GB的9800GT，正反兩面共有16顆16M×32bit的GDDR3顯存，總位寬達512bit，實際上顯存控制器只支持256bit，這樣就是雙物理Bank。

    早在SDRAM時代，顯卡上用的“顯存顆粒”與內存條上的“內存顆粒”是完全相同的。在那個時候，GPU本身的運算能力有限，對數據帶寬的要求自然也不高，所以高頻的SDRAM顆粒就可以滿足要求。

某TNT2顯卡，使用的是PC166的SDR內存顆粒

● 內存滿足不了顯卡的需求，顯存應運而生

    本是同根生的狀況一直持續到SDR和DDR交接的時代，其實最早用在顯卡上的DDR顆粒與用在內存上的DDR顆粒仍然是一樣的。后來由于GPU特殊的需要，顯存顆粒與內存顆粒開始分道揚鑣，這其中包括了幾方面的因素：

    1. GPU需要比CPU更高的帶寬。GPU不像CPU那樣有大容量二三級緩存，GPU與顯存之間的數據交換遠比CPU頻繁，而且大多都是突發性的數據流，因此GPU比CPU更加渴望得到更高的顯存帶寬支持。

    位寬×頻率=帶寬，因此提高帶寬的方法就是增加位寬和提高頻率，但GPU對于位寬和頻率的需求還有其它的因素。

    2．顯卡需要高位寬的顯存。顯卡PCB空間是有限的，在有限的空間內如何合理的安排顯存顆粒，無論高中低端顯卡都面臨這個問題。從布線、成本、性能等多種角度來看，顯存都需要達到更高的位寬。

    最早的顯存是單顆16bit的芯片，后來升級到32bit，將來甚至還會有更高的規格出現。而內存則沒有那么多要求，多年來內存條都是64bit，所以單顆內存顆粒沒必要設計成高位寬，只要提高容量就行了，所以位寬一直維持在4/8bit。

    3．顯卡能讓顯存達到更高的頻率。顯存顆粒與GPU配套使用時，一般都經過專門的設計和優化，而不像內存那樣有太多顧忌。GPU的顯存控制器比CPU或北橋內存控制器性能優異，而且顯卡PCB可以隨意的進行優化，因此顯存一般都能達到更高的頻率。而內存受到內存PCB、主板走線、北橋CPU得諸多因素的限制很難沖擊高頻率

　　由此算來，顯存與內存“分家”既是意料之外，又是情理之中的事情了。為了更好地滿足顯卡GPU的特殊要求，一些廠商(如三星等)推出了專門為圖形系統設計的高速DDR顯存，稱為“Graphics Double Data Rate DRAM”，也就是我們現在常見的GDDR。

● GDDR——顯存和內存正式分家

    GDDR作為第一代專用的顯存芯片，其實在技術方面與DDR沒有任何區別，同樣采用了2bit預取技術，理論頻率GDDR并不比DDR高多少。不過后期改進工藝的GDDR有了優秀PCB的顯卡支持之后，GDDR顯存最高沖刺至900MHz，而DDR內存只能達到600MHz左右，顯存和內存的差距從此逐漸拉開。

• TSOP封裝的GDDR 16bit：

8M×16Bit 4.0ns TSOP II封裝的GDDR，單顆16MB，理論頻率500MHz
當年9550、FX5700等128Bit中端卡需要搭配8顆才能組成128Bit

    TSOP封裝的GDDR顆粒，外觀規格特性都與DDR內存顆粒沒有什么區別，所以在很多人看來“GDDR”與“DDR”是可以“劃等號”的。其實兩者還是有些差別：

• GDDR采用4K循環32ms的刷新周期，而DDR采用8K循環64ms的刷新周期；
• GDDR為了追求頻率在延遲方面放的更寬一些，畢竟GPU對延遲不太敏感；
• GDDR顆粒的容量小、位寬大，一般是8×16Bit(16MB)的規格，而DDR顆粒的容量大、位寬小，雖然也有16Bit的顆粒，但最常見的還是8Bit和4Bit，單顆容量32MB或64MB。

    為了實現更大的位寬，并進一步提升GDDR的性能，后期很多廠商改用了電氣性能更好的MBGA封裝，當然也有內存顆粒使用MBGA封裝，但規格已有了較大差異，主要是顆粒位寬不同。

• MBGA封裝的GDDR 32bit：

4M×32Bit 2.2ns MBGA封裝的GDDR，單顆16MB，理論頻率900MHz
8顆組成128MB 256Bit規格，是GDDR1最后的輝煌

    MBGA封裝GDDR的單顆位寬首次達到了32Bit，從此就標志著GDDR與DDR正式分道揚鑣，32Bit的規格被GDDR2/3/4/5一直沿用至今。

    GDDR顯存的這兩種封裝：MBGA與TSOP構成的高低配，曾一度一統顯卡市場。雖然GDDR已經退出歷史舞臺，但32Bit主攻中高端、16Bit主攻低端的局面，時至今日依然得到了延續。

● GDDR2第一版：短命的早產兒 高壓高發熱

    GDDR2源于DDR2技術，也就是采用了4Bit預取，相比DDR1代可以將頻率翻倍。雖然技術原理相同，但GDDR2要比DDR2早了將近兩年時間，首次支持DDR2內存的915P主板于2004年中發布，而首次搭載GDDR2顯存的FX5800Ultra于2003年初發布，但早產兒往往是短命的。

    NVIDIA在設計NV30芯片時依然保持128Bit顯存位寬，為了提高帶寬必須使用高頻顯存，700MHz的GDDR已經無法滿足需求了，于是冒險嘗試GDDR2。第一代GDDR2受制造工藝限制，電壓規格還是和DDR/GDDR一樣的2.5V，雖然勉強將頻率提升至1GHz左右，但功耗發熱出奇的大。

4M×32Bit 2.0ns MBGA 144Ball封裝的GDDR2，單顆16MB，理論頻率1000MHz
GDDR2第一版只有2.2ns和2.0ns兩種速度

    GDDR2第一版只在FX5800/Ultra和FX5600Ultra這三款顯卡上出現過（也包括對應的專業卡及個別非公版顯卡），ATI也有極少數9800Pro使用了GDDR2。高電壓、高發熱、高功耗、高成本給人的印象非常差。隨著FX5900改用GDDR及256Bit，GDDR2很快被人遺忘。

FX5800Ultra需要為顯存專門安裝厚重的散熱片

    GDDR2失敗的主要原因是NVIDIA GeForce FX系列架構和性能的問題，之后即便改用了256Bit高頻GDDR(此時GDDR的頻率已被提升至850-900MHz，直逼GDDR2)，FX5950Ultra依然不是9800XT的對手。當然GDDR2自身規格的不完善也造成了它無法入住中低端顯卡，被時代所遺棄。

    GDDR2雖然壞毛病一大堆，但它也擁有一些新的特性，比如首次使用片內終結電阻，PCB設計比GDDR更加簡潔，這個特性被后來的gDDR2和GDDR3繼承。

    由于第一代GDDR2的失敗，高端顯卡的顯存是直接從GDDR跳至GDDR3的，但GDDR2并未消亡，而是開始轉型。幾大DRAM大廠有針對性的對GDDR2的規格和特性做了更改（說白了就是DDR2的顯存版），由此gDDR2第二版正式登上顯卡舞臺，時至今日依然活躍在低端顯卡之上。

    gDDR2第二版相對于第一版的改進主要有：

  
各大廠商均有gDDR2顆粒

    由于電壓的下降，第二代gDDR2的頻率要比第一代GDDR2低，主要以2.5ns(800MHz)和2.2ns(900MHz)的規格為主，當然也有2.8ns(700MHz)的型號。直到后期制造工藝上去之后，第二代gDDR2才以1.8V電壓突破了1000MHz，最高可達1200MHz，趕超了第一代高壓GDDR2的記錄。

    采用gDDR2顯存的經典顯卡有：7300GT、7600GS、X1600Pro、8500GT……一大堆低端顯卡。

注意三星官方網站對于顯存的分類

    相信很多朋友也注意到了，本頁gDDR2的第一個字母為小寫，幾大DRAM廠商在其官方網站和PDF中就都是這么寫的，以示區分。我們可以這么認為：大寫G表示顯卡專用，32bit定位高端的版本；而小寫g表示為顯卡優化，16bit定位低端的版本，本質上與內存顆粒并無區別。

    事實上，GDDR3和gDDR3之間也是這種關系，稍后我們會做詳細介紹。

    GDDR源于DDR，GDDR2源于DDR2，而GDDR3在頻率方面的表現又與DDR3比較相似，于是很多人認為GDDR3就是顯存版的DDR3，這可是個天大的誤區。

● GDDR3：一代王者GDDR3源于DDR2技術

    無論GDDR還是GDDR2，由于在技術方面與DDR/DDR2并無太大差別，因此最終在頻率方面GDDR并不比DDR高太多。在經歷了GDDR2的失敗之后，兩大圖形巨頭NVIDIA和ATI對JEDEC組織慢如蝸牛般的標準制訂流程感到越來越失望，認為他們制定的顯存不能適應GPU快節奏的產品更新換代周期，于是NVIDIA和ATI的工作人員積極參與到了JEDEC組織當中，以加速顯存標準的起草及制定。

    雙方一致認為，顯存與內存在數據存儲的應用方面完全不同，在內存核心頻率(電容刷新頻率)無法提升的情況下，單純提高I/O頻率來獲得高帶寬很不現實。因此，必須要有一種針對高速點對點環境而重新定義的I/O接口。于是GDDR3誕生了，這是第一款真正完全為GPU設計的存儲器。

    GDDR3和GDDR2/DDR2一樣，都是4Bit預取架構，GDDR3主要針對GDDR2高功耗高發熱的缺點進行改進，并提升傳輸效率來緩解高延遲的負面影響。

    GDDR2只有一條數據選擇脈沖（DQS），是單一雙向的，而GDDR3則擁有讀與寫兩條獨立的DQS，而且是點對點設計。這樣做的好處在于，在讀取之后如果馬上進行寫入時，不必再等DQS的方向轉變，由此實現讀寫操作的快速切換。

    相比GDDR2/DDR2，GDDR3的讀寫切換動作可以少一個時鐘周期，如果需要對某一個連續的區塊同時讀寫數據時，GDDR3的速度就要比GDDR2快一倍。

    由于存儲單元自身的特性，內存顆粒的邏輯Bank是無法同時讀寫數據的，并不存在“全雙工”一說，但GDDR3的這項改進讓順序讀寫成為可能。GPU本身緩存很小，與顯存之間的數據交換極其頻繁，讀寫操作穿插進行，因此GDDR3點對點設計的DQS可以讓顯存存儲效率大增。但對于CPU來說，讀寫切換并不如GPU那么頻繁，而且CPU擁有大容量的二三級緩存，所以GDDR3這種設計并不能極大的提升內存帶寬，也沒有引入到下一代DDR3當中。

    同時GDDR3也對I/O控制電路和終結電阻進行了修改，它不再沿用GDDR2的“推式（Push Pull）”接收器，而將其改為虛擬開極邏輯方式（Pseudo Open Drain Logic），并且通過將所有的三相數據信號轉移到本位電路上，來簡化數據處理，將DC電流壓至最小，只有當邏輯LOW移至總線上時才會消費電力，從而很好的控制了功耗和發熱。

    GDDR3的頻率能達到現在這么高，其實并沒有什么訣竅，憑借的就是不斷改進的工藝制程，來暴力拉升頻率。資歷稍老點的玩家應該知道，GDDR3于2004年初次登臺亮相時，6600GT的顯存頻率僅為1GHz，并不比GDDR2高，5年過去了，GDDR3從1GHz一路攀升至2GHz甚至2.5GHz，生命力得到了延續。

    明白了GDDR3的原理技術后，再來看看實物。GDDR3和GDDR1類似，也有兩種封裝形式：

● 144Ball MBGA封裝，為了向下兼容GDDR和GDDR2

    最初的GDDR3采用了144Ball MBGA封裝，這與GDDR和GDDR2第一版完全相同，外觀也是正方形，三者的電氣性能相似，支持GDDR3的GPU也可使用GDDR顯存，PCB和電路只需做少量調整。

三星2.0ns 8M×32Bit GDDR3顆粒

    144Ball封裝的GDDR3只有8M×32Bit一種規格，所以8顆顯存組成256MB 256Bit、或者4顆顯存組成128MB 128Bit是當時的主流。5700Ultra就首次使用了GDDR3取代了GDDR2。

    144Ball封裝的GDDR3主要有2.0ns(1000MHz)和1.6ns(1250MHz)兩種速度，1.4ns良率不高產量很小，最高頻率止步于1400MHz。曾被7800GTX/GT、6800GS、6600GT、X850/X800/X700等顯卡大量采用。由于144Ball封裝及PCB電路限制了其頻率的提升，很快GDDR3就改用了電氣性能更好的136Ball FBGA封裝。

● 136Ball FBGA封裝，頻率容量節節攀升

    為了提高電氣性能和環保水平，從2005年開始，GDDR3開始采用全新的136Ball FBGA封裝，并統一使用無鉛封裝工藝。新封裝使得顯卡PCB必須重新設計，但也為GDDR3的騰飛鋪平了道路。

三星0.8ns GDDR3顯存 16M×32Bit規格

    136Ball封裝GDDR3的優勢如下：

• 規格不再局限于8M×32Bit一種，16M×32Bit成為主流，目前32M×32Bit已大量采用；
• 伴隨著制造工藝的進步，額定電壓從2.0V進一步降至1.8V，但一些高頻顆粒可適當加壓；
• 速度從1.4ns起跳，經過1.2ns、1.1ns、1.0ns一路發展至0.8ns、0.7ns，最快速度可突破2500MHz，但這是以犧牲延遲為代價的，好在GPU對延遲不太敏感；

    當GDDR3的頻率首次達到2000MHz時，很多人都認為離極限不遠了，于是未雨綢繆的抓緊制定GDDR4規范，但沒想到在DRAM廠商的努力及新工藝的支持下，GDDR3的生命得到了延續，0.8ns 0.7ns的型號相繼量產，而且容量更大的32M×32Bit顆粒也成為主流，基本上能夠滿足高中低端所有顯卡的需要。

當前速度最快0.77ns GDDR3顯存顆粒，理論頻率可達2600MHz

    當年2.2ns GDDR最高可達900MHz，核心頻率和I/O頻率止步于450MHz。經過5年時間的發展，GDDR3憑借新工藝終于在核心頻率和I/O頻率方面取得突破，核心頻率可達600MHz以上，I/O頻率超過1200MHz，此時過高的I/O頻率成為了新的瓶頸。

    GDDR3采用了DDR2的4bit預取技術，所以采用DDR3 8bit預取技術的顯存只能按順序命名為GDDR4。GDDR4是在GDDR3的基礎上發展而來的，它繼承了GDDR3的兩大技術特性，但內核改用DDR3的8bit預取技術，并加入了一些新的技術來提升頻率。

● GDDR4的技術特性：

• 使用DDR3的8bit預取技術，以較低的核心頻率達到更高帶寬，但延遲增加；
• 采用數據總線轉位技術（DBI，Data Bus Inversion，下文做詳細介紹），提高數據精度，降低功耗；
• 地址線只有GDDR3的一半，多余線用于電源和接地，有利于提升頻率，但導致延遲增加；
• 采用多重同步碼（Multi-Preamble）技術，解決了GDDR3存在的爆發限制（Burst LimitATIon），從連續地址讀取少量數據時的性能大幅提升；
• 電壓從1.8V降至1.5V；
• 同頻功耗下降75%，2400MHz的GDDR4功耗只有2000MHz GDDR3的一半；
• 采用136Ball FBGA封裝，單顆32Bit，向下兼容GDDR3；

GDDR4的確更好超，但性能提升有限

    由于采用了8bit預取技術，因此在相同頻率下GDDR4的核心頻率（即電容刷新頻率）只有GDDR3的一半，理論上來講GDDR4最高頻率可達GDDR3的兩倍。但值得注意的是，雖然核心頻率通過8bit預取技術減半，但GDDR4與GDDR3的I/O頻率是完全相同的，因此GDDR4頻率提升的瓶頸在于I/O頻率而不是核心頻率。

    由于制造工藝和技術水平的限制，雖然三星官方宣稱早已生產出3GHz以上的GDDR4，但實際出貨的GDDR4只有2GHz-2.5GHz，此后改進工藝的GDDR3也追平了這一頻率。在相同頻率下，GDDR4比起GDDR3雖然功耗發熱低，但延遲大性能稍弱，再加上成本高產量小，GDDR4遭受冷落并不意外。

● 導致GDDR4失敗的非技術方面原因

    GDDR3是NVIDIA和ATI參與JEDEC組織后共同制定的顯存標準，而GDDR4在標準制定過程中雙方產生了較大的分歧。NVIDIA較為保守，認為應該保持DDR2 4bit預取技術不變，繼續改進I/O控制器來提升頻率；而ATI則比較激進，準備直接使用DDR3 8bit預取技術。

    雙方爭執的結果就是在JEDEC組織中德高望重的ATI獲勝（據稱ATI有位高層在JEDEC身居要職），而NVIDIA則明確表示不支持GDDR4。因此GDDR4其實就是ATI一手策劃的，但得不到NVIDIA支持的話，GDDR4立馬就失去了6成以上的市場，由此導致DRAM廠不敢貿然投產。

    最終只有三星一家生產了少量的GDDR4顯存，其他家都在觀望。當然其他DRAM廠商都沒閑著，它們把精力都投在了深挖GDDR3的潛力當中，于是我們看到了GDDR3的頻率節節攀升，GDDR4在沒有成本優勢的情況下，也沒有頻率優勢，恰好當時的幾代A卡更沒有性能優勢，GDDR4自然只有死路一條。

    只有ATI生產過搭載GDDR4的顯卡，數量雖然不多但橫跨了三代產品：X1950XTX、HD2600XT和HD3870(也包括對應的專業卡)——與當年NVIDIA使用GDDR2的顯卡數量相等。NVIDIA在遭遇滑鐵盧后果斷放棄了GDDR2，而ATI對于GDDR4則是難以割舍，三年時間三代產品都有使用，但一直都是非主流。

    GDDR4的失敗并不是技術原因，和當年的GDDR2相比它要成熟很多，沒推起來的原因主要是對手太強：ATI的對手NVIDIA很強大，另外GDDR4的對手GDDR3生命力太頑強了。

    即便使用了8bit預取技術，可GDDR4還是沒有與GDDR3拉開頻率差距，因為瓶頸在I/O控制器上面而不是內核，而GDDR5就是用來解決這一瓶頸的。

● GDDR5：恐怖的頻率是如何達成的

    和GDDR4一樣，GDDR5采用了DDR3的8bit預取技術，核心頻率顯然不是瓶頸，如何提升I/O頻率才是當務之急。但GDDR5并沒有讓I/O頻率翻倍，而是使用了兩條并行的DQ總線，從而實現雙倍的接口帶寬。

GDDR5各項總線工作頻率示意圖

    雙DQ總線的結果就是，GDDR5的針腳數從GDDR3/4的136Ball大幅增至170Ball，相應的GPU顯存控制器也需要重新設計。GDDR5顯存擁有多達16個物理Bank，這些Bank被分為四組，雙DQ總線交叉控制四組Bank，達到了實時讀寫操作，一舉將數據傳輸率提升至4GHz以上！

    以往GDDR1/2/3/4和DDR1/2/3的數據總線都是DDR技術(通過差分時鐘在上升沿和下降沿各傳輸一次數據)，官方標稱的頻率X2就是數據傳輸率，也就是通常我們所說的等效頻率。而GDDR5則不同，它有兩條數據總線，相當于Rambus的QDR技術，所以官方標稱頻率X4才是數據傳輸率。比如HD4870官方顯存頻率是900MHz，而大家習慣稱之為3600MHz。

● 失敗乃成功之母，冒險使用GDDR5助RV770挑戰GTX200

    GDDR4的失敗并沒有阻擋ATI前進的腳步，在意識到GDDR4頻率提升的瓶頸之后，GDDR5草案的制定就被提上日程，ATI和NVIDIA技術人員重新聚首，開展第二次合作共商大計。GDDR5吸取了前輩們的諸多優點，可謂是取其精華棄其糟粕，在I/O改進方面雙方也不再有太多矛盾。

    技術方面的問題不難解決，最難的是時間和進度。ATI在R600上面冒險使用512Bit顯存控制器來提升顯存帶寬，結果輸得一敗涂地，于是RV670只好回歸256Bit，導致性能原地踏步。而GDDR4相比GDDR3沒有頻率優勢，因此ATI迫切的需要GDDR5迅速投產以滿足新一代GPU的需要，RV770只有256Bit，急需高頻顯存的支持。

    對手NVIDIA對于GDDR5當然很感興趣，但卻一點都不著急，保守的NVIDIA決定堅守GDDR3，GTX200核心使用了512Bit顯存控制器來提升帶寬。比起R600的環形總線，NVIDIA從256Bit到384Bit再到512Bit一步一個腳印走出來的交叉總線顯然更加成熟。

    以256Bit對抗512Bit，ATI只能將籌碼全部押在GDDR5身上，于是在GDDR5標準尚未完全確立之前，ATI已經在緊鑼密鼓的測試性能，并督促DRAM廠投產。可以說GDDR5和GDDR2/4一樣也是個早產兒，但失敗乃成功之母，有了完善的技術規格和制造工藝的支持，GDDR5一出世便令人刮目相看。

    憑借GDDR5翻倍的數據傳輸率，HD4870以256Bit將448Bit的GTX260挑落馬下，迫使NVIDIA通過降價、提升規格、改進工藝等諸多手段來反擊。128Bit的HD4770性能也完勝256Bit的9600GT并直逼9800GT。

    GDDR5在GDDR3/4優秀特性的基礎上，還有諸多改進和新特性，下面就對它們進行詳細分析。

• 數據和地址總線轉位技術：信號質量高、功率消耗少

    在1Byte數據中的8個值中，如果超過一半的數值是0，那么GDDR5就會自動執行轉位傳輸，把0變成1、1變成0，通過1個附加的DBI(數據總線轉位值)來判定數據流是正位還是反位。GDDR5的這項技術是從GDDR4繼承發展而來的。

    DRAM在傳輸數據時，只有0會消耗電能，減少0的傳輸數量，既能保證信號質量，也能減少內部終結電阻和外部終結電路的功率消耗。GDDR5的地址總線也使用了類似的技術，通過額外的ABI通道來轉位數據流，從而較少信號噪聲，并降低功耗。

• 智能的可編程I/O控制接口：簡化PCB設計和成本

    GDDR5對I/O控制器做了很多改進，加入了全新的自動校準引擎，保證GDDR5顯存顆粒更好的適應GPU顯存控制器的需求，確保數據傳輸穩定可靠。

    自動校準引擎可以監控電壓和溫度變化，通過校驗數據輸出驅動器導通電阻與ODT終結電阻值來作出補償，數據、地址、指令終結電阻都可以被軟件或驅動控制。

GDDR5的針腳更多，但布線更簡潔

    此外GDDR5還能支持時間延遲和信號強度調整，靈活的協調數據同步，以往通過“蛇形走線”平衡延遲的方法徹底成為歷史，GDDR5沒有這種顧慮，因此能極大的簡化PCB布線和成本，并有利于沖擊更高頻率。

• 數據遮蓋技術：減輕數據總線壓力

    GDDR5的Burst Length（對相鄰存儲單元連續進行數據傳輸的周期數）是8bit，也就是說GDDR5顆粒一次至少要傳輸256bit數據，但很多時候并不是所有的數據都需要被改寫，導致無效的數據傳輸。

    為此，GDDR5使用了一項數據遮蓋技術，通過地址線傳輸保護信息，所有被保護的數據在傳輸過程中就不會被改寫，只有暴露的數據才會被寫入新的數據。如此以來，GDDR5的數據線壓力減輕不少，功耗發熱也得到進一步控制。

• 誤差補償技術：提高傳輸效率，避免災難性錯誤

    為了保證數據在高速傳輸過程中的有效性，GDDR5新增一項錯誤偵測與修正技術。GDDR5使用了成熟的CRC（循環冗余校驗），通過DQ和DBI總線，實時檢查錯誤，第一時間重新發送數據。

    這項技術對于高頻率傳輸數據尤為重要，它能有效的減少數據傳輸錯誤導致系統崩潰的概率，大幅減少了由超頻或高溫導致的一系列問題，而且能夠一定程度上提升數據傳輸效率。

• 折疊模式：32bit顆粒當作16bit用

    GDDR5作為高端顯卡專用的顯卡，只有32bit的顆粒。由于GDDR5擁有兩條并行的數據總線，這就使得GDDR5的工作模式變得更加靈活，它既可以工作在32bit模式下也可以工作在16bit模式下。這樣一個32bit顯存控制器就可以控制兩顆GDDR5顯存，顯存容量可以輕松翻倍。

    其實，GDDR3/4都可以通過這種方式擴充顯存容量，但原理則完全不同。此前必須GPU的顯存控制器在設計時支持雙Bank模式才能支持更多的顯存顆粒。而現在，8顆GDDR5顯存總計256bit可以直接被128bit的GPU使用，從而簡化了顯存控制器設計，HD4770就是很好的例子。

    之前我們分析過，TSOP封裝的GDDR1還有gDDR2顯存，其實在技術上與DDR1/2內存沒有本質區別，高位寬(16bit)的內存顆粒可以直接當作顯存使用。隨著DDR3顆粒大量投產，成本接近DDR2，于是在DDR3內存取代DDR2的同時，也將順便取代老舊的gDDR2。

● gDDR3：把內存顆粒改裝成顯存用

    以目前的情況來看，DDR3比gDDR2頻率高很多，但成本比GDDR3要低，所以gDDR2被取代是板上釘釘的事。AMD率先將DDR3使用在了顯卡上，隨后得到了業界的一致認可。

    為了和DDR3內存顆粒區分，DRAM廠將其稱為Graphics DDR3 SDRAM，簡寫為gDDR3，和DDR3內存顆粒一樣都是8bit預取技術，單顆16bit，定位中低端顯卡；而傳統的GDDR3則是Graphics GDDR3 SDRAM的簡寫，它和DDR2內存一樣采用了4bit預取技術，單顆32bit，定位中高端顯卡。

    可以看出，在高端GDDR5將會取代GDDR3，而低端gDDR3將會取代gDDR2，中端則會出現三代共存的局面。雖然gDDR3單顆位寬只有GDDR3的一半，但存儲密度卻是GDDR3的兩倍，而且在相同頻率下(比如2000MHz)，gDDR3的核心頻率是GDDR3的一半，因此功耗發熱要低很多。對于位寬不高的中低端顯卡來說，gDDR3大容量、低成本、低功耗發熱的特性簡直相當完美！

    上圖就是現代官方網站列出的gDDR3和GDDR3兩種顯存的規格參數表，注意它們的全稱，是否有"G"，真的是差之毫厘謬以千里。

    gDDR3源于DDR3，技術特性上沒有區別，主要在封裝上面。gDDR3作為對顯卡優化的版本，單顆16bit FBGA 96Ball封裝；而DDR3多為單顆4/8bit，封裝是78/82Ball。也有少數DDR3使用了16bit FBGA 96Ball封裝，由于位寬太大僅用于特殊場合。

    在前文的內存部分，關于內存顆粒的位寬、通道、Bank等做了一些介紹，這些技術參數對于顯存同樣適用，但顯存也有自己的一套規格定義，下面就逐一介紹：

● 規格：16M×32Bit是什么意思？

    當您瀏覽網站或者查看顯卡規格時，往往都會看到類似“某某顯卡使用了4顆16M×32Bit的GDDR3顯存”這樣的文字，這其中16M×32Bit就是該顯存顆粒的主要規格，是國際統一的命名標準，可以到存儲廠商官方網站上查到。

    16M×32Bit中，16M表示顯存存儲單元的容量為16Mbit，32Bit是單顆顯存的數據位寬，這種標稱不容易理解，需要經過換算才能得到符合我們使用習慣的規格。

● 容量：單顆顯存容量＝存儲單元容量×數據位寬/8

    以最常見的16M×32bit GDDR3顯存為例，16×32/8＝64MB，一顆顯存就是64MB的容量，那么這塊顯卡用了4顆顯存就組成了256MB。

    很多人可能會納悶上面的公式中為何要除以8，因為官方規格中的16M的單位是Megabit（兆位）而不是MegaByte（兆字節），它兩之間的換算需要除以8。

● 速度：顯存理論頻率＝1000/時鐘周期×2

    大家常說某某顯卡采用了1.4ns顆粒，另一個顯卡用了更快的1.2ns顆粒，超頻更猛等等……這個1.2ns就是顯存的時鐘周期，同樣的我們需要換算成更容易理解的數字。

    套用以上公式，我們來算算主流規格顯存的理論頻率是多少：

    為什么要乘以2，因為DDR系列存儲顆粒屬于雙倍傳輸，在工作頻率和數據位寬相同的情況下，顯存帶寬是SDRAM的2倍，因此大家習慣于在基礎頻率上乘2，超高的頻率確實比較好看。

● 位寬：顯存位寬＝單顆顯存數據位寬×顯存數量

    這個不難理解，比如顯卡使用了4顆16M×32bit GDDR3顯存，那么位寬就是32bit×4＝128bit。需要注意的是，并非所有情況下這個公式都成立，除了顯存數量之外，GPU顯存控制器的位寬決定了顯卡位寬上限。

    低端顯卡核心擁有128Bit顯存控制器，因此4顆GDDR3顯存就能滿足位寬需求，即便PCB上集成了8顆顯存，顯卡位寬依然是128bit。如果是中端顯卡的話，8顆顯存正好是256Bit，與核心相吻合。

● 帶寬：顯存帶寬＝顯存位寬×顯存工作頻率/8

    單純看顯存位寬意義并不大，最終影響顯卡性能的其實是帶寬。我們可以把帶寬比作是馬路的車行流量，顯然馬路越寬（顯存位寬），車速越高（顯存頻率），最終的帶寬就越高。

    以GTX260為例，顯存頻率2GHz，位寬448bit，計算所得帶寬就是112GB/s。除以8的原因還是因為bit和Byte之間的換算。

    帶寬是顯存速度的最終衡量，有些顯卡的顯存頻率高，但是位寬低，最典型的就是使用GDDR5顯存的HD4870，位寬256bit但頻率高達3600MHz，最終計算得帶寬就是115GB/s，和GTX260相當。

● SDR+DDR1/2/3和GDDR1/2/3/4/5全系列規格參數匯總：

● 顯存引領DRAM發展，未來內存將以顯存為藍本開發

    縱觀近年來內存與顯存的發展，就會發現顯存的發展速度已經遠遠超越了內存，顯存帶寬幾乎達到了內存帶寬的10倍之多，而且這個差距還在不斷的加大。目前三通道DDR3已經足夠桌面CPU用好一陣子了，而GPU對顯存帶寬的渴求似乎是個永遠都填不滿的無底洞。

    正因為如此，顯存逐漸脫離了內存的發展軌跡，在經過幾次并不成功的嘗試之后，從內存的配角/附屬品，開始走向了反客為主的道路。GDDR2提前DDR2近兩年、GDDR4提前DDR3一年多，雖然都以失敗而告終，但卻為GDDR5的成功打下了堅實的基礎。

    在內存領域，如今DDR3才剛剛站穩腳跟，至少將統治PC兩至三年，但DDR4的標準已經在積極制定當中，而其技術規格將會以GDDR5為藍本——也就是說保持DDR3 8bit預取技術不變，改進I/O控制器，個中原因相信認真閱讀了本文的朋友們應該知道吧。