DDR2性能分析及在消费电子产品中的应用展望_存储备份

　　DDR2 SDRAM一出现就迅速得到服务器、工作站和个人计算机OEM厂商的广泛支持，DDR2存储器具有高数据速率、低功耗以及高密度特点，这些特点也适合当前数字消费电子产品的应用需求，如机顶盒和数码相机等。本文对比分析了DDR2相对传统存储器的性能特点，并介绍了DDR2在数字消费电子产品上的应用机会。 DRAM市场的特点是技术不断提高而需求也持续增长，DDR2 SDRAM一出现就迅速得到服务器、工作站和个人计算机OEM厂商的广泛支持。对这些应用来说，DDR2 SDRAM是一个理所当然的选择，因为它的速度和带宽比DDR SDRAM高很多，DDR2的1.8V工作电压使得它可以比其上一代产品功耗整整低50%。但是，DDR2的优势决不仅局限于这些应用，DDR2的高密度、高功效和改善的热特性为台式电脑、笔记本电脑和小外形消费电子产品带来了巨大优势。这些优势的利用将依靠于封装和模块技术的不断发展，非凡是在消费电子产品领域。这个新兴的市场代表着DRAM工业一个新的前沿应用，它将为那些愿意接受挑战以满足新要求的商家带来大量机会。加速向DDR2转换服务器、工作站和个人计算机等传统DRAM市场正在快速向DDR2转换。英特尔公司已经公布其未来的所有芯片组将支持DDR2，其它的主要芯片组供给商看起来也将步英特尔的后尘。今春英特尔开发商论坛和存储器生产商论坛所开展的活动使那些希望向DDR2加速转变的人受到鼓舞，DRAM市场上的大部分主要供给商目前提供经过英特尔验证的DDR2产品。半导体生产设备从8英寸到12英寸晶圆工艺的转变有助于提高产品良率，进而提高DRAM的产量。对于1Gb DRAM器件来说，在单一芯片上既支持DDR1又支持DDR2架构的电路技术很要害，它使得向DDR2的转换更加轻易。 DDR2 SDRAM的优势 DDR2 SDRAM目前的数据传输速率最高为533Mbps，这是DDR266的两倍。除了在原始带宽方面的一些提高外，它还提高了系统的性能和功效，并方便系统设计。这些改进可以分成以下四大类：

4位预取架构：采用DDR2的4位预取(Prefetch)架构，DDR2 SDRAM作为外部总线每个时钟从存储器单元阵列读/写的数据量是原来的四倍，而且其工作频率比内部总线频率快四倍。DDR2 SDRAM、DDR SDRAM 和SDR SDRAM与工作频率为100MHz的DRAM之间的比较结果如下图所示。

片上端接：DDR2的其它特性为主板设计工程师带来了好处，例如利用DDR2的片上端接(ODT)来简化DQ总线设计。在DDR2 SDRAM中，端接寄存器(termination register)就实现在该DRAM芯片之中，而不是安装在主板上(见下图)。DRAM控制器可以为每个信号设定端接寄存器的开或关，这些信号包括数据I/O 、差分数据选通信号和写数据屏蔽。利用ODT就不需要Vtt发生器或Rtt电阻，而且能降低多重反射，提高信号完整性并增加时序裕量。

片外驱动器(OCD)校准：OCD校准改进了DDR2 SDRAM的信号完整性。其做法是：设定该I/O驱动器的电阻来调整该电压，补偿上拉/下拉电阻；通过将DQ-DQS偏移降到最低来改进信号完整性；控制过冲和下冲来改进信号质量；通过I/O驱动器电压校准可以修正不同DRAM供给商之间的工艺差异。
前置CAS和附加延迟：在一个前置CAS操作中，一个CAS信号(读/写命令)可以在RAS信号输入之后成为下一个时钟的输入。该CAS指令可以在DRAM一侧保持，并在附加的延迟(0、1、2、3和4)之后执行。这样简化了控制器设计，因为它可以避免指令总线上的冲突。而且，采用一个简单的指令序列还可以提高指令和数据总线的效率。由于在读/写指令之间不存在“气泡”(bubble)或空隙周期，因此实际的存储器带宽也得到提高。最后一点，DDR2采用细间距球栅阵列(FBGA)封装可以减小系统尺寸，并提高信号完整性。这种技术的一个变体是新型的堆叠式FBGA(sFBGA)，它增加了各模块之间的空气流动空间从而提高了热性能和可靠性。这类符合行业标准、兼容JEDEC的创新是优化DDR2优势的要害。

存储器模块对那些已经充分预备转向DDR2的开发商来说，用于服务器平台的1GB和512MB DDR2带寄存器的双列直插式内存模块(registered DIMM)已经可以批量提供，2GB的DDR2 带寄存器的DIMM已可以提供样品。这些2GB的模块将使服务器产品的密度有很大提高，同时可以实现高达每秒4.3GB的数据传输率。全缓冲的DIMM(FB DIMM)也在开发之中，它可以适应新的更高速总线技术要求，如PCI EXPress。FB DIMM对服务器市场将非常重要，因为服务器需要高带宽和高密度。尽管DDR2明显增加了速度和带宽，但在主板上安放带寄存器的DIMM的数量还是有限度的，否则就会使核心逻辑芯片组过载。通过给该DIMM加缓冲器的方式，该芯片组可以连到第一个DIMM，第一个DIMM再连接到第二个DIMM，然后第三个...，同时缓冲器把信号传送到下一个DIMM。每个总线被分段，因而更多的DIMM可以加到主板上，芯片组的负载也降到最低。用于服务器的FB DIMM模块估计在2005年后期上市。对系统性能的影响除了存储器架构外，采用DDR2的系统还将采用该新存储器架构要求的先进内核逻辑技术。例如，英特尔用在台式电脑上的DDR2有四个接口：到CPU的前端总线(FSB)接口，到GPU的图形总线接口，外设I/O总线和主存储器总线。为使系统性能最优化，FSB、图形总线和主存储器总线应该各自工作在大致相当的带宽上。在这里，处理器的FSB传输数据率为800MHz×8B=6.4GBps；采用PCI-Express技术的图形总线(×16)的传输数据率为8GBps；具有一个双通道的DDR2 DIMM(533MHz×8B×2通道)传输数据率为8.5GBps。这三个接口相对平衡，没有一个接口会明显地成为其它接口的瓶颈。向移动应用发展随着1GB的DDR2小外形双列直插存储器模块(SO-DIMM)即将问世，笔记本电脑也将利用到DDR2的低功率、高密度、高性能和小外形因子等优势。由于因特网的发展和无线通信性能的提升，蜂窝手机和PDA等其它移动应用也逐渐开始处理更大量的数据、声音和视频流，这些应用未来也可能应用到DDR2器件来实现性能的提升。目前这个市场上的DRAM产品均基于SDR和DDR器件架构，并提供移动RAM特定功能，如：部分阵列自刷新，即只刷新一部分特定的存储器单元阵列以降低自刷新电流；温度补偿自刷新，即通过调整刷新频率来适应温度的变化，从而可以起到降低自刷新电流的类似作用；深度功率下降(Deep Power Down)，即切断内部电压以实现最低功耗。提供多种封装和容量的DRAM 随着DRAM的密度、速度和功效的继续改进，需要DRAM来处理日益复杂功能的消费产品也会有相应的增加，灵活性和多样性是这类应用的要害。一种规格适合所有应用的策略在传统计算系统领域得到很好应用，但以消费者为中心的数码照相机、数字电视机、硬盘录像机和个人视频录像机等产品需要有一些新的改变。消费电子产品市场将可能坐上向DDR2转变的末班车，DRAM供给商已经在探索开发这些市场的途径。根据消费产品市场特点，很显然有必要提供各种各样的封装选择，如TSOP、FBGA和LQFP。适合在客户自己的多芯片封装(MCP)或系统级封装(SiP)设计上实现的“裸片”产品是一种重要的设计考虑。在新兴市场上能提供各种密度的产品也是非常重要的，例如64Mb、128Mb和256Mb，并且有16位和32位两种结构。多样化需求消费应用的需要具有多样化考虑，以汽车导航系统为例，这些系统不仅需要宽带数据传输能力，而且还必须在很宽的环境温度下工作。这需要存储器的工作范围为-40到85°C，而标准DRAM的工作范围为0到70°C。而数字广播、机顶盒和数字电视全是宽带应用，常规的DDR SDRAM器件可以达到3.2GBps的数据传输率，因而能满足标准清楚度数字电视和高清数字电视的需求。类似DVD/HD录像机这样的消费产品正在从根本上改变家庭电视机的作用。这些产品可以获益于DDR2的更高存储器容量和速度。DDR和DDR2技术的正确应用将有助于这个市场的成长，而且DRAM市场有能力轻松地适应这些应用不断发展的需求。图像质量的改善和微型化推动了数字摄像机的发展。数字摄像机中的视频处理可以用×32位I/O SDRAM或DDR SDRAM来优化，这是“裸片”设计用在客户自己的SiP方案的另一个重要领域。数字机顶盒应用在世界范围内，向数字电视的转变比预期的要慢，因为许多消费者仍然不愿意匆忙地去买一个数字调谐器和监视器。机顶盒是一个可行的替代选择，而机顶盒应用将是DRAM的另一个成长领域。最后一点，提供接近电影图像质量的先进图形技术也许是DRAM发挥其优越性能的另一个领域。由于因特网的持续发展和通信线路的性能提高，数字消费电子产品开始处理更大量的数据和声音。这些环境增加了对超快、高容量DRAM的需求，如DDR2、RDRAM和XDR。
本文原作者为日本尔必达（ELPIDA）公司DRAM技术行销经理 Jun Kitano ，转载自《电子工程专辑》