DDR的基础知识

我们将介绍:

DDR x4 x8 x16 chip width

DDR bank & rank

DDR bankgroup

DDR Prefetch

DDR Page Size

DDR Row Buffer

DDR Bank Interleaving

DDR Cell & Command Sequence

DDR x4 x8 x16

x4 x8 x16 指的上图黑色的chip输出的位宽，正常的DDR bus width 需要64bit，所以

chip width	x4	x8	x16
黑色chip数量	16	8	4

上图是最常见的x8，也就有8个黑色的chip颗粒。x16的性能和x8的性能相比怎么样呢?

更差，因为x16的bankgroup更少。

DDR4 x8  4 bankgroup

图自 https://www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/data-sheet/dram/ddr4/8gb_ddr4_sdram.pdf

DDR4 x16  2 bankgroup

DDR bank rank

DDR 正面就是一个rank，背面如果也有颗粒，那就又是一个rank。实物图中的8个颗粒组成了一个rank。

其中的一个颗粒的架构图如上面两个图所示，内部分成bankgroup，bankgroup内又分成bank。

我们每次发送的读写命令都是操作的各个颗粒里面同一个位置的bank。比如chip0的bank3，chip1的bank3，chip2的bank3…

DDR bankgroup

DDR的bankgroup可以理解为是将颗粒分成了group进行操作，也可以抽象成是把黑色颗粒chip内又独立成了各个单独的小颗粒，即各个bankgroup。

增加bank的数量就意味着可以增加各个bank之间pipeline操作，因此bank数量越多，吞吐率越大。

为什么有bankgroup?

解决这个问题我们先要理解prefetch。

DDR每更新一代，外面管脚pin的传输速度都翻倍。但是其实DDR内部真正memory的速度和latency是没有变化的，DDR通过预取完成这个假象。

DDR3 x8的预取的本质：

x8即每个颗粒输出8bit，DDR内部慢速的memory通过每次输出64bit，在外部快速的pin管脚上连续输出，即可以得到8倍频。

如果xW W为每个颗粒的位宽，DDR memory和外部管脚的速度相差为M，那么每个颗粒预取WxN bit。

截自 1 Gig x 8的图，右侧的64即为预取的64bit。

 

DDR N	DDR	DDR2	DDR3	DDR4	DDR5
Prefetch	2	4	8	8	16

 

8倍频的DDR3的Prefetch 8，bus width 64bit，正好对应64B。

16倍频的DDR4如果继续prefetch16，那么就会对应128B，与cacheline的64byte对应不上，因此DDR4采用了上文说的bankgroup，在不同的bankgroup间切换输出，来避免连续的输出128Byte。

32倍频的DDR5 prefetch16，难道就不会有输出128B的问题了吗?

确实没有这个问题。如果想要继续使用bankgroup的方法，在多个bankgroup之间切换，也很难做到。因此DDR5的64bit bus切成了两半，32bit x 16 仍然是64B。

实际上64bit额外还有ECC bit，不过我们不必理解。

DDR Page Size

DDR Page Size实际上是每次激活DDR时，输出到row buffer中的数据大小，具体的计算方式是2^column_width * chip_width / 8 Byte.

如果DDR的column address 10 bit， 那么chip_width是4的 page size对应512B，chip_width是8的 page size对应1KB。

DDR Row Buffer

每次activation激活命令发送到DDR时，将DDR的一整行输出到row buffer中，如上图所示。row buffer中的一小部分当前请求的被预取的数据被输出到外部。 如果我们下一次需要读取另一行，那么就需要先写回这一行，然后precharge bit line，再去打开新的一行，这样代价还是挺大的。

所以比较理想的情况是继续读取当前这一行的下一个部分数据，这样不需要写回，可以持续的从row buffer中读取。

图自https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6853217

上图中，row size即page size为2KB，本次预取chip3中的128b，如果下一次能继续读取后面的128b，那么只需要发送一个command命令就可以了。

我们借着这张图回顾一下上面介绍过的内容:

每个chip位宽16bit，需要4个chip组成64bit

外部时钟800Mhz，因为DDR double rate传输，所以实际上是1600Mhz，内部时钟200Mhz，时钟相差8倍。所以我们每次需要预取16x8=128bit.

注意看上图中的每个chip都有一个红色的横条，也就是每次读取的时候都是不同chip的同一个位置的bank被读取。

那么为什么Chip3中的不同的bank的红色横条的位置不一样?

DDR Bank Interleaving

DDR 同一个bank内不同的row之间切换需要上文说的 restore写回和precharge。

但是不同bank之间，共享命令地址数据总线，但是内部的memory是独立的，所以我们可以访问bank0的第1行之后，访问bank1的第7行，再访问bank3的第2行，bank之间的pipeline输出，最大程度的利用数据总线。

如下图所示，

DDR Cell & Command Sequence

上文说的DDR需要写回，是因为DDR是电容组成，存在泄露，除了写回，也需要定期刷新。上图中的Cs存储真正的memory。为了简单，我们将电压理解成0/1 V.

图自https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7446096

上一次操作结束后，会对DRAM precharge，将Cbl charge到0.5v的电位。

我们如果发起读命令，activation操作，会激活一行，即拉高WL线，这时Cs的电位0/1 V和Cbl0.5v的电压会发生charge sharing

Sensing阶段会将电压差经过sense amplifier 存储这一行的数据到row buffer中

Read 命令会从row buffer中，预取对应长度的数据，输出到外侧

在sense amplifier 完成工作后，会将Vdd的电压充至1V，即为restore，此时被破坏了的数据得到了恢复

断开wordline，充电bitline至0.5v，即为precharge操作。

简单的说

Activate 激活对应行 word line，数据输出到row buffer

Read 列命令对应从row buffer中读取数据

Precharge命令恢复bitline至一半电压

　　审核编辑：汤梓红