5G的蓬勃發展帶動了各項新技術的爆發性成長,從人工智慧(AI)到雲端高速運算再到物聯網(IoT),甚至是擴增實境(AR/VR),於此同時,各項技術所能產生的資料量也跟著大幅成長。為了因應與日俱增的資料量,儲存和快速存取的需求就顯得格外重要,而記憶體在這當中所扮演角色的關鍵程度更是不言而喻。

記憶體扮演關鍵角色

更深入一點來看,動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory; DRAM)被用來當作是電腦的主要記憶體,中央處理器(CPU)就是從該記憶體當中讀取指令後再執行相關運用;換句話說,DRAM的表現將會直接影響到終端產品的效能,這也就是為什麼,在各項新技術崛起的背景之下,記憶體標準也要隨之升級的原因。

而記憶體的標準是由JEDEC(聯合電子裝置工程委員會)所控制,其為獨立半導體工程與貿易組織,為了滿足各項需求與應用,許多不同的DRAM標準應運而生,隨著新一代的記憶體技術不斷開發,該組織制定了每個世代的標準。同時為了因應對頻寬越來越高的要求,這些標準都各自進一步發展出不同世代的版本。

其中,DDR記憶體(Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory,簡稱DDR SDRAM)為具有雙倍資料傳輸率的SDRAM,可以在一個時脈周期內兩次發送和接收資料訊號,其資料傳輸速度為系統時脈的兩倍,因為速度增加,其傳輸效能也就能夠大幅優於傳統的SDRAM,因此,在各項領域當中皆獲得相當廣泛的應用。

進一步將DDR標準的發展歷史攤開來看,從二○○○年發布的第一個DDR標準至今已經超過二十年的時間,回顧前幾個世代的標準,從DDR、DDR2、DDR3、一直到DDR4,所需的電源電壓值越來越低,而數據的傳輸速度則是呈現倍數的成長(詳細差異及變化可見表格),由此可以看出,每一代的記憶體都代表速度與頻率的提升,以及功耗消耗的降低。

二○二○年七月十五日,為了解決從用戶端系統到高性能伺服器的廣泛應用所面臨到的性能以及功耗挑戰,JEDEC固態技術協會正式公布了下一代主流記憶體標準DDR5 SDRAM的最終規範(JESD79-5),可以說是替全球電腦記憶體技術拉開了下一個新時代的序幕。確實,在這超過二十年的世代更迭後,記憶體終於迎來DDR5的盛世。

與先前DDR2、3和4的升級演進相比,DDR5相較於DDR4的變化確實更為巨大。深入來看,因為促成前幾個世代升級的主要推動力為行動和終端應用端的需求內容,所以升級的內容大多都是將重點放在如何降低功耗之上。而推動DDR5產出的主要因素,則是因為當前各項新型處理器的核心數量越來越多,導致現有的記憶體頻寬跟不上節奏,必須進一步提高頻寬的需求,也就是說,DDR5的革命性改變,宣告了新世代已經能夠實現了更好的通道效率、提升了功耗管理、最佳化的效能,以因應次世代多核心運算系統。

速度提升一倍之多

究竟DDR5到底有什麼厲害之處?其中,最值得關注的部分,當然非速度莫屬了,DDR5速度硬是比已經「超級快」的DDR4提升了一倍之多。仔細深入從實際數據來看,與一.六GHz時脈頻率下DDR4記憶體最高的三.二Gbps的傳送速率相比,全新DDR5記憶體的最高傳輸速率達到了六.四Gbps,表現確實相當亮眼。

而在記憶體密度的部分,DDR4在單裸晶封裝(SDP)模式下僅支援最高十六Gb的DRAM容量,而DDR5記憶體標準將這一數位提高到了六四Gb。也就是說,DDR5 DIMM在SDP模式下的最高容量可達二五六GB,是DDR4六十四Gb最大容量的四倍之多。同時,DDR5更可以支援最高四○個單元的堆疊。也就是說,其有效記憶體容量最高可以達到二TB的水準。此外,DDR5也改善了DIMM的工作電壓,將供電電壓從DDR4的一.二V降至一.一V,進一步提升了記憶體的能效表現。據了解,與上一代的DDR4相比,DDR5大約可節省約三成的功耗,進而達到更加省電的效果。

從JEDEC固態技術協會公告DDR5的標準至今,在歷經了一年多的研究發展過後,有不少記憶體廠商相繼推出相關新產品,近來隨著大廠英特爾正式發表第十二代Core處理器(代號Alder Lake),市場也紛紛將今年視作是DDR5記憶體正式起飛的元年。根據市場研調機構Omdia分析指出,對DDR5的市場需求從去年開始逐步顯現,到二○二二年,DDR5將占據整個DRAM市場份額的大約一成左右,而直到二○二四年為止,則將進一步攀升至四三%,另外,Yole Developpement認為DDR5的廣泛應用應該會從明年的伺服器市場開始,接著二○二三年才會一路延伸至手機、NB和PC等主流市場,屆時,其出貨量將會明顯勝過DDR4,完成兩種技術之間的快速過渡。

三大巨頭動作積極

要觀察DDR5的發展態勢,當然不能放過總共生產了全球大約八六%的DRAM晶圓,貢獻了全球DRAM產業約莫九成五營收的三大廠商三星(Samsung)、SK海力士和美光(Micron Technology),這三巨頭的最新進度,無疑也成為DDR5市場未來發展的指標風向球。美光自二○二○年起就推動DDR5「技術應用支援計畫」(Technology Enablement Program; TEP),加速業界採用最新的DRAM技術,並與生態系夥伴一同為可支援DDR5的新平台做準備,目前更是採用1α奈米擴大DDR5產能,動作相當積極。

三星日前也宣布開始量產基於極紫外光(EUV)技術,且為目前業界尺寸最小的十四奈米DRAM,是繼去年三月完成業界首款EUV DRAM出貨後,將EUV層數再提升至五層,為DDR5解決方案提供最精密先進的DRAM製程,此產品將締造史上最快、每秒可達七.二GB(Gbps)的傳輸速度,未來將投入大型伺服器、資料中心等市場。

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《先探投資週刊2173期》
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