【赛灵思中国通讯53期】- 再见，DDR 你好，串行存储器

作者：Tamara I. Schmitz
存储器与电源技术总监
赛灵思技术市场部
tschmit@xilinx.com

赛灵思有90%的客户在使用DDR存储器。DDR4是倍受青睐的DDR存储器系列的最后一代。众多竞争者们正在虎视眈眈，意图抢占更大的DDR4市场份额。

存储器领域正在发生翻天覆地的变化，这一变化的根本原因在于倍受青睐的DDR存储器系列将在DDR4戛然而止，而赛灵思有90%的客户都在使用该主流缓冲存储器（图1）。

无需过度恐慌：原因在于DDR3能够与大多数系统板完美兼容，DDR4尽管进展缓慢，但在未来数年将会逐步取代DDR3的位置。尽管如此，由于 DDR4没有继任者，客户正在寻找另一种存储器，同时也在认真权衡带宽、容量或功耗。可能的继任者是LPDDR3/4，而某些应用领域则更倾向于混合存储 立方体(HMC)等串行DRAM解决方案。

为了了解存储器面临的这些重要挑战，让我们先来看看影响这些器件的市场趋势，以及“迫使DDR帝国没落”的限制因素。接下来，我们会考虑替代DDR的新存储器类别，从LPDDR到串行存储器——相信设计人员都希望了解这一新概念。

瞬息万变的市场趋势
通常，当客户在设计他们的新一代产品时，他们总是会选择同样存储器的新一代产品，以获得更高的容量、速度和吞吐量。鉴于此，图2显示了当前和预计的 DRAM市场份额变化趋势。DDR3占据了当前总DRAM市场约70%的份额，这一市场主导地位的确立是由于2009到2010年间其市场份额急剧上升了 40%。DDR4的市场接受速度稍慢，部分是因为移动DRAM（又被称为LPDDR）的“侵入”。如果LPDDR能够满足无线市场的需求，那么DDR4的 增长空间将会非常有限。

图中，DDR4增长的确呈加速之势，因为它有很多优势，如供电电压较低，所以更加省电，且速度较快。因此，它最终会在各个市场上取代DDR3，且最 终取决于PC市场空间。尽管PC的DRAM使用已经不再超过70%的市场份额，但PC仍然是最大的商品设备细分市场。存储器厂商声称，目前DDR4主要用 于服务器，而非个人电子产品细分市场。尽管如此，DDR4仍是众多设计的绝佳选择。这种存储器类型广为人知，并且在很长时间内都会存在，尤其是因为它没有 继任者。

为什么DDR4是最后一代？
那么，为什么没有DDR5？当终端客户需要采用新器件时，他们希望有更多的存储器可供选择。客户对存储器带宽的需求永无止境。MP3播放器需要存储 10,000首歌曲，而曾经流行的盒式录音带则只能存储几十首。客户希望智能手机也能够存储成倍的图片或视频数量。这些期望通常意味着更多组件和更大的板 极空间。讽刺的是，消费者通常并不希望他们的电子设备尺寸与存储容量或性能保持同比增长。他们希望技术进步，这样在同样甚至更小的空间内就可以存储更多内 容。

当存储器与赛灵思FPGA配合使用时，有具体的操作指南，用于指导板面布局，以确保边距合理以及系统整体成功。具体实例包括走线长度、终端电阻和布线层。这些规则限制了设计的最小尺寸，或者不同部件的最近距离。

最小尺寸板面设计的替代方案可能是一些最前沿的封装类型。不幸的是，如果采取新的封装技术，例如通过硅通孔技术(TSV)实现芯片堆叠，则会使成本 急剧上升。DDR存储器并非高成本器件，完全依赖于行业基础设施的规模经济，因此无法采取激进的封装方式或承担价格的提升。因此，这些技术进步在可预见的 未来不会对DDR3或DDR4系统有任何帮助。

消费者还想要更快的速度。以更快的速度运行系统会导致电路板设计更加复杂。DDR存储器采用单端信号，信号需要合理端接。您运行系统的速度越快，保 证系统功能正常运行的从存储器到FPGA的走线越短。这意味着器件本身需要放置在更加靠近FPGA的位置。与FPGA的距离限制意味着您在设计中能够使用 的存储器件数量将会减少。很多DDR4设计会在FPGA周围封装尽可能多的器件，已经达到了设计极限。

如果您想要更多存储空间，您就需要更多器件。如果您需要更快的速度，您就需要缩短器件之间的距离。在有限的空间内能够挤进的存储器件数量有限。DDR5在速度方面的任何改进都会降低存储器件可用的区域，从而降低可用的存储空间。

DDR3的继任者应该是谁？
DDR4能否完全取代DDR3？可能不会全面取代。趋势表明，服务器市场正在采用DDR4，而DDR3较低价格优势仍在持续，使它成为个人电脑细分市场的首选。毫无疑问，消费者对于速度和存储空间的需求会继续增长，最终PC会全面采用DDR4存储器。

如果不是LPDDR，那会是什么呢？
除了LPDDR之外，还有其它几类存储器在觊觎成为下一代存储器继任者。串行存储器就是一种可行的替代方案，并且它完全改变了人们对存储空间的看法（图3）。

从FPGA的角度来看，存储器是最终障碍，也是最后需要串行的部分，原因就是延时。数据从并行流变为串行，通过串行链路，然后再从串行转换为并行数 据流，这个流程耗时太长。现在，使用串行链路的缺点在某些应用中是可以容忍的（例如多次写入且只有少量读取的情况下，如CT扫描器的测试测量系统或扫描天 空的一组望远镜）。在另一方面，如果质量测量需要写入数据并且立即阅读该数据，串行存储器在任何情形下的表现都劣于并行数据。但是，如果好的存储器的衡量 标准是高带宽、能存储大量视频或在互联网上发送大量信息，那么串行存储器就很有诱惑力。