双通道DDR技术解读

目前采用冯·诺依曼结构体系的计算机，其“存储程序”的基本工作原理决定了内存在整个系统中的作用非常重要。因为任何应用程序运行时，都将首先被装入内存，处理器必须访问内存并从中取出指令才能执行任务。现在CPU速度已经很快，如果内存性能不佳很容易对系统整体性能形成瓶颈。近年来，内存除了运行频率提升之外，原本只在服务器等高阶领域采用的双通道内存技术，也开始进入桌面电脑。双通道DDR技术的发展，无疑将提升个人电脑整体性能，并延长目前处于主流地位的DDR内存的生命周期，成为近期广受关注的内存技术之一。
<H2>　　一、出现的背景</H2>
　　与CPU、显示芯片的更新换代速度相比，内存的发展明显偏慢。性能平平的SDRAM占据了相当长时间的“领导”地位，而高性能的RDRAM由于价格等因素并未获得市场认可，目前最为普及的仍是两年前开始应用的DDR内存。尽管其性能高于SDRAM，但随着CPU、显卡等部件性能的飞速提升，DDR内存带宽正逐渐成为系统瓶颈。

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　　从2003年第二季度开始，Intel将推出800MHz前端总线的P4处理器，需要内存有6.4GB/s以上的带宽配合。虽然RDRAM声称届时提供如此巨大的带宽没有什么问题，但是RDRAM的高价格和拙劣的市场表现使人们更期望能够有一种廉价的基于DDR内存的高带宽解决方案。现阶段的DDR内存带宽的确太小了，就是目前最高速的DDR400，也只能提供3.2GB/s的带宽，无法满足新型CPU的需求。当然DDR的下一代产品DDR2将能提供相当高的内存带宽，但DDR2的研制进展似乎显得艰难而缓慢，最早也要等到2004年初才能进入主流市场。
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　　面对这种局面，NVIDIA在去年为大家带来的平衡内存与CPU带宽的解决方案：双通道DDR技术，相继得到了包括威盛、矽统和英特尔在内的芯片组大厂的青睐。在去年的IDF 2002上，英特尔展示了其首款双通道DDR芯片组：Granite Bay(正式名称为E7205)。由于全新的双通道DDR内存将使桌面电脑或工作站获得比采用Rambus更高的带宽与性能，VIA也在VTF2002中发布了双通道P4芯片组：P4X600。此外，SiS的双通道P4芯片组655也已面世。目前芯片组制造商们正在准备力争使双通道的DDR内存成为未来的主流。

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<H2>　　二、原理及应用</H2>
! j; o- L4 b) i; D3 y　　在讲述双通道DDR技术的原理前，我们先简单看看DDR内存的工作原理：DDR内存的核心以SDRAM为基础，但在速度上有明显提高。与SDRAM相比，DDR运用了更先进的同步电路，使指定地址、数据的输入和输出主要步骤既独立执行，又保持与CPU完全同步；DDR还使用了DLL技术(延时锁定回路)，当数据有效时，存储控制器可使用这个数据滤波信号来精确定位数据，每16次输出一次，并重新同步来自不同存储器模块的数据。DDR本质上不需要提高时钟频率就能加倍提高速度，它允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿读出数据，因而带宽是前代产品SDRAM的两倍以上。和以往的内存技术相比，DDR已经很先进了，但相关厂商并没放慢发展的脚步，又在DDR的基础上推出了双通道DDR内存控制技术。

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双通道DDR技术其实并非很高深的技术，它和双通道RDRAM技术非常类似：两者都通过两条内存并行运作以获得双倍带宽。两个64位内存控制器，可以提供128位内存总线所达到的带宽。双通道体系包含了两个独立的、具备互补性的智能内存控制器，两个内存控制器都能够在彼此间零等待时间的情况下同时运作。例如，当控制器B准备进行下一次存取内存的时候，控制器 A就在读/写主内存，反之亦然。两个内存控制器的互补可以让有效等待时间缩减50%左右。
+ s* \1 s- ?* G5 T　　双通道DDR的两个内存控制器在功能上是完全一样的，并且两个控制器的时序参数都是可以单独编程设定的。这样的灵活性可以让用户使用不同容量、速度的DIMM内存条，此时双通道DDR简单地调整到最低的密度来实现128位带宽，允许不同密度/等待时间特性的DIMM内存条可以可靠地共同运作。

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8 E# k; F- r# \　　下面我们看看最早推出双通道DDR技术的nForce芯片组的关键技术：TwinBank内存架构(nForce2的DualDDR内存体系与此类似)，这是第一个成熟的DDR双通道架构。TwinBank拥有两个独立的64位内存控制器(dual-independent，分别是MC0以及MC1)，每个子控制器对应一条内存通道，每个周期可以提供128位的数据，还采用了GeForce3“闪电内存架构”中的交叉式(cross-bar)数据分配技术。因此，中央处理器(CPU)以及图形处理器(GPU)、音效处理器(APU)都可以同时获得每秒4.2 GB的内存带宽，而且还可以保证每次都可持续地完成所有的程序应用。

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　　总体来说，TwinBank 这种双通道DDR内存构架的亮点在于其每条通道都单独具有内存控制器，两个通道可以单独或者同时工作，这样两个通道在同时工作时使用DDR266内存就能提供4.2GB/s的内存带宽，是单通道内存带宽的双倍。此外双通道技术还可以缩短内存延迟周期，提高内存子系统的性能。

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　　双通道DDR技术带来的性能提升是明显的，DDR266能够提供2.1GB/s的带宽，而双通道DDR266则能提供4.2GB/s的带宽。以此类推，双通道DDR333和DDR400能够达到5.4GB/s和6.4GB/s。不过由于在双通道中都有独立的内存控制器，而常见的使用nForce芯片组的主板都提供了三条内存插槽，这样就会导致如下问题的发生：位于Bank A上的内存将独享64位的内存控制器，而位于Bank B和Bank C上的内存将会产生彼此竞争的状况。因此我们在使用时应注意，如果在Bank B上使用双面内存的话会导致系统性能普遍下降。
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　　毫无疑问，双通道DDR是在DDR2进入主流之前最好的选择，双通道DDR内存的应用也将趋向普及。只需两条普通的DDR内存加一块支持双通道DDR技术的主板便能享受双倍带宽的快感。在更完善的内存标准确定之前，双通道DDR技术定会有强大的生命力。

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三、相关产品
! h# G# ]1 t$ K" y( N6 b　　从前面的讲述我们可以看到，双通道DDR技术仍基于现有的DDR内存体系，和DDR内存本身的关系并不太大，因此与其说是一种内存技术还不如说是芯片组技术来得更确切。下面我们来看看与双通道DDR技术相关的芯片组产品。

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　　目前已有NVIDIA nForce、nForce 2、SiS655及Intel E7500等产品可支持双通道DDR内存，Intel、SiS和VIA的下一代芯片组产品都已计划加入该功能，而AMD Opteron处理器集成的内存控制器也可支持双通道DDR技术。也就是说，双通道DDR技术会成为未来DDR内存构架的主要运作方式。
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( x3 ?6 v, |: g: Q% g" v# m) ^　　在这些产品中，最重要是Intel最新推出的E7205芯片组。显然，作为业界首屈一指的CPU、芯片组生产厂商，英特尔的影响力是无与伦比的。虽然此前NVIDIA致力推广双通道DDR，但始终得不到理想的市场反应的原因也在于此。

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　　E7205芯片组定位在高端工作站，支持400MHz/533MHz前端总线，支持超线程技术、AGP 8×总线、USB2.0接口；支持双通道DDR200或者DDR266内存，南北桥之间采用266MB/s的Hub Link总线连接。在E7205支持下，双通道DDR266内存提供的4.2GB/s峰值带宽，恰好等于目前主流的533MHz P4系统总线所需要的带宽。此外，英特尔将在今年继续推动双通道DDR内存，推出更多支持双通道DDR内存芯片组。根据产品蓝图，Intel将在桌面平台推出Springdale系列芯片组，支持Prescott处理器和双通道DDR333。
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　　在P4平台上还有VIA的P4X600芯片组也将支持Intel P4 533MHz前端总线，并且支持双通道的DDR内存。与E7205相比可以支持DDR333内存，也就是说我们使用128位DDR333内存时就能得到5.4GB/s的带宽。矽统已经推出支持双通道DDR内存的SiS655芯片组主板的工程样板，支持双通道DDR266/333，并且允许不同容量的内存混插工作于双通道模式，四条DIMM插槽最大可支持4GB DDR333内存。

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8 m# Y( s- m* A: X& d. ?0 J　　AMD平台的双通道DDR解决方案暂时只有NVIDIA的nForce/nForce 2系列唱独角戏。nForce 2支持200/266/333MHz前端总线，支持双通道DDR266/333/400内存和AGP 8×。


<H2>　　四、竞争对手</H2>
　　说到双通道DDR技术不得不再谈谈VIA推出的另一种基于DDR技术的新内存架构：QBM(Quad Band Memory，四倍带宽内存)。
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8 H6 W" q: E: c$ B) [　　通过这种技术，DDR内存可以实现在一个时钟周期内4次数据传输，即可以将目前的传统DDR内存在同等工作频率下，把数据传输带宽提升整整一倍。QBM是针对目前DDR架构的一种全新的改进，采用QBM技术的内存模组由两个DDR模块构成。其一按照正常的速度工作，其二则延迟1/4周期，每一模块连接一个场效应管。场效应管在此充当开关缓冲的作用，在它的作用下，时钟周期错开的模块在一个10ns的周期内共同提供4bits的数据吞吐量。而普通的DDR内存在同样一个周期内能实现的吞吐量是2bits，也就是说从技术方面提升了DDR内存模块的工作效率，让DDR内存模块能够更加合理地利用时钟周期的空间分配，更加有效率地进行数据的传输工作，以实现性能的成倍提升。

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更重要的是，虽然QBM内存带宽成倍提升，其成本却没提高很多。如果一款芯片组要支持QBM(Quad Band Memory)技术，方法也很简单，只要将内存控制器重新设计为支持QBM技术就可以了，原来传统的64位DDR SDRAM内存接口还是能够继续使用的。这种设计最大的好处是在主板设计方面只要在芯片组内设计一个QBM 控制器，其他在主板布线等设计因素几乎可以不用改动。
　　VIA的第一款支持QBM的芯片组将是支持Pentium 4的P4X800；这款芯片组将在2003年的一季度底发布。下表是目前几种DDR内存技术带宽的比较。

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五、发展前景
4 w$ [2 a( y$ I4 ^( @　　如同CPU一样，内存技术的更新也是很快的。为了弥补性能差距，只有开发出新的存储器来满足对带宽的需求。除了上面提到的双通道DDR技术外，内存作为计算机发展的前沿产品，在今后还会有不少新技术、新产品出现。
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# p4 @' q  I) m5 ^% }7 r+ z* l第一代DDR内存预计将在发展到DDR400时达到顶点，在这以后将依靠双通道DDR和QBM技术扩充的带宽，坚持到2004年左右。随后DDR2将于2004年开始应用于个人电脑，DDR2这种只需要64位线宽的下一代DDR技术也许是双通道DDR的替代产品，和原来DDR一样的数据线宽不会增加主板在布线方面的成本。


　　DDR2与目前的DDR相比，主要有以下的改进：预取数据容量从2bit提高到4bit；工作电压从DDR的2.5V降到1.8V；采用了片内终结器设计(ODT，On Die Termination)，即将原来在主板上的终结电阻集成到芯片内，有助于提高高频下的信号质量并降低主板的成本。


  X0 I2 k# b5 [2 B最后我们再谈点DDR3的情况。根据2002年JEDEX透露的信息，DDR3将在2007年正式出台，至少从667MHz开始，预取数据容量大于4bit，而且工作电压更低，寄生干扰也将进一步减少。目前还未有任何DDR3规格细节公布。显然，现在谈论细节还为时尚早，毕竟半导体技术日新月异，包括DDR3在内的下一代内存规格目前谁也无法预测。

不太明白