賽靈思有90%的客戶在使用DDR存儲(chǔ)器。DDR4是倍受青睞的DDR存儲(chǔ)器系列的最后一代。眾多競(jìng)爭(zhēng)者們正在虎視眈眈，意圖搶占更大的DDR4市場(chǎng)份額。

存儲(chǔ)器領(lǐng)域正在發(fā)生翻天覆地的變化，這一變化的根本原因在于倍受青睞的DDR存儲(chǔ)器系列將在DDR4戛然而止，而賽靈思有90%的客戶都在使用該主流緩沖存儲(chǔ)器（圖1）。

無(wú)需過(guò)度恐慌：原因在于DDR3能夠與大多數(shù)系統(tǒng)板完美兼容，DDR4盡管進(jìn)展緩慢，但在未來(lái)數(shù)年將會(huì)逐步取代DDR3的位置。盡管如此，由于DDR4沒(méi)有繼任者，客戶正在尋找另一種存儲(chǔ)器，同時(shí)也在認(rèn)真權(quán)衡帶寬、容量或功耗?？赡艿睦^任者是LPDDR3/4，而某些應(yīng)用領(lǐng)域則更傾向于混合存儲(chǔ)立方體(HMC)等串行DRAM解決方案。

為了了解存儲(chǔ)器面臨的這些重要挑戰(zhàn)，讓我們先來(lái)看看影響這些器件的市場(chǎng)趨勢(shì)，以及“迫使DDR帝國(guó)沒(méi)落”的限制因素。接下來(lái)，我們會(huì)考慮替代DDR的新存儲(chǔ)器類別，從LPDDR到串行存儲(chǔ)器——相信設(shè)計(jì)人員都希望了解這一新概念。

瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)趨勢(shì)

通常，當(dāng)客戶在設(shè)計(jì)他們的新一代產(chǎn)品時(shí)，他們總是會(huì)選擇同樣存儲(chǔ)器的新一代產(chǎn)品，以獲得更高的容量、速度和吞吐量。鑒于此，圖2顯示了當(dāng)前和預(yù)計(jì)的DRAM市場(chǎng)份額變化趨勢(shì)。DDR3占據(jù)了當(dāng)前總DRAM市場(chǎng)約70%的份額，這一市場(chǎng)主導(dǎo)地位的確立是由于2009到2010年間其市場(chǎng)份額急劇上升了40%。DDR4的市場(chǎng)接受速度稍慢，部分是因?yàn)橐苿?dòng)DRAM（又被稱為L(zhǎng)PDDR）的“侵入”。如果LPDDR能夠滿足無(wú)線市場(chǎng)的需求，那么DDR4的增長(zhǎng)空間將會(huì)非常有限。

圖中，DDR4增長(zhǎng)的確呈加速之勢(shì)，因?yàn)樗泻芏鄡?yōu)勢(shì)，如供電電壓較低，所以更加省電，且速度較快。因此，它最終會(huì)在各個(gè)市場(chǎng)上取代DDR3，且最終取決于PC市場(chǎng)空間。盡管PC的DRAM使用已經(jīng)不再超過(guò)70%的市場(chǎng)份額，但PC仍然是最大的商品設(shè)備細(xì)分市場(chǎng)。存儲(chǔ)器廠商聲稱，目前DDR4主要用于服務(wù)器，而非個(gè)人電子產(chǎn)品細(xì)分市場(chǎng)。盡管如此，DDR4仍是眾多設(shè)計(jì)的絕佳選擇。這種存儲(chǔ)器類型廣為人知，并且在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都會(huì)存在，尤其是因?yàn)樗鼪](méi)有繼任者。

為什么DDR4是最后一代？

那么，為什么沒(méi)有DDR5？當(dāng)終端客戶需要采用新器件時(shí)，他們希望有更多的存儲(chǔ)器可供選擇?？蛻魧?duì)存儲(chǔ)器帶寬的需求永無(wú)止境。MP3播放器需要存儲(chǔ)10,000首歌曲，而曾經(jīng)流行的盒式錄音帶則只能存儲(chǔ)幾十首。客戶希望智能手機(jī)也能夠存儲(chǔ)成倍的圖片或視頻數(shù)量。這些期望通常意味著更多組件和更大的板極空間。諷刺的是，消費(fèi)者通常并不希望他們的電子設(shè)備尺寸與存儲(chǔ)容量或性能保持同比增長(zhǎng)。他們希望技術(shù)進(jìn)步，這樣在同樣甚至更小的空間內(nèi)就可以存儲(chǔ)更多內(nèi)容。

當(dāng)存儲(chǔ)器與賽靈思FPGA配合使用時(shí)，有具體的操作指南，用于指導(dǎo)板面布局，以確保邊距合理以及系統(tǒng)整體成功。具體實(shí)例包括走線長(zhǎng)度、終端電阻和布線層。這些規(guī)則限制了設(shè)計(jì)的最小尺寸，或者不同部件的最近距離。

最小尺寸板面設(shè)計(jì)的替代方案可能是一些最前沿的封裝類型。不幸的是，如果采取新的封裝技術(shù)，例如通過(guò)硅通孔技術(shù)(TSV)實(shí)現(xiàn)芯片堆疊，則會(huì)使成本急劇上升。DDR存儲(chǔ)器并非高成本器件，完全依賴于行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，因此無(wú)法采取激進(jìn)的封裝方式或承擔(dān)價(jià)格的提升。因此，這些技術(shù)進(jìn)步在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)不會(huì)對(duì)DDR3或DDR4系統(tǒng)有任何幫助。

消費(fèi)者還想要更快的速度。以更快的速度運(yùn)行系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致電路板設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。DDR存儲(chǔ)器采用單端信號(hào)，信號(hào)需要合理端接。您運(yùn)行系統(tǒng)的速度越快，保證系統(tǒng)功能正常運(yùn)行的從存儲(chǔ)器到FPGA的走線越短。這意味著器件本身需要放置在更加靠近FPGA的位置。與FPGA的距離限制意味著您在設(shè)計(jì)中能夠使用的存儲(chǔ)器件數(shù)量將會(huì)減少。很多DDR4設(shè)計(jì)會(huì)在FPGA周圍封裝盡可能多的器件，已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)極限。

如果您想要更多存儲(chǔ)空間，您就需要更多器件。如果您需要更快的速度，您就需要縮短器件之間的距離。在有限的空間內(nèi)能夠擠進(jìn)的存儲(chǔ)器件數(shù)量有限。DDR5在速度方面的任何改進(jìn)都會(huì)降低存儲(chǔ)器件可用的區(qū)域，從而降低可用的存儲(chǔ)空間。

DDR3的繼任者應(yīng)該是誰(shuí)？

DDR4能否完全取代DDR3？可能不會(huì)全面取代。趨勢(shì)表明，服務(wù)器市場(chǎng)正在采用DDR4，而DDR3較低價(jià)格優(yōu)勢(shì)仍在持續(xù)，使它成為個(gè)人電腦細(xì)分市場(chǎng)的首選。毫無(wú)疑問(wèn)，消費(fèi)者對(duì)于速度和存儲(chǔ)空間的需求會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，最終PC會(huì)全面采用DDR4存儲(chǔ)器。

如果不是LPDDR，那會(huì)是什么呢？

除了LPDDR之外，還有其它幾類存儲(chǔ)器在覬覦成為下一代存儲(chǔ)器繼任者。串行存儲(chǔ)器就是一種可行的替代方案，并且它完全改變了人們對(duì)存儲(chǔ)空間的看法（圖3）。

從FPGA的角度來(lái)看，存儲(chǔ)器是最終障礙，也是最后需要串行的部分，原因就是延時(shí)。數(shù)據(jù)從并行流變?yōu)榇?，通過(guò)串行鏈路，然后再?gòu)拇修D(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流，這個(gè)流程耗時(shí)太長(zhǎng)。現(xiàn)在，使用串行鏈路的缺點(diǎn)在某些應(yīng)用中是可以容忍的（例如多次寫入且只有少量讀取的情況下，如CT掃描器的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)或掃描天空的一組望遠(yuǎn)鏡）。在另一方面，如果質(zhì)量測(cè)量需要寫入數(shù)據(jù)并且立即閱讀該數(shù)據(jù)，串行存儲(chǔ)器在任何情形下的表現(xiàn)都劣于并行數(shù)據(jù)。但是，如果好的存儲(chǔ)器的衡量標(biāo)準(zhǔn)是高帶寬、能存儲(chǔ)大量視頻或在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)送大量信息，那么串行存儲(chǔ)器就很有誘惑力。

拋開(kāi)延時(shí)，我們需要對(duì)同樣的弊端進(jìn)行研究。生命周期不是問(wèn)題：與LPDDR較短的生命周期相比，這些產(chǎn)品只要有市場(chǎng)需求就可以生產(chǎn)。事實(shí)上，如果對(duì)串行存儲(chǔ)器的需求增加，眾多廠商都可能會(huì)加入生產(chǎn)該存儲(chǔ)器件的行列。

串行存儲(chǔ)器沒(méi)有采用I/O引腳，而采用串并收發(fā)器技術(shù)。在FPGA中，我們可以使用串行接口（收發(fā)器）實(shí)現(xiàn)高速率運(yùn)行。最近，由于降低延時(shí)的需求，廠商們也已經(jīng)解決了這些性能方面的問(wèn)題。這種高度發(fā)達(dá)的串行技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)極高的吞吐量，每秒可達(dá)15 Gb。下一代（以HMC為例）吞吐量預(yù)計(jì)可達(dá)到30 Gbps。人們喜歡“新事物”，但同時(shí)又害怕接觸不熟悉的事物。另一方面，新技術(shù)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)速率受限且初始價(jià)格更高。

混合存儲(chǔ)立方體（HMC）

最有望取代DDR DRAM的串行存儲(chǔ)器為混合存儲(chǔ)立方體 (HMC)，由混合存儲(chǔ)立方體聯(lián)盟 (HMC Consortium) 推廣，首倡者為美國(guó)美光（圖4）。該技術(shù)的贊助者在推廣HMC方面做的非常出色。人們甚至開(kāi)始使用縮寫詞HMC來(lái)代表“串行存儲(chǔ)器”。但事實(shí)上，HMC只是串行存儲(chǔ)器的一種。

除了HMC之外，MoSys公司正在開(kāi)發(fā)一種名為Bandwidth Engine的串行SRAM存儲(chǔ)器，博通公司也提供了一系列串行接口TCAM方案。與之相對(duì)，三星和海力士半導(dǎo)體正在推廣高帶寬存儲(chǔ)器(HBM)，這是一種基于TSV的堆棧式DRAM，采用超寬并行接口。該存儲(chǔ)器看起來(lái)似乎風(fēng)險(xiǎn)更低，因?yàn)樗捎玫氖遣⑿薪涌凇?/p>

但是，目前HMC是從DDR3和DDR4奪取市場(chǎng)份額最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。HMC采用TSV技術(shù)，在邏輯層的頂部堆棧了4到8層互相連接的DRAM，以創(chuàng)建2G或4G的封裝。該邏輯層可提供一個(gè)便捷的接口。

如果需要更多存儲(chǔ)空間，您可以將多達(dá)8個(gè)器件以菊花鏈形式連接起來(lái)。這種1對(duì)4的鏈路能力（以半個(gè)鏈路為單位步進(jìn)）能夠?qū)崿F(xiàn)256位的存取和超大吞吐量。每個(gè)鏈路包括16個(gè)收發(fā)器（半個(gè)鏈路為8個(gè)），每個(gè)都能夠處理15 Gbps的數(shù)據(jù)。這種超大帶寬是之前的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)師所不曾體驗(yàn)過(guò)的。

如需了解對(duì)DDR解決方案的帶寬技術(shù)改進(jìn)，敬請(qǐng)參見(jiàn)表格1，該表格給出了三種設(shè)計(jì)，每一種 (DDR3/DDR4/HMC) 都被調(diào)整為支持60 Gbps的吞吐量。請(qǐng)注意，HMC解決方案中的引腳數(shù)量較原來(lái)至少減少8倍，極大地降低了電路板的復(fù)雜程度并簡(jiǎn)化了布線（如圖5所示）。串并收發(fā)器鏈路的高帶寬允許采用更少的器件，本例中僅有一個(gè)器件。該單一器件和一個(gè)FPGA所占據(jù)的板極空間降為原來(lái)的1/20。最后，HMC解決方案每比特?cái)?shù)據(jù)的能耗也降低了2/3。這些數(shù)據(jù)非常具有震撼性，讓觀察者們相信HMC能夠從DDR4中贏得一部分市場(chǎng)份額。

其它串行存儲(chǔ)器

由于HMC和“串行存儲(chǔ)器”經(jīng)常被錯(cuò)誤混用，有時(shí)候甚至用來(lái)代表任何一種新的高帶寬存儲(chǔ)器，因此探索一些其它新出現(xiàn)的存儲(chǔ)器件是非常有益處的。該類別的三大有力的競(jìng)爭(zhēng)者為MoSys的Bandwidth Engine、博通公司的TCAM，以及三星、海力士半導(dǎo)體和Intel推廣的HBM。

MoSys的Bandwidth Engine（BE2）類似于串行SRAM，而非串行DRAM。它采用收發(fā)器實(shí)現(xiàn)16 Gbps的吞吐量。但是，BE2不太可能取代DDR。相反，它支持72位存取和更低延時(shí)，目標(biāo)是針對(duì)QDR或RLDRAM。它可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包頭或查詢表，而不是像DDR一樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)。

TCAM為三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器。這種特殊的高速存儲(chǔ)器可以廣泛地搜索在高性能路由器和交換機(jī)中找到的模式匹配。與高性能相伴的是高費(fèi)用、能耗和發(fā)熱。除了速度快之外，TCAM在本質(zhì)上是并行的，它沒(méi)有使用串并收發(fā)器實(shí)現(xiàn)高速度。但是，博通公司正在推出該類存儲(chǔ)器的各種串行版本。

因此，TCAM解決方案仍具備串行存儲(chǔ)器所具備的引腳數(shù)少和速度高的優(yōu)勢(shì)。

第三種類型的存儲(chǔ)器為HBM。不要被HMC和HBM之間偶爾發(fā)生的爭(zhēng)辯所迷惑。鮮為人知的是，HBM器件是買不到的。事實(shí)上，如果您想使用HBM，就必須從海力士半導(dǎo)體購(gòu)買一個(gè)芯片，并且將該芯片安裝在您的封裝內(nèi)部的插入器或硅基片上。插入器設(shè)計(jì)中必須包含從您的器件到存儲(chǔ)器的連接，才能實(shí)現(xiàn)這一高帶寬的并行存儲(chǔ)器。

這種類型的存儲(chǔ)器想要占領(lǐng)市場(chǎng)，企業(yè)就必須決定他們想要分享的商業(yè)機(jī)密相關(guān)內(nèi)容，還必須同意采用該類存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（插入器設(shè)計(jì)、高度、接口、公差等等）。這些細(xì)節(jié)可以解決，但目前尚未解決。另一方面，HBM的延時(shí)會(huì)很低。這是因?yàn)殡娮悠骷倪w移距離會(huì)非常小，因?yàn)樗挥诜庋b內(nèi)部。這個(gè)創(chuàng)意非常好，但需要未來(lái)的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

進(jìn)入生產(chǎn)階段

上述任何或全部解決方案的成功都能確保更多的供應(yīng)商加入到為該行業(yè)服務(wù)的先行者隊(duì)伍當(dāng)中。目前正在生產(chǎn)當(dāng)中的解決方案是MoSys的BE2。HMC正在試樣，到年底將會(huì)全面投產(chǎn)。LPDDR4今年年中會(huì)開(kāi)始試樣。HBM并不會(huì)作為獨(dú)立封裝提供，但有傳言說(shuō)HBM可能串行并獨(dú)立封裝。如果您想要購(gòu)買芯片并將HBM整合到您的封裝里，您可以聯(lián)系三星或海力士半導(dǎo)體或其他更小的廠商，很多客戶正在這么做。

目前，DDR3仍在銷售，表現(xiàn)強(qiáng)勁，而DDR4正處于增長(zhǎng)和市場(chǎng)接受階段。DDR4也會(huì)有持久的生命力，很可能比現(xiàn)在倍受青睞的DDR3持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因?yàn)樗歉叨瘸晒Φ拇鎯?chǔ)器件的最后一代產(chǎn)品。LPDDR4最有可能填補(bǔ)該空缺，但不會(huì)在所有領(lǐng)域取代DDR4，除非有非常快速的讀/寫迭代。

否則，串行存儲(chǔ)器將成為最值得關(guān)注的新興技術(shù)。HMC正準(zhǔn)備取代DDR，而Bandwidth Engine則是可以取代QDR和RLDRAM的串行解決方案。

賽靈思如何量身定制ULTRASCALE存儲(chǔ)器的性能
賽靈思UltraScale ? FPGA 專為存儲(chǔ)器所需的更高性能和更大的靈活性而設(shè)計(jì)。演示證明DDR4 運(yùn)行速度可達(dá)2,400 Mbps。這一全球最快的速度得到Agilent 的證實(shí)，該公司在設(shè)計(jì)出了可插入在存儲(chǔ)器下方的插入器，并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)眼圖測(cè)量時(shí)獲得了這一速度。由于DDR4 采用了新型“偽開(kāi)漏”(POD) I/O 結(jié)構(gòu)，賽靈思也在UltraScale 中添加了POD。該結(jié)構(gòu)與I/O 電壓需求為1.2V 的DDR4 協(xié)議相結(jié)合，能夠使存儲(chǔ)器接口I/O 系統(tǒng)比類似速度的DDR3 系統(tǒng)節(jié)約35%。

除了DDR3 和DDR4 之外，UltraScale 還支持大量其它的并行存儲(chǔ)器： LPDDR3、RLDRAM3、QDRII+ 和QDRIV。在串行存儲(chǔ)器領(lǐng)域中，UltraScale 可支持HMC 和MoSys 的Bandwidth Engine，該器件帶有多達(dá)120 個(gè)收發(fā)器，足以應(yīng)對(duì)大多數(shù)應(yīng)用。

此外，UltraScale 還進(jìn)行了內(nèi)部改進(jìn)，以提升存儲(chǔ)器接口性能和FPGA I/O Bank 的利用率。為了提升利用率，賽靈思增加了每個(gè)Bank 的I/O 數(shù)量，每個(gè)I/O Bank 有兩個(gè)PLL。此外，還增加了更精確的5 皮秒抽頭時(shí)延功能。不僅如此，每個(gè)I/O Bank 還支持4 字節(jié)通道，每個(gè)通道有13 個(gè)引腳。賽靈思還為I/O 的預(yù)加重和均衡增加了電路。

這一代技術(shù)目前支持4 排DIMM 模塊和4 個(gè)器件，內(nèi)存訪問(wèn)深度增加了4 倍。物理層時(shí)延的改進(jìn)讓數(shù)據(jù)訪問(wèn)更加快速。大量的改進(jìn)意味著存儲(chǔ)器架構(gòu)將得到優(yōu)化，以滿足您所在市場(chǎng)的性能要求。

UltraScale FPGA 支持所有主要的存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)。帶有MIG IP 向?qū)У腣ivado? 設(shè)計(jì)套件讓部署更加快速，因此客戶能夠更加關(guān)注解決方案而非問(wèn)題。
— Tamara I. Schmitz