Snabbare databehandling kräver snabbare minne. Dubbel datahastighet synkront dynamiskt slumpmässigt minne (DDR SDRAM) gör det möjligt för världens datorer att arbeta med data i minnet. DDR används överallt — inte bara i servrar, arbetsstationer och stationära datorer, utan det är också inbäddat i konsumentelektronik, bilar och andra systemdesigner. DDR SRAM används för att köra applikationer och göra beräkningar i rasande hastigheter, och DDR-standarden säkerställer att alla minnesleverantörer följer samma nivå av kvalitet och hastighet för att läsa och skriva till minnet.

Varje ny generation av DDR-standarden, definierad av Joint Electronic Devices Engineering Council (JEDEC), ger betydande förbättringar jämfört med föregående generation inklusive ökade hastigheter, minskat fotavtryck och förbättrad energieffektivitet. Den senaste standarden, DDR5, släpptes 2021. Utvecklare är redan ivriga att dra nytta av de otroliga datahastigheterna: upp till 6.4 gigaöverföringar per sekund (GT/s), en fördubbling av den föregående generationen.

Dessa förbättringar av minneshastigheten kommer att möjliggöra teknologier som är starkt beroende av nästan omedelbar databehandling. Dessa förbättringar introducerar dock nya design- och testutmaningar för minnesdesigners och -tillverkare. Låt oss titta på hur DDR5-standarden hanterar dessa utmaningar, hur utvecklare drar fördel av DDR5 i framväxande teknologier och hur nästa generation av DDR kan se ut.

Snabbare, inte bredare

Sedan SDRAMs ursprung har ingenjörer ställts inför utmaningar med ökande minneshastigheter. De har hittat sätt att skriva och läsa snabbare och mer effektivt för att påskynda bearbetningen i sina designs. DDR SDRAM blev standarden i slutet av 1990-talet och har sedan dess förbättrats många gånger om, vanligtvis fördubblat bithastigheten för varje generation.

Snabbare DDR-bithastigheter är möjliga genom att sända signalen snabbare eller fler bitar åt gången. Att öka antalet stift på en enhet över en viss mängd är dock orealistiskt och dyrt. Faktum är att DDR5 har samma antal stift som DDR4. Enbart snabbare signalhastighet är den valda metoden för att öka minnesbithastigheterna för nästa generations enheter.

Med högre hastighet kommer utmaningar

DRAM-processer är i sig anti-hastighet eftersom bitarna lagras i laddade kondensatorer. Kapacitans kan orsaka distorsion i signaler som arbetar med hög hastighet. Detta visas som ett slutna öga diagram på ett oscilloskop, som stängs mer och mer när bithastigheten ökar till sin maximala bandbredd. Bitarna blir omöjliga att särskilja vid de högsta hastigheterna, som visas i det slutna ögat i figur 1.

Fig. 1: Nytt för DDR5 är en equalizer på datavägen för att filtrera brus från höghastighetsöverföring.

För att lösa detta problem kräver DDR5 utjämning för att filtrera bort bruset, hålla signalintegriteten hög och öppna ögat igen. Till skillnad från höghastighets seriell kommunikation, placerar DDR5 utjämningen i en kontroller på sändarsidan, snarare än i mottagaren. Detta håller all logik borta från själva DRAM-minnet men lägger till ett nytt element mellan DIMM-stiften och RAM-chippet, vilket inte fanns i DDR4. Allt detta kulminerar i ett mer sofistikerat, snabbare minnesöverföringssystem för att nå 6 GT/s med bibehållen låg bitfelsfrekvens.

Snabbare minne möjliggör framtiden

DDR5 är fortfarande i de tidiga faserna av adoption. JEDEC släppte standarden i juli 2021. Den första CPU-plattformen som stöder DDR5 släpptes i början av 2022. Denna plattform innehåller dock fortfarande DDR4-stöd, så det kan dröja innan branschen accepterar DDR5 som de-facto minnesstandarden. Under de kommande åren kommer fler persondatorer, servrar och inbyggda system att dra fördel av den högre hastigheten, lägre effekten och större minneskapaciteten som är tillgänglig med DDR5.

Internet-of-Things (IoT) och Vehicle-to-Everything (V2X) autonoma fordon är bara två av de många tekniker som möjliggörs av 5G som kommer att koppla samman miljarder enheter till molntjänster. Den datalagringsinfrastruktur som krävs för att bearbeta all data som skickas till molnet kommer att behöva snabbare och effektivare minne än något vi sett hittills, särskilt i tids- och säkerhetskritiska applikationer som V2X. DDR5 är ett stort steg, tillsammans med snabbare trådlös kommunikation, för att möjliggöra dessa nya teknologier. Men när dessa användningsfall blir verklighet, kommer DDR5 att vara tillräckligt snabb?

DDR6: Fördubbling av datahastigheten för DDR5

DDR5 har precis börjat införas på marknaden, men JEDEC och tidiga användare ser redan fram emot nästa generation. DDR6 kommer sannolikt att fördubbla den maximala bithastigheten från sin föregångare, vilket alla tidigare DDR-generationer har gjort. En minnestillverkare meddelade i slutet av 2021 att de har börjat utveckla DDR6 med JEDEC, och att standarden kan nå hastigheter över 12 GT/s och fyrdubbla minneskapaciteten. Men med tanke på hastighetsutmaningarna som diskuterats tidigare kräver att nå 12 GT/s nya innovationer för att framgångsrikt överföra signalen snabbare utan att orsaka distorsion.

En möjlighet är för DDR6 att ta efter andra standarder som Wi-Fi genom att använda pulsamplitudmodulering (PAM) eller kvadraturamplitudmodulering (QAM) signalering. DDR5 har redan öppnat dörren för att lägga till komplex signalering till standarden, så det är vettigt att dessa metoder kan användas för att öka bithastigheten ytterligare i framtiden.

Den nya verkligheten

Tills DDR6 blir verklighet försöker utvecklare fortfarande ta steget från DDR4 till den nya DDR5-standarden. Den något mer komplicerade karaktären hos DDR5-standarden gör att simulering, validering och efterlevnadstester blir svårare att utföra och marginalerna för fel är ännu mindre. Keysight är starkt engagerat med JEDEC och partner för tidiga adoptioner av DDR5-standarden.

Titta på det här webbinariet, Senaste DDR5-utvecklingen och planering för DDR6, för mer information om DDR5-implementering och för att lära dig hur man karakteriserar och testar dessa system.