三大厂商的DDR 5技术对比

2022-03-17 14:00:15 来源: 半导体行业观察

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我们刚刚进入了DDR5内存时代。自去年以来，所有主要的 DRAM 厂商，如美光、三星和 SK 海力士，都开始发布他们的第一款 DDR5 内存产品（模块）。此外，如今对 DDR5 产品的需求明显且肯定超过供应。DDR5 是 DRAM 的新标准，旨在满足计算、高带宽、人工智能 (AI)、机器学习 (ML) 和数据分析的需求。

在接下来的文章里，我们了解一下这个新技术。

DDR4 数据速率通常在 1,600 MHz 到 3200 MHz 的范围内运行，而 DDR5 在数据和时钟速率方面都在 DDR4 上有所改进，性能翻倍，最高可达或超过 7,200 兆比特每秒 (Mbps)。DDR5 将工作电压降低到 1.1V。已添加和修改了许多新的和高级功能，包括将预取从 8 个增加到 16 个、更多的存储库和存储库组以提高总线效率、新的写入模式和刷新模式、决策反馈均衡器 (DFE) 和 PDA。还增加了片上ECC，以加强片上RAS，减轻控制器的负担。这无疑离在未来以数据为中心的应用程序中释放价值更近了一步。

第一个 DDR5 产品以 4,800 MT/s（或 5,600 MT/s）的速度投放市场。与当前高性能服务器中的高端 3,200 MT/s DDR4 DIMM 相比，数据速率提高了 33%。作为参考，Everspin 1 Gb pMTJ STT-MRAM 独立 DDR4 芯片以 1,333 MT/s 的速度运行，具有 15 ns CL 和 135 ns tRCD。最近发布的 GDDR6 设备的运行速度为 16,000 MT/s，LPDDR5 的运行速度为 6,400 MT/s，HBM2E 的运行速度为 3,600 MT/s，HBM2E 是 Nvidia 的旗舰数据中心 GPU 的最新版本，即 80 GB 的 A100（图 1）。

图 1. DDR、GDDR、HBM 和 LPDDR 的 DRAM 数据速率趋势。

JEDEC 最近更新了 DDR5 SDRAM 标准 (JESD79-5A)，包括密集型云和企业数据中心应用驱动的需求要求，为开发人员提供了两倍的性能和大大提高的能效。为了更高的密度和更高的性能，DDR5 有望采用最先进的 DRAM 单元技术节点，例如 D1z 或 D1a (D1α) 代，这是 10 纳米级 DRAM 节点的第 3 代或第 4 代。DDR5 内存包含多项创新和新的 DIMM 架构，可实现速度等级跳跃并支持未来扩展。

三星已经发布了基于高 k 金属栅极 (HKMG) 工艺的 DDR5 内存模块。HKMG 工艺于 2018 年在业界首次被三星 GDDR6 内存采用，现在已扩展到 DDR5 内存。SK 海力士刚刚发布了一款新的 24 Gb DDR5 芯片，该芯片采用采用 EUV 工艺的尖端 D1a 纳米技术开发。在带宽方面，DIMM 提供 38.4 GB/s 或 44.8 GB/s（例如，SK Hynix 的 GDDR6 设备为 64 GB/s，八芯片 HBM2E 设备为 460 GB/s）。

TechInsights，最近分析了三款全新的DDR5 DIMM产品；TeamGroup ELITE DDR5 16 GB UDIMM 系列配备 Micron DDR5 设备、G.SKILL Trident Z5 DDR5 内存 (F5-5600U3636C16GX2-TZ5K) 配备三星 DDR5 设备，以及 SK Hynix 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5-4800B 模块（表 1）。

（表一）

三大 DRAM 制造商已开始量产其首批 4800 MHz 或 5600 MHz 的 DDR5 组件。我们预计 DDR5 设备具有 D1a 或 D1α，然而，DDR5 DRAM 芯片和单元/外围设计看起来还没有成熟，并且所有第一批 DDR5 芯片都采用了一些较旧的技术节点（设计规则），例如三星 D1y、美光 D1z , 和 SK 海力士 D1y。迄今为止，业界领先的工艺技术节点是 D1a 或 D1α。表 1 显示了美光、三星和 SK 海力士发布的首批 DDR5 设备的比较。

第一个是 TeamGroup ELITE DDR5 UDIMM，配备 16 GB DDR5 设备，其中 DDR5 MT60B2G8HB-48B:A 芯片由美光（Y32A 芯片）制造。我们分析的第二个是 G.SKILL Trident Z5 DDR5 内存 F5-5600U3636C16GX2-TZ5K 与三星 DDR5 K4RAH086VB-BCQK 设备（K4RAH046VB die）。第三个来自 SK Hynix，带有 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5-4800B 模块（H5CNAG8NM die）。

美光应用了他们的 M-D1z 工艺技术节点，而三星和 SK 海力士采用了 D1y 单元工艺（S-D1y 和 H-D1y）。因此，美光 (66.26 mm 2 ) 的 DDR5 裸片尺寸小于三星 (73.58 mm 2 ) 和 SK Hynix 的 (75.21 mm 2 )。

与三星和 SK 海力士相比，美光在 DDR5 上的单元尺寸和位密度方面有更大的进步。事实上，美光 M-D1z 工艺技术比三星和 SK 海力士的 D1y 工艺更先进，包括 15.9 nm D/R、poly-Si/TiN cell gate 无 W 材料、更小的有源/WL/BL 间距、先进的 SNLP 工艺和SN电容工艺和材料，以及CuMn/Cu金属工艺。