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DRAM、FLASH和DDR技术分析和对比

2018-12-22
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本文主要介绍DRAM、FLASH和DDR技术分析和对比,并从容量、成本、可靠性、耐用性、ECC算法和坏块处理等维度进行对比分析。



定义


1DRAM


DRAM(Dynamic Random Access Memory),即动态随机存取存储器,最为常见的系统内存。DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新(refresh)一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。 (关机就会丢失数据)。


2Flash内存


Flash内存即Flash Memory,全名叫Flash EEPROM Memory,又名闪存,是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器,数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位,区块大小一般为256KB到20MB。闪存是电子可擦除只读存储器(EEPROM)的变种,EEPROM与闪存不同的是,它能在字节水平上进行删除和重写而不是按区块擦写,这样闪存就比EEPROM的更新速度快,所以被称为Flash erase EEPROM,或简称为Flash Memory。由于其断电时仍能保存数据,闪存通常被用来保存设置信息,如在电脑的BIOS(基本输入输出程序)、PDA(个人数字助理)、数码相机中保存资料等。另一方面,闪存不像RAM(随机存取存储器)一样以字节为单位改写数据,因此不能取代RAM。


3NOR Flash和NAND Flash


NOR Flash和NAND Flash是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。


Intel于1988年首先开发出NOR Flash 技术,彻底改变了原先由EPROM(Erasable Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器)和EEPROM(电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory)一统天下的局面。


紧接着1989年,东芝公司发表了NAND Flash 结构,强调降低每比特的成本,有更高的性能,并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。


NOR Flash 的特点是芯片内执行(XIP ,eXecute In Place),这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。NOR 的传输效率很高,在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。NAND的结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于Flash的管理和需要特殊的系统接口。通常读取NOR的速度比NAND稍快一些,而NAND的写入速度比NOR快很多,在设计中应该考虑这些情况。


4DDR


DDR=Double Data Rate双倍速率同步动态随机存储器。严格的说DDR应该叫DDR SDRAM,人们习惯称为DDR,其中,SDRAM 是Synchronous Dynamic Random Access Memory的缩写,即同步动态随机存取存储器。而DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的缩写,是双倍速率同步动态随机存储器的意思。DDR内存是在SDRAM内存基础上发展而来的,仍然沿用SDRAM生产体系,因此对于内存厂商而言,只需对制造普通SDRAM的设备稍加改进,即可实现DDR内存的生产,可有效的降低成本。


5DDR2


DDR2(Double Data Rate 2) SDRAM是由JEDEC(电子设备工程联合委员会)进行开发的新生代内存技术标准,它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是,虽然同是采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式,但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力(即:4bit数据读预取)。换句话说,DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据,并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。


此外,由于DDR2标准规定所有DDR2内存均采用FBGA封装形式,而不同于目前广泛应用的TSOP/TSOP-II封装形式,FBGA封装可以提供了更为良好的电气性能与散热性,为DDR2内存的稳定工作与未来频率的发展提供了坚实的基础。回想起DDR的发展历程,从第一代应用到个人电脑的DDR200经过DDR266、DDR333到今天的双通道DDR400技术,第一代DDR的发展也走到了技术的极限,已经很难通过常规办法提高内存的工作速度;随着Intel最新处理器技术的发展,前端总线对内存带宽的要求是越来越高,拥有更高更稳定运行频率的DDR2内存将是大势所趋。 


6DDR3


DDR3是一种计算机内存规格。它属于SDRAM家族的内存产品,提供了相较于DDR2 SDRAM更高的运行效能与更低的电压,是DDR2 SDRAM(四倍资料率同步动态随机存取内存)的后继者(增加至八倍),也是现时流行的内存产品规格。


主要特点:

(1)功耗和发热量较小:吸取了DDR2的教训,在控制成本的基础上减小了能耗和发热量,使得DDR3更易于被用户和厂家接受。


(2)工作频率更高:由于能耗降低,DDR3可实现更高的工作频率,在一定程度弥补了延迟时间较长的缺点,同时还可作为显卡的卖点之一,这在搭配DDR3显存的显卡上已有所表现。


(3)降低显卡整体成本:DDR2显存颗粒规格多为16M X 32bit,搭配中高端显卡常用的128MB显存便需8颗。而DDR3显存颗粒规格多为32M X 32bit,单颗颗粒容量较大,4颗即可构成128MB显存。如此一来,显卡PCB面积可减小,成本得以有效控制,此外,颗粒数减少后,显存功耗也能进一步降低。


(4)通用性好:相对于DDR变更到DDR2,DDR3对DDR2的兼容性更好。由于针脚、封装等关键特性不变,搭配DDR2的显示核心和公版设计的显卡稍加修改便能采用DDR3显存,这对厂商降低成本大有好处。

目前,DDR3显存在新出的大多数中高端显卡上得到了广泛的应用。 现在许多低端的显卡也有采用DDR3显存的  


7DDR4


DDR,英文全称为:Dual Data Rate,是一种双倍速率同步动态随机存储器。严格的说,DDR应该叫DDR SDRAM,人们习惯称为DDR,其中,SDRAM 是Synchronous Dynamic Random Access Memory的缩写,即同步动态随机存取存储器,而DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的缩写,是双倍速率同步动态随机存储器的意思。


简单来说,DDR4就是第二代内存的意思,目前不少智能手机与电脑都用上了新一代DDR4内存,它属于我们熟知的DDR3内存的下一代版本,带来了更低的功耗与更出色的性能。



区别


1NAND flash和NOR flash


一、NAND flash和NOR flash的性能比较


flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。


NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。由于擦除NOR器件时是以64~128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以8~32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。


这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。

1、NOR的读速度比NAND稍快一些。

2、NAND的写入速度比NOR快很多。

3、NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

4、大多数写入操作需要先进行擦除操作。

5、NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。


二、NAND flash和NOR flash的接口差别

NOR flash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。


NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作,很自然地,基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。


三、NAND flash和NOR flash的容量和成本

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。


NOR flash占据了容量为1~16MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8~128MB的产品当中,这也说明NOR主要应用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储,NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。


四、NAND flash和NOR flash的可靠性和耐用性

采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。


五、NAND flash和NOR flash的寿命(耐用性)

在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。


六、位交换

所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见,NAND发生的次数要比NOR多),一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显,但是如果发生在一个关键文件上,这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题,多读几次就可能解决了。当然,如果这个位真的改变了,就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候,同时使用


七、EDC/ECC算法

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然,如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。


八、坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力,但发现成品率太低,代价太高,根本不划算。


NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中,如果通过可靠的方法不能进行这项处理,将导致高故障率。


九、易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的闪存,可以像其他存储器那样连接,并可以在上面直接运行代码。


由于需要I/O接口,NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时,必须先写入驱动程序,才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧,因为设计师绝不能向坏块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。


十、软件支持

当讨论软件支持的时候,应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件,包括性能优化。


在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持,在NAND器件上进行同样操作时,通常需要驱动程序,也就是内存技术驱动程序(MTD),NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。


使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些,许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件,这其中包括M-System的TrueFFS驱动,该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。

驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。


2DDR与DDR2


DDR与DDR2区别一览表


3DDR2与DDR3


特性区别:

1、逻辑Bank数量

DDR2 SDRAM中有4Bank和8Bank的设计,目的就是为了应对未来大容量芯片的需求。而DDR3很可能将从2Gb容量起步,因此起始的逻辑Bank就是8个,另外还为未来的16个逻辑Bank做好了准备。


2、封装(Packages)

由于DDR3新增了一些功能,在引脚方面会有所增加,8bit芯片采用78球FBGA封装,16bit芯片采用96球FBGA封装,而DDR2则有60/68/84球FBGA封装三种规格。并且DDR3必须是绿色封装,不能含有任何有害物质。


3、突发长度(BL,Burst Length)

由于DDR3的预取为8bit,所以突发传输周期(BL,Burst Length)也固定为8,而对于DDR2和早期的DDR架构的系统,BL=4也是常用的,DDR3为此增加了一个4-bit Burst Chop(突发突变)模式,即由一个BL=4的读取操作加上一个BL=4的写入操作来合成一个BL=8的数据突发传输,届时可通过A12地址线来控制这一突发模式。


4、寻址时序(Timing)

就像DDR2从DDR转变而来后延迟周期数增加一样,DDR3的CL周期也将比DDR2有所提高。DDR2的CL范围一般在2至5之间,而DDR3则在5至11之间,且附加延迟(AL)的设计也有所变化。DDR2时AL的范围是0至4,而DDR3时AL有三种选项,分别是0、CL-1和CL-2。另外,DDR3还新增加了一个时序参数——写入延迟(CWD),这一参数将根据具体的工作频率而定。


4DDR3与DDR4


主要区别:

1、外观改变

DDR4内存条外观变化明显,金手指变成弯曲状,这意味着,DDR4内存不再兼容DDR3,老平台电脑无法升级DDR4内存,除非将CPU和主板都更换为新平台。


2、DDR4内存频率与带宽提升明显

频率方面,DDR3内存起始频率为800,最高频率达到了2133。DDR4内存起始频率就达到了2133,量产产品最高频率达到了3000,从内存频率来看,DDR4相比DDR3提升很大。


带宽方面,DDR4内存的每个针脚都可以提供2Gbps(256MB/S)的带宽,DDR4-3200那就是51.2GB/s,比之DDR3-1866高出了超过70%。

综合来看,DDR4内存性能最大幅度可比DDR3提升高达70%,甚至更高。


3、DDR4内存容量提升明显,可达128GB

上一代DDR3内存,最大单挑容量为64GB,实际能买到的基本是16GB/32GB,而新一代DDR4内存,单条容量最大可以达到128GB,媲美SSD了。


4、DDR4功耗明显降低,电压达到1.2V、甚至更低。上一代DDR3内存,采用1.5V标准电压,而DDR4内存则降低为1.2V,甚至可以做到更低,功耗下降了,更省电,并且可以减少内存的发热。


简单总结:DRAM、FLASH和DDR等都是目前主流的存储器,在服务器三大件中占了重要的占比。在酷热炎暑,客户数据中心的冷却电力成本更是达到了年度高峰,如果您的数据中已经全部FLASH化,冷却电力成本会大幅度下降。非洲估计也很热吧。


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