圖一：標準DDR4模組展示
圖片來源：www.techradar.com

動態隨機存取記憶體(Dynamic Random-Access Memory，DRAM)是常見的記憶體元件。在處理器相關運作中，DRAM經常被用來當作資料與程式的主要暫存空間。相對於硬碟或是快閃記憶體(Flash Memory)，DRAM具有存取速度快、體積小、密度高等綜合優點，因此廣泛的使用在各式各樣現代的科技產品中，例如電腦、手機、遊戲機、影音播放器等等。

自1970年英代爾(Intel)發表最早的商用DRAM晶片－Intel 1103開始，隨著半導體技術的進步與科技產品的演進，DRAM標準也從非同步的DIP、EDO DRAM、同步的SDRM(Synchronous DRAM)、進展到上下緣皆可觸發的DDR DRAM(Double-Data Rate DRAM)。每一代新的標準，目的不外乎是針對前一代做以下的改進：單位面積可容納更多的記憶體、資料傳輸的速度更快、以及更少的耗電量。更小、更快、更省電，是半導體產業永不停息的追求目標，當然DRAM也不例外。

固態技術協會（JEDEC）於2012年9月正式公布最新的DDR DRAM標準，DDR4 (第四代DDR DRAM)。距上一代DDR DRAM，也就是DDR3的發表，已有5年之久。對於產品日新月異，瞬息萬變的科技業而言，5年是非常久的時間。2007年6月第一代iPhone問世，同年DRAM產業宣布DDR3時代來臨；到了2012年，iPhone都已經推進到iPhone5了，DRAM才正式進入DDR4，相比之下DRAM的進步不得不說相當緩慢。隨著行動裝置的盛行，個人電腦市場逐漸式微，加上缺乏可以刺激消費者積極更新設備的應用程式，這些因素都降低了大眾對新一代DRAM標準的渴望。即使新標準看起來有更多優點，但無法激起消費者的購買慾望，就沒有市場，新一代DRAM的需求若不顯著，DRAM廠對於投入資金研發新技術的意願就顯得意興闌珊，新標準的制定也就不那麼急迫了。

DDR4 PK.DDR3

即使緩步前進，DDR4終究還是來到大家的面前。新的標準必定帶來新的氣象，讓我們來看看DDR4與DDR3有什麼不同之處：

圖二：DDR4標準與DDR3標準簡單對照表
資料來源：http://www.micron.com/products/dram/ddr3-to-ddr4

• 儲存容量：
  單一的DDR4晶片擁有比DDR3多一倍的儲存空間，而每個DDR4模組(module)最多可搭載8個DDR4晶片，比DDR3多一倍。也就是說，DDR4模組的最大容量比DDR3多4倍。主機板上相同的位置，DDR4可容納更大的記憶體容量；換個角度來說，在容量需求不變的情況下，DDR4所需的空間比DDR3要小。
  
  
• 傳輸速度：
  DDR3的傳輸速度從800MHz(MHz = 每秒百萬次)到2188MHz不等；而DDR4的傳輸速度從2188MHz起跳，目前的規格定義到3200MHz，將來可望達到4266MHz。
  
  
• 耗電量：
  省電是DDR4最明顯的改進之處。DDR3所需的標準電源供應是1.5V(伏特，電壓單位)而DDR4降至1.2V，專門為行動裝置設計的低功耗DDR4(LPDDR4)更降至1.1V。除了降低工作電壓，DDR4支援深度省電模式(Deep Power Down Mode)，在暫時不需要用到記憶體的時候可進入休眠狀態，無須更新記憶體(Refresh)，可進一步減少待機時功率的消耗。

圖三：DDR4 vs. DDR3的標準化能量消耗
圖表來源：http://www.extremetech.com

除了上述的三個主要部份外，DDR4還支援命令/位址匯流排上的同位核對(parity check)，以及在資料寫入時，資料匯流排上支援循環冗餘核對(CRC)等功能，以自動偵錯的方式來避免因訊號干擾而導致不正確的命令或資料被寫入記憶體，增加高速傳輸時資料的完整性。

DDR4應用限制

世上沒有白吃的午餐。雖說DDR4具有上述的優點，但在應用上卻有額外的負擔。

首先，跟DDR3相比，DDR4讀寫指令需要更長的啟動時間週期(Read Latency或Write Latency，也就是讀寫指令下達後，需花費多少時間周期，資料才會出現在介面上)。因此在相同頻率下，DDR4的讀寫效率會比DDR3低。這其實是可以理解的。隨著半導體製程技術的提升，記憶體對外的介面邏輯電路的速度也越變越快，但記憶體內部的反應速度卻沒有增加，因此對外部的控制電路而言，DDR4的讀寫指令需要更長的時間周期才能被啟動。換句話說，DDR4的輸入時脈頻率或許可以比DDR3快上一倍，但記憶體的反應速度並沒有增快一倍，因此只好定義更多的讀寫起始周期來因應。若因為系統的限制，使得DRAM的輸入時脈無法達到太高的頻率時，DDR3的讀寫效率會比DDR4來得好。其實從DDR2進展到DDR3時也有類似的問題發生。新一代的記憶體在剛推出的時候，價格不但偏高，同頻操作下的效率又比舊型記憶體差，總要過一段時間，市場對高速記憶體的需求升高，再加上產能提升帶動單位記憶體價格的下降，才會真正達到世代交替。

其次，DDR3有8個獨立記憶體組(bank)，每個bank可獨立接收讀寫指令。控制DRAM的邏輯電路若妥善安排記憶體位址，可以減少相鄰讀寫指令間等待的時間，降低資料匯流排額外閒置的機率，提高傳輸的效能。DDR4雖然增加記憶體組數為16，但卻加入記憶體群組(bank group)的限制。不同bank但若屬於同一個bank group，連續讀寫指令間必須增加等待時間週期，造成資料匯流排的閒置機率升高，傳輸效能降低。在此種限制下，如何充分利用資料匯流排以達成最高效率，對於控制DDR4的邏輯電路設計是新的挑戰。

目前各DRAM大廠已陸續推出DDR4的記憶體模組，英代爾最新個人電腦旗艦平台—Haswell-E搭配X99晶片組全面支援DDR4，價格上比相似規格的DDR3貴上20~50%，實際使用起來卻感受不到太大的差別。其實記憶體的執行速度雖然重要，多數情況下並不是系統效能的瓶頸所在。因此，價格如果不能大幅降低，對桌上型電腦的消費者而言，改用DDR4的誘因不大。

圖四：2014Q1~Q2全球品牌DRAM營收排行表
資料來源：DRAMeXchange, Aug, 2014

圖五：品牌DRAM各國市占率
資料來源：DRAMeXchange, Aug, 2014

行動DRAM興起 帶動市場需求

近幾年DRAM的供需市場產生很大的變化。 2013年美光(Micron Technology Group)併購日本記憶體大廠爾必達(Elpida)後，全球DRAM生產幾乎由前三大公司：三星(Samsung)、海力士(SK Hynix)以及美光所霸佔，小廠只能挑選大廠已經淘汰的小眾市場勉強維持（詳見圖四）。而低功耗的行動DRAM(mobile DRAM)逐漸取代標準型DRAM，成為DRAM產業最重要的市場。根據DRAMeXchange所做的統計，蘋果公司(Apple Inc)已是全球DRAM最大採買商，預計2015蘋果的產品將佔用全球25%的DRAM產能（註1）。

DRAMeXchangee更進一步預測，2014年行動DRAM占整體DRAM產出的36%，2015年有機會突破40%大關。由此趨勢看來，未來幾年，行動記憶體大有機會取代標準型DRAM，成為最大的DRAM產出。目前高階智慧型手機或平板電腦上的DRAM配備容量大約是1GB~2GB，對省電方面的要求更加嚴格。今(2015)年多家手機大廠新推出的旗艦型智慧手機計畫將搭載低功耗的行動DDR4(LPDDR4)，加上蘋果新一代iPhone與iPad將提高內建DRAM容量，預期LPDDR4將比標準DDR4更快普及。看準行動DRAM的商機，DRAM三大廠紛紛宣布設置新設備來增加行動DRAM的產量。在標準型DRAM方面，雖然個人電腦市場需求下滑，但近年來雲端運算與雲端資料儲存應用的崛起，帶動伺服器設備需求逐年攀升，伺服器DRAM也跟著穩定成長，成為標準型DDR4切入市場的契機。

以DRAM的基本結構(一個電容和一個電晶體組合成一個記憶單元)來看，未來在速度與耗電量的改進空間不大，產學界早已積極開發類似的記憶體架構，例如Z-RAM、TTRAM等，DDR4會不會是末代DRAM標準，誰也無法預測。

台灣的DRAM產業曾經是台灣科技界指標性產業，但經過10多年的巨額投資，終究還是敵不過韓國與美國大廠，在下一個DRAM週期的春天來臨前就黯然退出主要競賽行列。僥倖存活的少數廠商只能轉而幫其他大廠代工，或是改為生產不被大廠青睞、市場規模較小的產品。如今記憶體整體市場已經跟10年前大不相同。行動裝置與物聯網所帶動的市場需求，明顯地朝向更小、更省電的方向，而非一昧著重在速度跟效率上。若能好好掌握這股新的趨勢，未來台灣廠商在記憶體產業還是大有可為。

備註

1. 可參考：http://www.dramexchange.com/WeeklyResearch/Post/2/3857.html

作者： 徐文芝 現任： 北美智權 教育訓練處 研發創新顧問 經歷: 美國Marvell公司 資深工程師 美國普渡大學電機工程碩士 專精技術領域：數位ＩＣ設計、影像處理、記憶體控制、系統晶片設計

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