移動(dòng)DRAM興起，催生新一輪存儲(chǔ)變革？

2013年美光(Micron Technology Group)并購日本內(nèi)存大廠爾必達(dá)(Elpida)后，全球DRAM生產(chǎn)幾乎由前三大公司：三星(Samsung)、海力士(SK Hynix)以及美光所霸占，僥幸存活的少數(shù)廠商只能轉(zhuǎn)而幫其他大廠代工，或是改為生產(chǎn)具有市場(chǎng)利基的產(chǎn)品。如今移動(dòng)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)重新帶動(dòng)DRAM市場(chǎng)需求，朝向更小、更省電的方向邁進(jìn)，若能掌握這股新趨勢(shì)，未來臺(tái)灣廠商在內(nèi)存產(chǎn)業(yè)還是大有可為。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(Dynamic Random-Access Memory，DRAM)是常見的內(nèi)存組件。在處理器相關(guān)運(yùn)作中，DRAM經(jīng)常被用來當(dāng)作數(shù)據(jù)與程序的主要暫存空間。相對(duì)于硬盤或是閃存(Flash Memory)，DRAM具有訪問速度快、體積小、密度高等綜合優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛的使用在各式各樣現(xiàn)代的科技產(chǎn)品中，例如計(jì)算機(jī)、手機(jī)、游戲機(jī)、影音播放器等等。

標(biāo)準(zhǔn)DDR4模塊展示

自1970年英特爾(Intel)發(fā)表最早的商用DRAM芯片－Intel 1103開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步與科技產(chǎn)品的演進(jìn)，DRAM標(biāo)準(zhǔn)也從異步的DIP、EDO DRAM、同步的SDRM(Synchronous DRAM)、進(jìn)展到上下緣皆可觸發(fā)的DDR DRAM(Double-Data Rate DRAM)。

每一代新的標(biāo)準(zhǔn)，目的不外乎是針對(duì)前一代做以下的改進(jìn)：單位面積可容納更多的內(nèi)存、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣雀?、以及更少的耗電量。更小、更快、更省電，是半?dǎo)體產(chǎn)業(yè)永不停息的追求目標(biāo)，當(dāng)然DRAM也不例外。

固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)(JEDEC)于2012年9月正式公布最新的DDR DRAM標(biāo)準(zhǔn)，DDR4(第四代DDR DRAM)。距上一代DDR DRAM，也就是DDR3的發(fā)表，已有5年之久。

對(duì)于產(chǎn)品日新月異，瞬息萬變的科技業(yè)而言，5年是非常久的時(shí)間。2007年6月第一代iPhone問世，同年DRAM產(chǎn)業(yè)宣布DDR3時(shí)代來臨；到了2012年，iPhone都已經(jīng)推進(jìn)到iPhone5了，DRAM才正式進(jìn)入DDR4，相比之下DRAM的進(jìn)步不得不說相當(dāng)緩慢。

隨著移動(dòng)設(shè)備的盛行，個(gè)人計(jì)算機(jī)市場(chǎng)逐漸式微，加上缺乏可以刺激消費(fèi)者積極更新設(shè)備的應(yīng)用程序，這些因素都降低了大眾對(duì)新一代DRAM標(biāo)準(zhǔn)的渴望。

即使新標(biāo)準(zhǔn)看起來有更多優(yōu)點(diǎn)，但無法激起消費(fèi)者的購買欲望，就沒有市場(chǎng)，新一代DRAM的需求若不顯著，DRAM廠對(duì)于投入資金研發(fā)新技術(shù)的意愿就顯得意興闌珊，新標(biāo)準(zhǔn)的制定也就不那么急迫了。

DDR4 PK DDR3

即使緩步前進(jìn)，DDR4終究還是來到大家的面前。新的標(biāo)準(zhǔn)必定帶來新的氣象，讓我們來看看DDR4與DDR3有什么不同之處：

圖二：DDR4標(biāo)準(zhǔn)與DDR3標(biāo)準(zhǔn)簡單對(duì)照表

儲(chǔ)存容量：單一的DDR4芯片擁有比DDR3多一倍的儲(chǔ)存空間，而每個(gè)DDR4模塊(module)最多可搭載8個(gè)DDR4芯片，比DDR3多一倍。也就是說，DDR4模塊的最大容量比DDR3多4倍。主板上相同的位置，DDR4可容納更大的內(nèi)存容量；換個(gè)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(guī)格定義到3200MHz，將來可望達(dá)到4266MHz。

耗電量：省電是DDR4最明顯的改進(jìn)之處。DDR3所需的標(biāo)準(zhǔn)電源供應(yīng)是1.5V(伏特，電壓單位)而DDR4降至1.2V，專門為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的低功耗DDR4(LPDDR4)更降至1.1V。除了降低工作電壓，DDR4支持深度省電模式(Deep Power Down Mode)，在暫時(shí)不需要用到內(nèi)存的時(shí)候可進(jìn)入休眠狀態(tài)，無須更新內(nèi)存(Refresh)，可進(jìn)一步減少待機(jī)時(shí)功率的消耗。

圖三：DDR4 vs. DDR3的標(biāo)準(zhǔn)化能量消耗

DDR4應(yīng)用限制

世上沒有白吃的午餐。雖說DDR4具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用上卻有額外的負(fù)擔(dān)。

首先，跟DDR3相比，DDR4讀寫指令需要更長的啟動(dòng)時(shí)間周期(Read Latency或Write Latency，也就是讀寫指令下達(dá)后，需花費(fèi)多少時(shí)間周期，數(shù)據(jù)才會(huì)出現(xiàn)在接口上)。因此在相同頻率下，DDR4的讀寫效率會(huì)比DDR3低。這其實(shí)是可以理解的。隨著半導(dǎo)體制程技術(shù)的提升，內(nèi)存對(duì)外的接口邏輯電路的速度也越變?cè)娇?，但?nèi)存內(nèi)部的反應(yīng)速度卻沒有增加，因此對(duì)外部的控制電路而言，DDR4的讀寫指令需要更長的時(shí)間周期才能被啟動(dòng)。換句話說，DDR4的輸入頻率頻率或許可以比DDR3快上一倍，但內(nèi)存的反應(yīng)速度并沒有增快一倍，因此只好定義更多的讀寫起始周期來因應(yīng)。若因?yàn)橄到y(tǒng)的限制，使得DRAM的輸入頻率無法達(dá)到太高的頻率時(shí)，DDR3的讀寫效率會(huì)比DDR4來得好。其實(shí)從DDR2進(jìn)展到DDR3時(shí)也有類似的問題發(fā)生。新一代的內(nèi)存在剛推出的時(shí)候，價(jià)格不但偏高，同頻操作下的效率又比舊型內(nèi)存差，總要過一段時(shí)間，市場(chǎng)對(duì)高速內(nèi)存的需求升高，再加上產(chǎn)能提升帶動(dòng)單位內(nèi)存價(jià)格的下降，才會(huì)真正達(dá)到世代交替。

其次，DDR3有8個(gè)獨(dú)立內(nèi)存組(bank)，每個(gè)bank可獨(dú)立接收讀寫指令?？刂艱RAM的邏輯電路若妥善安排內(nèi)存地址，可以減少相鄰讀寫指令間等待的時(shí)間，降低數(shù)據(jù)總線額外閑置的機(jī)率，提高傳輸?shù)男?。DDR4雖然增加內(nèi)存組數(shù)為16，但卻加入內(nèi)存群組(bank group)的限制。不同bank但若屬于同一個(gè)bank group，連續(xù)讀寫指令間必須增加等待時(shí)間周期，造成數(shù)據(jù)總線的閑置機(jī)率升高，傳輸效能降低。在此種限制下，如何充分利用數(shù)據(jù)總線以達(dá)成最高效率，對(duì)于控制DDR4的邏輯電路設(shè)計(jì)是新的挑戰(zhàn)。

目前各DRAM大廠已陸續(xù)推出DDR4的內(nèi)存模塊，英特爾最新個(gè)人計(jì)算機(jī)旗艦平臺(tái)—Haswell-E搭配X99芯片組全面支持DDR4，價(jià)格上比相似規(guī)格的DDR3貴上20~50%，實(shí)際使用起來卻感受不到太大的差別。其實(shí)內(nèi)存的執(zhí)行速度雖然重要，多數(shù)情況下并不是系統(tǒng)效能的瓶頸所在。因此，價(jià)格如果不能大幅降低，對(duì)桌面計(jì)算機(jī)的消費(fèi)者而言，改用DDR4的誘因不大。

圖四：2014Q1~Q2全球品牌DRAM營收排行表數(shù)據(jù)源：DRAMeXchange,Aug,2014

移動(dòng)DRAM興起，DRAM市場(chǎng)迎來變機(jī)

近幾年DRAM的供需市場(chǎng)產(chǎn)生很大的變化。2013年美光(Micron Technology Group)并購日本內(nèi)存大廠爾必達(dá)(Elpida)后，全球DRAM生產(chǎn)幾乎由前三大公司：三星(Samsung)、海力士(SK Hynix)以及美光所霸占，小廠只能挑選大廠已經(jīng)淘汰的小眾市場(chǎng)勉強(qiáng)維持(詳見圖四)。而低功耗的移動(dòng)DRAM(mobile DRAM)逐漸取代標(biāo)準(zhǔn)型DRAM，成為DRAM產(chǎn)業(yè)最重要的市場(chǎng)。根據(jù)DRAMeXchange所做的統(tǒng)計(jì)，蘋果公司(Apple Inc)已是全球DRAM最大采買商，預(yù)計(jì)2015蘋果的產(chǎn)品將占用全球25%的DRAM產(chǎn)能。

DRAMeXchangee更進(jìn)一步預(yù)測(cè)，2014年移動(dòng)DRAM占整體DRAM產(chǎn)出的36%，2015年有機(jī)會(huì)突破40%大關(guān)。由此趨勢(shì)看來，未來幾年，移動(dòng)內(nèi)存大有機(jī)會(huì)取代標(biāo)準(zhǔn)型DRAM，成為最大的DRAM產(chǎn)出。目前高階智能手機(jī)或平板計(jì)算機(jī)上的DRAM配備容量大約是1GB~2GB，對(duì)省電方面的要求更加嚴(yán)格。今(2015)年多家手機(jī)大廠新推出的旗艦型智能手機(jī)計(jì)劃將搭載低功耗的移動(dòng)DDR4(LPDDR4)，加上蘋果新一代iPhone與iPad將提高內(nèi)建DRAM容量，預(yù)期LPDDR4將比標(biāo)準(zhǔn)DDR4更快普及。看準(zhǔn)移動(dòng)DRAM的商機(jī)，DRAM三大廠紛紛宣布設(shè)置新設(shè)備來增加移動(dòng)DRAM的產(chǎn)量。在標(biāo)準(zhǔn)型DRAM方面，雖然個(gè)人計(jì)算機(jī)市場(chǎng)需求下滑，但近年來云端運(yùn)算與云端數(shù)據(jù)儲(chǔ)存應(yīng)用的崛起，帶動(dòng)服務(wù)器設(shè)備需求逐年攀升，服務(wù)器DRAM也跟著穩(wěn)定成長，成為標(biāo)準(zhǔn)型DDR4切入市場(chǎng)的契機(jī)。

以DRAM的基本結(jié)構(gòu)(一個(gè)電容和一個(gè)晶體管組合成一個(gè)記憶單元)來看，未來在速度與耗電量的改進(jìn)空間不大，產(chǎn)學(xué)界早已積極開發(fā)類似的內(nèi)存架構(gòu)，例如Z-RAM、TTRAM等，DDR4會(huì)不會(huì)是末代DRAM標(biāo)準(zhǔn)，誰也無法預(yù)測(cè)。

臺(tái)灣的DRAM產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)是臺(tái)灣科技界指標(biāo)性產(chǎn)業(yè)，但經(jīng)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(gè)DRAM周期的春天來臨前就黯然退出主要競賽行列。僥幸存活的少數(shù)廠商只能轉(zhuǎn)而幫其他大廠代工，或是改為生產(chǎn)不被大廠青睞、市場(chǎng)規(guī)模較小的產(chǎn)品。如今內(nèi)存整體市場(chǎng)已經(jīng)跟10年前大不相同。移動(dòng)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)所帶動(dòng)的市場(chǎng)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(shì)，未來臺(tái)灣廠商在內(nèi)存產(chǎn)業(yè)還是大有可為。