記憶體10年技術演進史，系統顆粒DDR與顯示顆粒GDDR差在哪？

章節目錄

第一章：記憶體動態特性與充放電機制

第二章：DRAM結構性瓶頸、I/O突破與預取技術

第三章：SDR與DDR技術與規格演進，SDR、DDR、DDR2差異性

第四章：主流老將DDR3，說好要來的DDR4在哪裡

第五章：因應GPU需求誕生的GDDR顆粒

第六章：初代GDDR2與兄弟gDDR2，稱霸市場的GDDR3

第七章：短命的GDDR4與高時脈霸主GDDR5

GDDR4短命的高價產品

相較於亮眼的GDDR3，GDDR4的命運可謂悲慘，不僅使用的顯卡寥寥可數，上市也僅約1年就被GDDR5取代。GDDR4是基於DDR3的架構而來，目的要取代以DDR2為基礎的GDDR3。設計方面，GDDR4的預取跟DDR3相同，皆為8bit設計，另外還有DBI（Data Bus Inversion）、Multi-Preamble等技術，有助於提升GDDR4的理論效能。

理論上高時脈的GDDR4會有比GDDR3更高的效能，但GDDR4的延遲亦高於GDDR3，這是高時脈必定帶來的產物。至於為什麼會這麼短命？一來部分廠商像是當年的Qimonda就跳過GDDR4直接研發GDDR5。再者，部分人認為，GDDR4的成本高是顯卡廠商不想使用的原因之一，理論上GDDR4等效時脈可達GDDR3的2倍，但受到製程與技術限制，出貨的GDDR4顆粒大多2～2.5GHz，後期GDDR3也靠著製程也追平這項優勢。當兩者效能相當，且GDDR3更加便宜，效能更強改進更多的GDDR5出現時，GDDR4就快速被取代。

▲GDDR4由三星獨撐大局，其餘廠商則是致力於榨乾GDDR3的潛力。但由於只有AMD少數高階卡使用，廠商投入少且NVIDIA不買單，最終面臨淘汰的命運。

GDDR4規格制定的八卦

先前有提過，AMD與NVIDIA為了GPU的發展而加入JEDEC。但在規格制定過程中，有人認為雙方的理念不同導致GDDR4最終面臨短命的下場。NVIDIA認為預取應該維持4bit，但AMD（當年是ATI）認為可以直接用8bit技術，爭執的結果是AMD陣營的規格獲勝。事情就結束了嗎？當然沒有，GDDR4這新規格誕生後因為理念不合，NVIDIA直接捨棄GDDR4，所以你在市面上看不到任何使用GDDR4顆粒的NVIDIA顯卡。一方面GDDR4瞬間失去過半的顯示卡市場，也間接讓記憶體廠商對於GDDR4感到存疑不敢貿然投產。

最終GDDR4由三星單獨支持，其餘廠商則是致力於榨乾GDDR3的潛力，這就誕生先前說過的高時脈GDDR3顆粒。GDDR4在沒有價格、製造商、顯示卡廠商等支持下，必然走向滅亡。最終GDDR4只有出現在X1950XT、HD 2900XT、HD 3870等顯卡上面，雖然橫跨3個世代，但最終難逃被GDDR3與GDDR5夾殺的命運，最後連AMD都率先搭載了GDDR5。

GDDR5超高時脈的顆粒王者

GDDR5超高的時脈是怎麼達成的？GDDR5仍使用DDR3的8bit預取技術，但DQ數量擴增為2倍。過去DDR、DDR2、DDR3以及GDDR、GDDR2、GDDR3、GDDR4都是透過DDR（Double Data Rate）技術在波形周期上端下端各傳送1次數據，官方的時脈乘以2就是等效時脈。但GDDR5有2倍的DQ，因此時脈必須乘以4才會是等效時脈。像是HD 4870使用的GDDR5顆粒時脈為900MHz，但不少人習慣視為3600MHz。

GDDR4的失敗並未讓AMD喪失嘗試的勇氣，即便GDDR4碰到效能瓶頸，加上R600（HD 2900）使用512bit記憶體控制器的表現不如預期，甚至讓後來的RV670（HD 3800）換回256bit控制器。多種情況影響下，AMD迫切需要提升效能的良方，後續的RV770（RV770 XT、RV770 PRO、RV770 LE）依然使用256bit控制器，介面頻寬不變的情況下，只能將希望放在下一代記憶體顆粒也就是GDDR5上。

從結果論來看，當時AMD率先使用GDDR5顆粒的確是明智之舉，HD 4870搭配256bit的GDDR5記憶體效能，優於GTX 260使用448bit的GDDR3，迫使GTX 260透過更新製程（65nm改55nm）、調整售價等方式應戰。

▲高階卡正反面都有配置記憶體顆粒，此為GTX TITAN。

▲GDDR5是目前高階卡使用的主流顆粒，效能優於GDDR3。

延續DBI技術、簡化佈線

其實GDDR5還有不少細節上的改進，並延續GDDR4的DBI（Data Bus Inversion）技術。DBI是GDDR4用於省電的技術，簡單來說，每1Byte的8個值當中，如果超過一半是0，那麼就會自動執行訊號轉位，把0變成1，1變成0，並透過附加的DBI來判斷是正位或是反位。為什麼這麼做呢？因為先前我們提到記憶體必須經常充電，而在0的狀態下必須要持續消耗電能（1是無電荷）。減少0的數量就能降低充電次數達到省電目的。I/O控制器亦加入新的校準技術，確保GDDR5顆粒能適應GPU記憶體控制器的需求。

此外，雖然GDDR5的針腳更多，但佈線更加精簡，過去必須透過蛇行走線平衡延遲，但GDDR5在處理時間延遲與訊號強度上更為出色，有助於PCB佈線精簡化，並減少設計成本。GDDR5身為高階顯卡的顆粒介面規格為32bit，透過2條平行的DQ，能夠讓32bit的顆粒當成16bit的顆粒。1個32bit的控制器就能控制2顆GDDR5顆粒，達到用介面換取容量的目的。雖說先前的記憶體也有類似的技術，但運作方式並不相同。

▲簡化佈線是GDDR5的特色，可看到GDDR3為了延遲而有許多蛇行走線。來源：PCPOP

▲此為GDDR3顆粒附近的蛇行走線圖，可看到許多彎折的線路。

▲GDDR5能透過減少介面頻寬的方式，來讓控制器連接更多的記憶體顆粒，達到提升容量的目的。

互相依存的2大家族

看到這裡應該能了解DDR與GDDR顆粒之間的關係，DDR是針對CPU需求而開發的記憶體，而GDDR則是更針對性地對顯示卡最佳化。前者有低時脈低延遲的特性，後者則因為海量的傳輸需求，記憶體顆粒特性為高時脈高延遲。當然，記憶體的運作原理與背景絕對不只這些內容，數10年來的記憶體故事也不會只有短短幾千字的篇幅，但礙於再不交稿就會完蛋的情況下，本篇只好著重於記憶體的基本運作、DDR、GDDR家族的特色，希望能讓各位在這篇文章中得到一些收穫。

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