DDR4技术原理详解

DDR4是DDR4-SDRAM的简写，即第4代DDR-SDRAM，DDR-SDRAM全称Double Date Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory。本文重点解析DDR4技术规范及其背后的电子电路原理，以及编程使用DDR4过程中需要注意的性能事项。

DDR4数据存储原理

DDR4是从最初的DRAM逐步进化迭代而来，从DRAM到SDRAM、DDR、DDR2、DDR3，最后到DDR4，其背后的数据存储原理始终未变。DRAM作为存储器，其本职功能是存储数据，即计算机世界中的0/1数据，那么DDR又是如何存储0/1数据呢？

DRAM基本单元：cell

DRAM的数据存储策略是电容，电容存储了电量代表1，电容放空电量代表0，同时使用一个晶体管作为电容的充放电开关，以便实现1bit数据的读写，如下图：

 当要读取 cell 的存储值，首先打开电子开关（即晶体管），然后根据电容的充放电信息获得存储值。如果 cell 保存“ 1 ”，即电容存有电荷，那么当打开开关，电容就会放电；如果 cell 保存“ 0 ”，即电容不保存电荷，那么打开开关之后电容不会放电。

当要向 cell 中写入值，仍然先打开电子开关，然后在电子开关的另一侧施加电压。如果要写入“ 1 ”，则施加高电压，此时电流会通过晶体管向电容充电；如果要写“ 0 ”，则让电子开关另一端接地。施加电压一段时间后即可断开开关，此时 cell 已经保存好写入值，因为电容很小，所以施加电压的时间会很短。

一个题外话，SRAM和DRAM同作为可读写存储器，采取了完全不同的数据存储策略，如下图：

其工作原理不是本文讨论方向，留给读者自行分析。

另外，你还知道其他数据存储策略吗？欢迎评论区留意告诉我！

cell阵列

如前文所述，DRAM的一个 cell 只能存储一比特信息，即“ 0 ”和“ 1 ”，为了存储大量信息，DRAM采取了 cell 阵列策略。如下图：

DDR4的Cell阵列大小是65536行x1024列，即65536根word line，1024根bit line，每根word line上联了1024个Cell，可以存储1Kbit数据，整个Cell整列可存储65535*1Kbit=64Mbit=8MB数据。每一列（bit line）配一个信号放大器（兼1bit数据锁存器）用于读取Cell所存储的数据值。行地址输入端配16位的地址解码器，列地址输入端配10位的选通器。为了减少引脚数，DDR4对行地址线和列地址线做了复用，整体电路示意如下图：

RAS：行地址选通信号线；
CAS：列地址选通信号线；
WE：写使能信号线；
Address：行/列复用地址总线，DDR4地址总线是16根；
Data in/out：1bit地址线；

Row Address Buffer：行地址缓存；
Row Address Decoder：行地址解码器，将DDR4的16位行地址解码位65536行中的唯一对应行；
Column Address Buffer：列地址缓存；
Column Multiplexer/Demultiplexer：列地址选通器，根据DDR4的10位列地址选通唯一对应列；
Sense Amplifiers：信号放大器组，DDR4一个Cell阵列有1024列，对应1024个信号放大器，信号放大器兼具数据锁存功能，DDR4一个Cell阵列可以保存1024bit数据；
Data Buffer：数据缓存，读/写数据时，数据先进数据缓存；

数据读取流程：

1.给所有1024根bit line预充电到1/2标准电压（即Cell存储数值为1时的电容电压），然后断开；
2.内存控制器将行地址值输入地址总线，并使能RAS，行地址被缓存；
3.行地址编码器将16bit地址解码后拉高对应word line的电压，使该行所有1024个三极管导通；
4.信号放大器读取该行1024个Cell中存储的数据，并将其锁存；
5.内存控制器将列地址值输入地址总线，并使能CAS，列地址被缓存；
5.列选通器根据10bit列地址，将对应列数据值写入数据缓存；
6.将1024个信号放大器中锁存的数据写回Cell，因为数据读取过程中破坏了Cell电容的电量值；

数据写入流程：

1.给所有1024根bit line预充电到1/2标准电压（即Cell存储数值为1时的电容电压）；
2.行地址编码器将16bit地址解码后拉高对应word line的电压，使该行所有1024个三极管导通；
3.信号放大器读取该行1024个Cell中存储的数据，并将其锁存；
4.列选通器根据10bit列地址，将对应列数据值写入信号放大器；
5.将1024个信号放大器中锁存的数据写入Cell；

上述读/写流程是一个理论模式，DDR4实际读写过程中，为了提高效率，会利用信号放大器的数据锁存功能。比如前后两次读取数据位于同一个Row，那么就可以直接从信号放大器的缓存中读取数据，而没有必要去Cell中读取，节省了上述1到4步骤耗时，大大加快了数据读取速度。

Bank

为了进一步加速数据读写效率，DDR4将16个Cell阵列进行并联，让其共用行/列地址线，通过各自独立的16根数据线，一次可以同时读写16bit数据，如下示意图（示意图展示的是8Cell并联）

DDR4将使用此种方式并联起来的16个Cell阵列称为一个Bank。Bank内16bit数据同时读写的机制也称为数据预取，即DDR4单个Bank具备16bit数据预取能力，大大提高了数据读写效率。

Bank Group

在Bank预取的基础上，DDR4还设计了Bank Group机制，每个Bank Group内含4个Bank，各个Bank Group可独立工作。

Chip

以16bit预取的1GB容量的DDR4芯片为例，其内部总共2个Bank Group，每个Bank Group内有4个Bank，每个Bank内有16个Cell阵列，每个Cell阵列有65536行/1024列。

因此一颗DDR4芯片的存储容量是2*4*16*65536*1024*1bit=8589934592bit=8Gb=1GB。

至此，一颗16bit预取1GB容量DDR4芯片的存储结构梳理完毕。当然DDR4还有其他规格的芯片，总共有三种数据位宽4bit、8bit、16bit，单颗芯片容量从2Gb到16Gb不等，如下图：

DDR控制器

DDR芯片预留了地址总线接口、数据总线接口、各种控制线接口，要通过这些接口将数据写入或读出，需要外部发起读写控制信号，以及做数据搬运，DDR控制器便承担该角色。CPU需要访问内存数据时，将内存地址交由DDR控制器，DDR控制器负责完成数据的读写。通常一个DDR控制器会同时控制多颗DDR芯片，下面分析一下多颗DDR芯片的协作方式。

Rank

以数据位宽64bit的DDR控制器为例，将4颗位宽16bit的DDR4芯片进行并联，类似Bank内Cell阵列的并联，共用地址线，64根数据线分为4组，每组16根分别连接4颗DDR4芯片，这4颗DDR4芯片便组成一个Rank。在DDR控制器对一个Rank进行数据读写的过程中，这4颗DDR4芯片同时工作，访问相同的地址，即相同的行和列。

DIMM

将一个或者多个（通常是1个、2个或4个）Rank的芯片装在一块PCB上，就得到一根内存条，准确说法是“双列直插式内存模块（DIMM）”。把DIMM插入内存插槽，插槽连接的式CPU内部的内存控制器，它们之间用内存通道连接。

Channel

一个DDR控制器对外连接的通道称为一个Channel，一颗CPU可内置多颗DDR控制器，即称为多通道技术。常见的PC用CPU通常为2通道，HPC领域的CPU通常会有4通道，甚至更高，比如Intel Core i9系列处理器和AMD EPYC系列处理器。

每个DDR控制器可独立工作，以4通道CPU为例，每通道数据位宽64bit，理论总位宽可达到4*64bit=256bit。

Cache缓存机制

Cache是基于SRAM技术的存储器，通常集成在CPU内部，其访问效率远高于DDR。CPU使用数据过程中，会将数据缓存在Cache中，在读写数据时，先检测Cache中是否有所需要的数据，如果有，就直接读写Cache，而无需访问DDR，大大提高了读写效率。

Cache存储数据最小单位是Cache Line，通常为64Byte，即512bit。也就是说，在CPU启用Cache机制时，对内存的访问是以512bit为单位，而非1字节或4字节，这对软件性能优化有较大影响，需要重点关注。

参考资料：

DRAM原理_哔哩哔哩_bilibili

[DDR]1 - Understanding the Basics_bank groups and banks.__山猫的博客-CSDN博客