移動(dòng)DRAM興起，催生新一輪存儲變革？

2013年美光(Micron Technology Group)并購日本內存大廠(chǎng)爾必達(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，僥幸存活的少數廠(chǎng)商只能轉而幫其他大廠(chǎng)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，未來(lái)臺灣廠(chǎng)商在內存產(chǎn)業(yè)還是大有可為。

動(dòng)態(tài)隨機存取內存(Dynamic Random-Access Memory，DRAM)是常見(jiàn)的內存組件。在處理器相關(guān)運作中，DRAM經(jīng)常被用來(lái)當作數據與程序的主要暫存空間。相對于硬盤(pán)或是閃存(Flash Memory)，DRAM具有訪(fǎng)問(wèn)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代的科技產(chǎn)品中，例如計算機、手機、游戲機、影音播放器等等。

標準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(kāi)始，隨著(zhù)半導體技術(shù)的進(jìn)步與科技產(chǎn)品的演進(jìn)，DRAM標準也從異步的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)。

每一代新的標準，目的不外乎是針對前一代做以下的改進(jìn)：?jiǎn)挝幻娣e可容納更多的內存、數據傳輸的速度更快、以及更少的耗電量。更小、更快、更省電，是半導體產(chǎn)業(yè)永不停息的追求目標，當然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標準，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。

對于產(chǎn)品日新月異，瞬息萬(wàn)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(wèn)世，同年DRAM產(chǎn)業(yè)宣布DDR3時(shí)代來(lái)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(shuō)相當緩慢。

隨著(zhù)移動(dòng)設備的盛行，個(gè)人計算機市場(chǎng)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序，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(lái)有更多優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)法激起消費者的購買(mǎi)欲望，就沒(méi)有市場(chǎng)，新一代DRAM的需求若不顯著(zhù)，DRAM廠(chǎng)對于投入資金研發(fā)新技術(shù)的意愿就顯得意興闌珊，新標準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(lái)到大家的面前。新的標準必定帶來(lái)新的氣象，讓我們來(lái)看看DDR4與DDR3有什么不同之處：

圖二：DDR4標準與DDR3標準簡(jiǎn)單對照表

儲存容量：?jiǎn)我坏腄DR4芯片擁有比DDR3多一倍的儲存空間，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(shuō)，DDR4模塊的最大容量比DDR3多4倍。主板上相同的位置，DDR4可容納更大的內存容量；換個(gè)角度來(lái)說(shuō)，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(wàn)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(lái)可望達到4266MHz。

耗電量：省電是DDR4最明顯的改進(jìn)之處。DDR3所需的標準電源供應是1.5V(伏特，電壓?jiǎn)挝?而DDR4降至1.2V，專(zhuān)門(mén)為移動(dòng)設備設計的低功耗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)不需要用到內存的時(shí)候可進(jìn)入休眠狀態(tài)，無(wú)須更新內存(Refresh)，可進(jìn)一步減少待機時(shí)功率的消耗。

圖三：DDR4 vs. DDR3的標準化能量消耗

DDR4應用限制

世上沒(méi)有白吃的午餐。雖說(shuō)DDR4具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但在應用上卻有額外的負擔。

首先，跟DDR3相比，DDR4讀寫(xiě)指令需要更長(cháng)的啟動(dòng)時(shí)間周期(Read Latency或Write Latency，也就是讀寫(xiě)指令下達后，需花費多少時(shí)間周期，數據才會(huì )出現在接口上)。因此在相同頻率下，DDR4的讀寫(xiě)效率會(huì )比DDR3低。這其實(shí)是可以理解的。隨著(zhù)半導體制程技術(shù)的提升，內存對外的接口邏輯電路的速度也越變越快，但內存內部的反應速度卻沒(méi)有增加，因此對外部的控制電路而言，DDR4的讀寫(xiě)指令需要更長(cháng)的時(shí)間周期才能被啟動(dòng)。換句話(huà)說(shuō)，DDR4的輸入頻率頻率或許可以比DDR3快上一倍，但內存的反應速度并沒(méi)有增快一倍，因此只好定義更多的讀寫(xiě)起始周期來(lái)因應。若因為系統的限制，使得DRAM的輸入頻率無(wú)法達到太高的頻率時(shí)，DDR3的讀寫(xiě)效率會(huì )比DDR4來(lái)得好。其實(shí)從DDR2進(jìn)展到DDR3時(shí)也有類(lèi)似的問(wèn)題發(fā)生。新一代的內存在剛推出的時(shí)候，價(jià)格不但偏高，同頻操作下的效率又比舊型內存差，總要過(guò)一段時(shí)間，市場(chǎng)對高速內存的需求升高，再加上產(chǎn)能提升帶動(dòng)單位內存價(jià)格的下降，才會(huì )真正達到世代交替。

其次，DDR3有8個(gè)獨立內存組(bank)，每個(gè)bank可獨立接收讀寫(xiě)指令?？刂艱RAM的邏輯電路若妥善安排內存地址，可以減少相鄰讀寫(xiě)指令間等待的時(shí)間，降低數據總線(xiàn)額外閑置的機率，提高傳輸的效能。DDR4雖然增加內存組數為16，但卻加入內存群組(bank group)的限制。不同bank但若屬于同一個(gè)bank group，連續讀寫(xiě)指令間必須增加等待時(shí)間周期，造成數據總線(xiàn)的閑置機率升高，傳輸效能降低。在此種限制下，如何充分利用數據總線(xiàn)以達成最高效率，對于控制DDR4的邏輯電路設計是新的挑戰。

目前各DRAM大廠(chǎng)已陸續推出DDR4的內存模塊，英特爾最新個(gè)人計算機旗艦平臺—Haswell-E搭配X99芯片組全面支持DDR4，價(jià)格上比相似規格的DDR3貴上20~50%，實(shí)際使用起來(lái)卻感受不到太大的差別。其實(shí)內存的執行速度雖然重要，多數情況下并不是系統效能的瓶頸所在。因此，價(jià)格如果不能大幅降低，對桌面計算機的消費者而言，改用DDR4的誘因不大。

圖四：2014Q1~Q2全球品牌DRAM營(yíng)收排行表數據源：DRAMeXchange,Aug,2014

移動(dòng)DRAM興起，DRAM市場(chǎng)迎來(lái)變機

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)并購日本內存大廠(chǎng)爾必達(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(chǎng)只能挑選大廠(chǎng)已經(jīng)淘汰的小眾市場(chǎng)勉強維持(詳見(jiàn)圖四)。而低功耗的移動(dòng)DRAM(mobile DRAM)逐漸取代標準型DRAM，成為DRAM產(chǎn)業(yè)最重要的市場(chǎng)。根據DRAMeXchange所做的統計，蘋(píng)果公司(Apple Inc)已是全球DRAM最大采買(mǎi)商，預計2015蘋(píng)果的產(chǎn)品將占用全球25%的DRAM產(chǎn)能。

DRAMeXchangee更進(jìn)一步預測，2014年移動(dòng)DRAM占整體DRAM產(chǎn)出的36%，2015年有機會(huì )突破40%大關(guān)。由此趨勢看來(lái)，未來(lái)幾年，移動(dòng)內存大有機會(huì )取代標準型DRAM，成為最大的DRAM產(chǎn)出。目前高階智能手機或平板計算機上的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(chǎng)新推出的旗艦型智能手機計劃將搭載低功耗的移動(dòng)DDR4(LPDDR4)，加上蘋(píng)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?？礈室苿?dòng)DRAM的商機，DRAM三大廠(chǎng)紛紛宣布設置新設備來(lái)增加移動(dòng)DRAM的產(chǎn)量。在標準型DRAM方面，雖然個(gè)人計算機市場(chǎng)需求下滑，但近年來(lái)云端運算與云端數據儲存應用的崛起，帶動(dòng)服務(wù)器設備需求逐年攀升，服務(wù)器DRAM也跟著(zhù)穩定成長(cháng)，成為標準型DDR4切入市場(chǎng)的契機。

以DRAM的基本結構(一個(gè)電容和一個(gè)晶體管組合成一個(gè)記憶單元)來(lái)看，未來(lái)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(kāi)發(fā)類(lèi)似的內存架構，例如Z-RAM、TTRAM等，DDR4會(huì )不會(huì )是末代DRAM標準，誰(shuí)也無(wú)法預測。

臺灣的DRAM產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)是臺灣科技界指標性產(chǎn)業(yè)，但經(jīng)過(guò)10多年的巨額投資，終究還是敵不過(guò)韓國與美國大廠(chǎng)，在下一個(gè)DRAM周期的春天來(lái)臨前就黯然退出主要競賽行列。僥幸存活的少數廠(chǎng)商只能轉而幫其他大廠(chǎng)代工，或是改為生產(chǎn)不被大廠(chǎng)青睞、市場(chǎng)規模較小的產(chǎn)品。如今內存整體市場(chǎng)已經(jīng)跟10年前大不相同。移動(dòng)設備與物聯(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(zhù)重在速度跟效率上。若能好好掌握這股新的趨勢，未來(lái)臺灣廠(chǎng)商在內存產(chǎn)業(yè)還是大有可為。