704-主存技术的发展

近些年来 SDRAM 的标准不断地升级换代， 其性能也得到很大的提升。那为什么 还总是说 CPU 和内存之间的速度差距越来越大了呢？ 这一节我们就来探讨这个问题。

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近 20 年来，流行的内存都采用了 SDRAM 的结构，需要注意的是虽然平时我们会说以前用 SDRAM 内存，现在用 DDR 内存， 但这种说法是不规范的。所谓 DDR 内存也是 SDRAM 的一种，只不过接口采用了双倍数据率而已。 那么有了 DDR SDRAM 之后，如果要特指之前的 SDRAM，可以说是 SDR SDRAM。 SDR 就是单数据率的简称，而 DDR 之后， 又有了 DDR2，3，4 等后续标准。 为了区分明确，也把第一代的 DDR 称为 DDR1。

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这些内存规格后面带的数字， 比如这里的 1600，指的是内存接口的等效时钟频率， 借此我们可以计算出内存的传输带宽。 如果按照内存位宽为 64 比特，由此计算出的内存传输带宽，早期的 pc66 是 0.53GB/s， 而到了 DDR3-1600 则达到了 12.8GB/s，十几年里增长了二十倍之多。

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然而，很多经典教材和资料中都会提到，近几十年来， 计算机处理器与存储器的性能差距日益加大， 存储器性能的增长不到十倍。那这又是怎么回事呢？ 这个说法是否有问题呢？

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那么 之前我们已经学习过，SDRAM 的基本单元是一个电容和一个晶体管。对于 SDRAM 的读写，对于 SDRAM 的读写最终体现在了对电容的充放电， 而要减少这个电容的充放电时间，那是非常困难的。 因此，在 SDR SDRAM 的时代，当时钟频率 提升到了 133MHz 之后就很难进一步提升了

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那后来的 DDR SDRAM 又是如何提升性能的呢？ 那我们就来看一看内存模组的内部结构。对于一个位宽 8 比特的 SDR SDRAM 芯片，每次访问其内部的存储阵列都会取出 8 比特的数据。 而同样位宽的 DDR SDRAM 芯片，每次访问存储阵列则会取出两倍的数据量。 那这 16 比特的数据是怎么传输的呢？这就要用到双倍数据率的概念。

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所谓的双倍数据率也就是 DDR， 相对应的是 SDR，SDR 是指毎个时钟的上升沿传输数据，接收端也用时钟的上升沿采样数据，而 DDR 则是在时钟的上升沿和下降沿都传输数据， 这样就可以在同样的时钟频率下传输双倍的数据。 需要说明的是，DDR 指的是这种传输方式， 运用在 SDRAM 内存上，就有了 DDR SDRAM， 但它不仅仅用在内存上，还用在其他很多领域。所以 DDR 只是一种传输数据的方式，不能将它等价于我们现在用的内存。

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那我们再来看一看 DDR SDRAM 是如何工作的。 先来看看 PC100 规格的 SDR SDRAM。 它的存储阵列的核心时钟频率是 100MHz， 对外接口的时钟频率也是 100MHz。 以读操作为例，每个时钟周期从存储阵列中读一个数据并送到芯片的接口信号上， 从外部看来每个时钟上升沿传输一个数据， 单根数据线上的数据传输率为 100MBPS。 而第一代 DDR 标准及 DDR-200， 它的存储阵列的核心时钟频率也是 100MHz， 但是每个时钟周期读出两个数据，接口的时钟频率 还是 100MHz，但因为在两个时钟沿都传输数据， 所以仍然在一个时钟周期内把这两个数据都传输出去了。 从外部看来每个时钟上升沿和下降沿各传输一个数据， 单根数据线上的数据传输率为 200MBPS，这也就是 DDR-200 的名称由来。

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到这里我们应该发现了一个问题， 通常理解的提升内存性能应该是减少读写数据的时间， 就像我们去图书馆借书，原来办手续需要十分钟， 现在图书馆说要提升一倍的服务效率，我以为会只要五分钟了， 但是 DDR SDRAM 的思路却不一样。 它说，你看这样好不好？办手续呐我们还是保持十分钟， 但你不是要借一本数学书吗？我现在多给你一本语文书， 也就算我们的服务效率提升一倍了。这算不算欺骗消费者呢？ 咱们稍后再说。

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即使是保持办手续还是十分钟这件事情上，它也没有做到。 这张表列出了 SDR 到 DDR1 的各代内存的典型规格。 我们看到 SDR 的核心频率从 66M 到 100M 再到 133M，性能肯定是越来越好了。 但是到了 DDR1 的第一代，也就是 DDR-200， 它的核心频率反而下降了，从 133MHz 降到了 100MHz。

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其实这也容易理解，要从存储阵列中每次取出双倍的数据， 虽然改动并不大，但对性能还是有影响的，因此速度也就慢了下来。 那 DDR-200 相对于 PC133 到底提升了什么呢？ 我们先以对 PC133 的读操作为例， 大概需要 15 个纳秒进行行选，再用 15 个纳秒进行列选， 然后才能得到第一个数据。而与这个数据相邻的后续数据则可以在每个时钟周期送出一个， 而从发出地址到传输完这四个数据总共需要 60ns。

我们再来看 DDR-200， 因为要从存储阵列中取出双倍的数据，所以对存储阵列的访问变慢了， 大概需要 20ns 的行选，再加 20ns 的列选，这样才能得到第一个数据。 不过在与这个数据相邻的后续数据则可以在每个时钟周期送出两个， 因此，送出这四个数据，大约需要 20ns。DDR-200 宣称的 1.6GB/s 的传输带宽就是根据最后这一段 20ns 送出了四个数据计算出来的。

这个指标本身没有错，但是评价内存的性能要看两个指标。 这个指标称为访存带宽，是内存厂商大力宣传的。 另一个重要的指标就是读出第一个数据的时间称为访存延迟， 因为 CPU 真正需要的很可能只是第一个数据，所以访存延迟非常关键。 这里 DDR-200 读出第一个数据用了 40ns，比 PC133 还慢了 10ns. 即使是看读出这四个数据的总时间， 它也用了总共 60ns，和 PC133 是一样的。 因此 DDR-200 的性能表现是要比 PC133 差的。

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不过，随着制造工艺的改进到了下一代的 DDR-266，情况有了一些改善。 DDR-266 的核心频率已经提升到了 133MHz， 和 PC133 一样，但是行选的时间还偏慢一些，这样读出第一个数据大约需要 35ns，不过连续读出四个数据的总时间已经比 PC133 要快一些了，大约是 50ns。

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我们再来看一看行选和列选时间的参数的总表。 等到了 DDR-400 的时候，最短的行选时间已经和 PC133 一样是 15ns 了，而列选也更快了一些， 缩短到了 10ns，因此 DDR-400 的性能要明显优于 PC133 了。但是到了这个时候，核心频率的提升又遇到了困难。

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那么怎么继续提升内存性能呢？这就轮到 DDR2 出场了。既然提升核心频率有困难，那就再增加预先取出数据的数量， 之前是从存储阵列中取出双倍的数据， 那现在就取出四陪的数据。例如 DDR-400，它的核心频率只有 100MHz， 和 DDR-200 一样，但因为预取了四个数据， 从外界看来数据传输率达到了 400MBPS。 当然这时候单靠双倍数据率的传输也不够了。 所以它的接口时钟频率也提升了一倍，变成了 200MHz。 这样上下始终沿都传输数据，正好在核心时钟的一个周期内把四个数据都送出去了。

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和之前一样，DDR2 的第一代标准的性能也不好，其核心频率比当时流行的 DDR-400 要低一半， 不但访存延迟大的多，而且访存带宽也是一样的，所以 DDR2-400 的性能表现是全面落后于 DDR-400 的，很快就被市场淘汰了。 随着制造工艺的改进，DDR2 的核心频率提高之后，性能才逐渐地超过了 DDR1。 不过呢，它的核心频率也没有提高多少。

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而从 DDR2 到 DDR3 的升级， 基本上也是一样的套路。

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这是内存的行选时间的变化图， 图中的毎一个红点都是新升级后的第一代。我们可以看出， 内存标准的每次升级都会让行选的时间变长，之后再慢慢地缩短。 从 SDR SDRAM 的最后一代也就是 PC133，到后来多年占据主流地位的 DDR3-1600 十几年的时间里行选时间也只是从 15ns 缩短到了 10ns， 降低了大约 30%。

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这是内存列选时间的变化图，情况基本一样。 我们可以看出内存的发展过程，基本上就是以牺牲访存延迟为代价，努力提高访存带宽。 访存带宽确实有了几十倍的提升，但是访存延迟的优化幅度很有限。这是由 SDRAM 的基本单元结构决定的， 也就是那个电容的充放电过程。如果不同材料和结构上做根本的改变，基于现在的 SDRAM 结构想要优化访存延迟是很困难的。 所以说从处理器访存的基本要求来看，读出一个指定数据所需要的时间确实没有多少改善，这个说法是没有问题的。

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这就是所谓内存性能越来越高的真相。 如果我是 CPU，我想要的数据你并不能快一点给我， 但你却给了我很多我现在用不着的数，这对性能真的有帮助吗？ 从现状来看肯定是有的， 那这样的帮助是如何实现的呢？ 这就是我们下一节要探讨的问题了。