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三大厂商的DDR5技术对比

作者:时间:2022-05-27来源:半导体行业观察收藏

我们刚刚进入了内存时代。自去年以来,所有主要的 DRAM 厂商,如美光、三星和 SK 海力士,都开始发布他们的第一款 内存产品(模块)。此外,如今对 产品的需求明显且肯定超过供应。DDR5 是 DRAM 的新标准,旨在满足计算、高带宽、人工智能 (AI)、机器学习 (ML) 和数据分析的需求。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202205/434551.htm

在接下来的文章里,我们了解一下这个新技术。

DDR4 数据速率通常在 1,600 MHz 到 3200 MHz 的范围内运行,而 DDR5 在数据和时钟速率方面都在 DDR4 上有所改进,性能翻倍,最高可达或超过 7,200 兆比特每秒 (Mbps)。DDR5 将工作电压降低到 1.1V。已添加和修改了许多新的和高级功能,包括将预取从 8 个增加到 16 个、更多的存储库和存储库组以提高总线效率、新的写入模式和刷新模式、决策反馈均衡器 (DFE) 和 PDA。还增加了片上ECC,以加强片上RAS,减轻控制器的负担。这无疑离在未来以数据为中心的应用程序中释放价值更近了一步。

第一个 DDR5 产品以 4,800 MT/s(或 5,600 MT/s)的速度投放市场。与当前高性能服务器中的高端 3,200 MT/s DDR4 DIMM 相比,数据速率提高了 33%。作为参考,Everspin 1 Gb pMTJ STT-MRAM 独立 DDR4 芯片以 1,333 MT/s 的速度运行,具有 15 ns CL 和 135 ns tRCD。最近发布的 GDDR6 设备的运行速度为 16,000 MT/s,LPDDR5 的运行速度为 6,400 MT/s,HBM2E 的运行速度为 3,600 MT/s,HBM2E 是 Nvidia 的旗舰数据中心 GPU 的最新版本,即 80 GB 的 A100(图 1)。

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图 1. DDR、GDDR、HBM 和 LPDDR 的 DRAM 数据速率趋势。

JEDEC 最近更新了 DDR5 SDRAM 标准 (JESD79-5A),包括密集型云和企业数据中心应用驱动的需求要求,为开发人员提供了两倍的性能和大大提高的能效。为了更高的密度和更高的性能,DDR5 有望采用最先进的 DRAM 单元技术节点,例如 D1z 或 D1a (D1) 代,这是 10 纳米级 DRAM 节点的第 3 代或第 4 代。DDR5 内存包含多项创新和新的 DIMM 架构,可实现速度等级跳跃并支持未来扩展。

三星已经发布了基于高 k 金属栅极 (HKMG) 工艺的 DDR5 内存模块。HKMG 工艺于 2018 年在业界首次被三星 GDDR6 内存采用,现在已扩展到 DDR5 内存。SK 海力士刚刚发布了一款新的 24 Gb DDR5 芯片,该芯片采用采用 EUV 工艺的尖端 D1a 纳米技术开发。在带宽方面,DIMM 提供 38.4 GB/s 或 44.8 GB/s(例如,SK Hynix 的 GDDR6 设备为 64 GB/s,八芯片 HBM2E 设备为 460 GB/s)。

TechInsights,最近分析了三款全新的DDR5 DIMM产品;TeamGroup ELITE DDR5 16 GB UDIMM 系列配备 Micron DDR5 设备、G.SKILL Trident Z5 DDR5 内存 (F5-5600U3636C16GX2-TZ5K) 配备三星 DDR5 设备,以及 SK Hynix 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5-4800B 模块(表 1)。

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(表一)

三大 DRAM 制造商已开始量产其首批 4800 MHz 或 5600 MHz 的 DDR5 组件。我们预计 DDR5 设备具有 D1a 或 D1,然而,DDR5 DRAM 芯片和单元/外围设计看起来还没有成熟,并且所有第一批 DDR5 芯片都采用了一些较旧的技术节点(设计规则),例如三星 D1y、美光 D1z , 和 SK 海力士 D1y。迄今为止,业界领先的工艺技术节点是 D1a 或 D1。表 1 显示了美光、三星和 SK 海力士发布的首批 DDR5 设备的比较。

第一个是 TeamGroup ELITE DDR5 UDIMM,配备 16 GB DDR5 设备,其中 DDR5 MT60B2G8HB-48B:A 芯片由美光(Y32A 芯片)制造。我们分析的第二个是 G.SKILL Trident Z5 DDR5 内存 F5-5600U3636C16GX2-TZ5K 与三星 DDR5 K4RAH086VB-BCQK 设备(K4RAH046VB die)。第三个来自 SK Hynix,带有 32 GB HMCG88MEBUA81N DDR5 UDIMM PC5-4800B 模块(H5CNAG8NM die)。

美光应用了他们的 M-D1z 工艺技术节点,而三星和 SK 海力士采用了 D1y 单元工艺(S-D1y 和 H-D1y)。因此,美光 (66.26 mm 2 ) 的 DDR5 裸片尺寸小于三星 (73.58 mm 2 ) 和 SK Hynix 的 (75.21 mm 2 )。

与三星和 SK 海力士相比,美光在 DDR5 上的单元尺寸和位密度方面有更大的进步。事实上,美光 M-D1z 工艺技术比三星和 SK 海力士的 D1y 工艺更先进,包括 15.9 nm D/R、poly-Si/TiN cell gate 无 W 材料、更小的有源/WL/BL 间距、先进的 SNLP 工艺和SN电容工艺和材料,以及CuMn/Cu金属工艺。

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 图2. 美光、三星和 SK Hynix 的 16Gb DRAM 芯片尺寸比较;DDR4-3200 与 DDR5-4800

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图3. 美光、三星和 SK 海力士 16Gb DRAM 位密度的比较;DDR4-3200 与 DDR5-4800Image 

图4. 美光、三星和 SK Hynix 的 16Gb DRAM 单元尺寸比较;DDR4-3200 与 DDR5-4800

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图5. 美光、三星和 SK Hynix 的 16Gb DRAM D/R 比较;DDR4-3200 与 DDR5-4800



关键词: DDR5

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