DDR3 vs DDR4? 为什么说内存是个很傻的设备？DDR5在哪里？
DDR4已经在市面上好几年了，DDR5的draft也已经起草完毕，它的支持已经在视线可及的地平线上。作为BIOS从业者，可以说内存初始化是BIOS中最重要的部分，也可以说是计算机系统里面最傻的设备。这个“傻”表现在它是完全被动的，所有活动全部需要内存控制器来指挥，自己并没有固件（排除最近的NvDIMM傲腾）。它的傻还表现在为了节约成本，增加容量，核心频率十数年没有提高。毕竟增加逻辑就要增加电路，会费电和提高成本；提高核心频率也会费电和提高成本；所有的一切都是能省则省。为什么这么傻的设备在这个世界还能够存活，我们还可以忍受呢？我今天就从DDR4到底比DDR3强在哪里，DDR5又有些什么特性可以期待来展开讨论。阅读前如果对DDR不了解可以参考这两篇文章：
DDR3和它的先辈们
可以说DDR4是DDR系列从SDRAM脱胎以来，变化最大的一次。为什么这么说呢？如果我们看DDR3和它的前辈们的演变关系：
注意我红框标出的DRAM的核心频率基本不变，传输速度的提高是通过增加prefetch的位数（黄框）来做到的。例如同样是100MHz的核心频率，SDRAM一周期取一次，它和内存控制器的速度是100M T/s（这里的T是传输的意思）；DDR上升沿下降沿各取一次，相当于2次prefetch，Bus速度变成200；DDR2变成4n prefetch，Bus speed变成400；DDR3，照此办理，8n带来了800。MT/s和带宽MB/s的关系参见：内存系列一：快速读懂内存条标签
DDRx的核心频率一直维持在100Mhz到266MHz的水平上，每代速度的提升都是靠倍增Prefetch的个数来达到的。我们看DDR2和DDR3的对照表：
DDR2，注意看Clock rate。（来源wikipedia，参考资料1）
DDR3,注意看cell array clock(来源wikipedia,参考资料2)
这么做有什么好处吗？当然最重要的是降低成本和省电了。如果看看内存颗粒里面的结构：
DDR2，4n prefetch
和外部Bus速度相同的是紫色部分（front end），而大片白色的部分(back end)都是工作在核心频率下，也就是100~266HMz下。低速带来了两个好处：
1.低频漏电流小，功耗低。
2.工艺简单，可以大规模堆量。
聪明的工程师从DDR开始不停的倍增prefetch，帽子戏法一而再，再而三上演，DDRx的外部总线带宽稳步提升，成本却提高不大，两全其美，太棒了。直到DDR4，这个故事不能够继续上演。
DDR4来了
DDR4当然和前代每次变化一样，降低了电压；增加了地址线Ax，所以可以支持更大容量。除此之外，有个明显的不同变化，prefetch的倍增停止了。
DDR4和DDR3一样，只有8n的prefetch，但为了提升前端Front End的总线速度，不得不在核心频率上动起了手脚：
DDR4，来源wikipedia(参考资料3)
核心频率不在徘徊在100～266HMz，直接200起跳，到400Mhz。因为核心频率提高，8bit的prefetch不变，总线速度才得以提升。
现在我给大家留一个思考题，为什么DDR3之前可以不停提高prefetch，而DDR4却不行了？这里给一点提示，和Cache line和BL（Burst Length）有关。我过一阵会公布答案，也欢迎在评论区留言。
DDR4还有个巨大且很有意思的改变，也和效能有关。那就是Bank Group：
图片出自参考资料4
随着Bank Group还带来了两个新Timings：tCCD_S和tCCD_L。CCD代表“Column to Column Delay”。S是Short，L是Long。每个Group都可以单独工作，一次完整的8n prefetch不需要等待另一个group，所以是短的delay,也就是tCCD_S，一般是4。Group内部，每次都要等待一个更长的时间，也就是tCCD_L，tCCD_L随不同频率各不相同。
如果我们的数据十分凑巧，都分布在不同的group中，Bank Group会带来巨大的性能提升。最好情况下，2个bank groups和16n prefetch的提升一样，4个bank groups和32n prefetch一样。如果我们的数据刚好都在一个bank group中，频率又十分高，最坏情况，bank group不会带来任何好处。借助Bank interleave，我们的实际情况一般在最好和最坏之间。
DDR4借助核心频率的提升和bank group，性能提升不少。即使PC4-12800和PC3-12800相比，无论功耗和性能，都有不少提高。
DDR5会带来什么？
DDR5的标准尚未公布，据悉会进一步降低电压，这当然是拜现在芯片工艺提升所赐。另外prefetch会进一步从8n prefetch变成16n prefetch。
有同学会问了，你刚才说了DDR4不能从8n变成16n，是碰到了巨大的问题。为什么DDR5又没有问题了呢？因为协议没有公布，等公布后我们再来回顾这个问题。
参考资料
[1]: https://en.wikipedia.org/wiki/DDR2_SDRAM
[2]: https://en.wikipedia.org/wiki/DDR3_SDRAM
[3]: https://en.wikipedia.org/wiki/DDR4_SDRAM
[4]: https://www.systemverilog.io/ddr4-basics