DDR5穩步前行，HBM才是記憶體的未來
每次有新聞提到PC市場銷量下滑，可愛的超能網讀者往往會調侃兩家公司——“Intel，你又擠牙膏了，SNB還能戰三年”，還有一個想努力擠牙膏但新牙膏上市延期、只能先上PPT的AMD。五年多前的SNB處理器+4GB DDR3記憶體的確還能再戰，但是公平地說，電腦性能實際上一直在不斷增長，2011年的TOP500冠軍是日本京/K電腦，性能只有8.2PFLOPS（千萬億次），記憶體容量141TB，2016上半年的TOP500冠軍是中國的太湖之光，浮點性能93PFLOPS，記憶體容量1.31PB，差不多都是5年前的10倍。
未來幾年將實現百億億次計算，對處理器及記憶體的要求都很高
五年前的高性能計算剛剛達到1億億次，今年太湖之光剛剛實現了10億億次，2020年之前的目標是實現百億億次，也就是exaFLOPS級別，包括中國、美國、日本和歐盟在內，百億億次計算是世界各國都在爭奪的下一個制高點，它不僅對主處理器/輔助處理器提出了極高的要求，支撐起如此龐大運算規模也需要在網路連接、高速記憶體等子系統上實現突破。
處理器方面陸續將會有Intel下一代Xeon處理器、IBM Power 9及AMD Zen，加速卡也有NVIDIA Volta、AMD Navi等，下一代記憶體技術則會有DDR5、HBM、HMC等，它們還會根據不同應用範圍衍生出多個版本。今天我們來聊聊未來的集中記憶體（也包括顯存）技術的走向及特點。
HBM的出現代表著3D堆疊的新一代記憶體技術日趨實用化
從Haswell-E處理器開始，記憶體就開始從DDR3向DDR4升級，經過2年多時間的磨合，到了今年DDR4記憶體也可以說是白菜價了。2015年AMD推出了Fiji核心的Fury系列顯卡，它使用的是HBM顯存，與之前的GDDR5顯存不同，HBM可以說是普通人接觸到的第一款3D堆疊記憶體，它代表著未來，而DDR記憶體則是主流代表，下一步是DDR5記憶體，再加上美光、Intel主導的HMC記憶體，這三者以及它們的衍生品可以說是2020年之前記憶體/顯存技術角逐天下的主角了。
記憶體/顯存技術路線圖
預測DDR、HBM及HMC三強爭霸的結局還太早了，要想分出勝負我們還得掂量掂量這三者在性能、功耗及成本上的表現。
DDR5/HBM/HMC記憶體及顯存規範簡介
DDR5：記憶體正統續作，顯存/移動記憶體之基礎
2014年隨著Hasewll-E處理器及X99主機板的問世，DDR4記憶體首次進入桌面市場，不過X99平臺是面向發燒級玩家的，到了2015年Intel又推出了Skylake處理器，這才算是走入主流市場。經過這兩年的發展，DDR4記憶體已經從王謝堂前燕飛入尋常百姓家了，性價比完全不輸DDR3記憶體。
DDR4記憶體已經是主流，下一代DDR5記憶體
對於DDR4記憶體，我們之前在三位一體升級換代，Haswell-E、X99及DDR4前瞻一文中已經詳細解析過它與DDR3記憶體的不同，簡單來說就是在基礎頻率無法大幅提升的情況下，DDR4通過翻倍提升顯存核心的Bank（記憶體庫）數量變相提高了資料吞吐率，其資料頻率可從前代的0.8-2.1Gbps大幅提升到1.6-3.2Gbps，進而提高了記憶體頻寬。
DDR4記憶體在核心頻率變化不大的情況下大幅提升了頻寬
此外，DDR4記憶體的電壓也從前代的1.5V降低到了1.2V，提高了能效，而隨著工藝的進步，DDR4記憶體的核心容量也從之前4Gb提升到了8Gb、16Gb，可以輕鬆實現單條64GB以及128GB記憶體，這些都是它比DDR3記憶體先進的地方。
目前高頻DDR4記憶體頻率已經達到了4.26Gbps，差不多又到了一個極限了，下一步該準備DDR4的繼任者了，不出意外的話，其命名就是DDR5，技術路線也類似DDR3到DDR4那樣，核心頻率同樣不會有大幅提高，能做文章的地方還是資料預取位元寬、記憶體庫數量等。
DDR5記憶體資料頻率再次翻倍，頻寬至少也會翻倍
DDR5記憶體目前還在研發階段，尚未有具體規範，所以廠商公佈的很多規格都不是確定的，其目標是相比DDR4記憶體至少頻寬翻倍，容量更大，同時更加節能，具體來說就是資料頻率從目前1.6-3.2Gbps的水準提升到3.2-6.4Gbps，預取位寬從8bit翻倍到16bit，記憶體庫提升到16-32個。
至於電壓，DDR4電壓已經降至1.2v，DDR5有望降至1.1v或者更低。
三星公佈的DDR5規範與美光的略有不同
在三星討論的DDR5記憶體規範中，其目標跟美光基本一致，也是頻寬至少翻倍，預取位寬也會翻倍，不過記憶體庫數量還是16個，與美光公佈的資料略有不同。
不過在時間點上，業界還是有一定共識的——DDR5預計在2017年完成規範制定，2018年出樣，2019年開始生產，不過要普及的話估計至少是2020年的事了。
此外，儘管美光、三星都沒提制程工藝的問題，不過2018年10nm工藝已經量產了，2020年左右則是7nm節點了，而目前DDR4最先進的工藝是18nm，到了2020年那個時間段，記憶體也會殺向10nm以下節點的。
DDR5記憶體衍生版之GDDR6顯存
說DDR5記憶體是最正統的記憶體續作，不僅因為它是最主流的記憶體選擇，還與它的衍生版有關——顯存用的下一代GDDR與手機、平板用的LPDDR低功耗記憶體都跟DDR5息息相關，業界在討論DDR5記憶體的同時，同樣也沒忘了GDDR6及未來的LPDDR5記憶體。
GDDR6顯存路線圖
很久之前顯卡用的顯存是跟PC記憶體一樣的，但是隨著GPU性能的不斷提升，對頻寬的要求也水漲船高，普通PC記憶體已經滿足不了需要了，在DDR記憶體基礎上就衍生出了GDDR記憶體，GDDR5就是在DDR3基礎上衍生的，大部分規格都是相同的，不過資料預取位元寬從4bit翻倍到8bit，所以頻寬在DDR3基礎上提高一倍，這也是其資料頻率是真實頻率4倍的由來，而普通DDR3記憶體是2倍真實頻率。
在DDR5基礎上衍生出來的顯存就是GDDR6（雖然還不是正式定名）了，它的實際頻率與目前高頻GDDR5記憶體差不多，都是1.75GHz左右，但因為預取位寬再次翻倍，資料頻率則會從7Gbps提升到14+Gbps，這個思路其實跟美光主推的GDDR5X顯存是一樣的，同樣是在不提高實際頻率的情況下通過提升預取位寬實現頻寬提升。
當然，為了進一步降低功耗，GDDR6顯存的電壓也會從目前1.5V降至1.35V。
DDR5記憶體衍生版之LP5顯存
低功耗LPDDR5記憶體
低功耗LPDDR記憶體也會在DDR5基礎上演進，其速率也能達到6.4Gbps，不過電壓則會進一步降低，目前LPDDR4已經是1.1v電壓了，LPDDR5電壓會低於1.1v，目標是實現20%的能效提升。
HBM：第三代性能更強大，但降低成本也很重要
2015年AMD推出了Fiji核心的Fury系列顯卡，雖然推出的三款顯卡都是面向高端市場的，售價比較高，但從技術上來說Fury系列顯卡絕對是顯卡史上的一次重大變革，因為它用上了HBM顯存，它不僅僅是性能更強大，最重要的是HBM顯存極大地減少了PCB面積佔用，可以把高端顯卡做的非常小巧，AMD的R9 Nano顯卡是2015年讓筆者印象最深刻的產品，比GTX Titan X和GTX 980 Ti更有意義。
Fury顯卡上的HBM顯存堪稱一次革命
對於HBM顯存，我們之前在評測及解析中也詳細說過它的特點和優勢了，詳情可以參考：AMD詳解HBM顯存：性能遠超GDDR5，功耗降50%，面積小94%，一句話來說就是HBM在電壓只有1.2V的情況下將顯存頻寬提升到512GB/s，性能更強，功耗更低，佔用面積更小。
一代HBM顯存就相比GDDR5有了明顯優勢了
到了2016年，HBM顯存又進化到了第二代，並正式成為JEDEC標準。與前代產品相比，HBM 2顯存核心容量從2Gb提升到8Gb，資料頻率從1Gbps提升到2Gbps，帶來的好處就是在同樣4-hi堆疊下，HBM 2單顆顯存容量可達4GB，頻寬1024GB/s。
HBM 2顯存標準
SK Hynix目前生產的HBM顯存類型及規格
HBM顯存最早是AMD和SK Hynix聯合研發的，第一代HBM顯存主要是SK Hynix在生產，HBM 2時代NVIDIA、三星也參與進來了，前者首發了HBM 2顯存的Tesla P100加速卡，SK Hynix也開始量產HBM 2顯存了，有2-hi、4-hi、8-hi三種堆疊方式，頻率1.0、1.6及2.0Gbps，頻寬分別是128、204256GB/s，堆疊容量2、4、8GB，最高可實現32GB堆疊總容量，1024GB/s頻寬。
HBM 3顯存也在路上了
HBM 2還沒上市，三星已經在討論HBM 3顯存了，預計在2019-2020年問世，不過目前並沒有確切的規格。從三星的表態來看，HBM 3會進一步提高堆疊層數、核心容量及頻寬，但在核心頻率、記憶體庫、DQ位元寬方面保持HBM 2的水準，不過就算提升容量和堆疊層數，也足夠HBM 3容量翻倍、頻寬翻倍了，64GB HBM 3容量不是夢。
值得注意的是，HBM 3顯存的電壓預計會比目前1.2v低得多，這有助於大幅降低HBM 3功耗。
低成本HBM顯存也在討論中
從HBM顯存問世開始，我們就知道它是個好東西，各方面完勝GDDR顯存——除了成本太高，因為HBM顯存是新標準，產能不足，而且它是2.5D堆疊的，製造工藝比GDDR5顯存複雜多了，這都加劇了HBM顯存的普及難度。
在這方面，三星一方面在推進更高性能的HBM 3，同時也在探討研發低成本的HBM，通過移除ECC校驗、緩衝器層、減少I/O及降低TSV數量（TSV工藝中打孔數量越多，性能越好，但會更複雜），這些手段有助於減少HBM成本，雖然這會對HBM性能造成一定影響，I/O位寬從1024bit減少到512bit，但可以通過其他手段彌補，比如提高資料頻率到3Gbps，這樣一來低成本HBM的頻寬會從256GB/s降低到200GB/s左右，還在可接受範圍內，而製造成本就低多了。
對HBM來說，阻礙它普及的最大障礙就是成本了，一旦低成本HBM得以實現，那麼HBM就有可能不再局限于高端顯卡之中，CPU也可以拿它來做緩存了。
HMC：不同於HBM的3D記憶體，美光獨立支撐
如同快閃記憶體從2D NAND轉向3D NAND一樣，記憶體也要從平面轉向3D立體，前面的HBM就是3D記憶體技術的一種，不過它並非唯一選擇，美光、Intel還有HMC（Hybrid Memory Cube）記憶體，它也是通過TSV矽穿孔工藝堆疊多層DRAM核心以實現3D堆疊的。
實現3D堆疊之後，HMC也可以搭積木一樣堆疊記憶體核心了，帶來的優勢就是：
·性能更強，頻寬是DDR3記憶體的15倍
·功耗更低，功耗比DDR4減少70%
·佔用面積更小，比DDR4減少90%
·設計更簡單，通道複雜性比DDR4減少88%
這張圖中可以看到HBM與HMC結構上的不同
HMC與HBM都是TSV工藝的堆疊記憶體，很容易混淆，不過具體結構上HMC記憶體與HBM還是有很大不同的，它可以分為三個層次——頂部的是堆疊的DRAM核心，中間有個邏輯層（logic Layer），最下面則是封裝層（package）。
美光主導的HMC記憶體
HMC與處理器的連接方式也不同，HBM有個工藝複雜的仲介層，打通了處理器與HBM晶片，而HMC與處理器連接是靠4條高速Link，每條Link有16個通道，速度最高可達30Gbps，典型速度有10Gbps、15Gbps、25Gbps。如果是4-link、10Gbps速度，那麼頻寬可達160GB/s，15Gbps速度則是240GB/s，美光還在開發8-link HMC，頻寬可上320GB/s。
美光目前量產的HMC單顆容量2GB，核心容量為4Gb，4層堆疊，頻寬160GB/s，算起來性能比HBM 2顯存的256GB/s要差一些，不過HMC相比HBM還有個優勢，那就是HBM的高頻寬需要離處理器很近，顯卡跟HBM都是封裝在一起的，所以製造工藝複雜，成本太高，而HMC通過Link與處理器相連，既可以做近場記憶體(near memory)，也可以距離遠點（far memory），部署更加靈活。
美光HMC樣品
美光HMC記憶體主要特點
不過與HBM顯存受到顯卡、FPGA追捧不同，HMC推廣的力度就小多了，儘管HMC陣營也有三星、SK Hynix參與，但真正在推的只有美光、Intel，Intel代號“Knights Landing”的Xeon Phi上使用了16GB片上緩存，就是美光提供的HMC，號稱是DDR4記憶體的5倍性能、5倍能效，同時面積佔用只有後者1/3。
HMC的規範發展已經到了2.0時代，據說美光今年還要推出HMC 3.0規範，Link數量、堆疊層數、核心容量都有進一步提高，頻寬可提升到480GB/s，該指標跟HBM 3差不多同級了。
小結：
本文主要介紹了2020年之前新一代記憶體/顯存技術路線，DDR5記憶體的發展是按部就班，DDR5技術使用傳統思路提升頻寬、降低能耗，而HBM及HMC則是3D堆疊，發展潛力比DDR5更誘人，不過3D堆疊目前製造過程複雜，成本太高，主要用於高性能計算領域，普通消費者要想用上廉價3D記憶體/顯存還要等技術成熟。