DDR vs DDR2 vs DDR3特性比較 @ kasim的部落格

DDR, DDR2與DDR3的記憶體介面缺口都在不同位置，因此，彼此是不相容的，必須配合主機板上的插槽購買相對應的DDR型號。

DDR SDRAM 模塊用於桌上型電腦，被稱為DIMM。筆記本電腦上的DDR SDRAM 稱作SO-DIMMs，不同數據速率的DDR2 DIMMs(DDR3)被混用在電腦上是彼此相容的，但是，在系統中混用DDR2(DDR3)只能以當中最低數據速率DDR2(DDR3)的內部頻率工作。

DDR SDRAM

雙倍資料率同步動態隨機存取記憶體(Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，即DDR SDRAM)改良自SDRAM，資料傳輸速率是SDRAM的兩倍，亦即DDR效能為SDRAM的兩倍，而DDR資料傳輸速度是系統時脈的兩倍。硬體實體圖如下：

DDR功能

(1)DDR效能為SDRAM的兩倍:在一個時脈周期內，SDRAM只在時脈上升緣傳輸一次資料；而DDR SDRAM在時脈的上升緣和下降緣各傳輸一次資料，共傳輸兩次資料(double pumping技術)，簡言之，在一個時脈周期中，DDR資料傳輸效率是SDRAM的兩倍，亦可理解為200MHz DDR=400MHz SDRAM。
(2)DDR為TSOP封裝
(3)DDR工作電壓為2.5V

DDR JEDEC標準模組

DDR公式

下列公式可計算出DDR SDRAM時脈。

DDR記憶體運作時脈：實際時脈*2(由於兩筆資料同時傳輸，200MHz記憶體的時脈會以400MHz運作。)

記憶體頻寬=記憶體速度*8 Byte‎‎

標準公式：記憶體除頻係數=時脈／200

速演算法：外頻*(除頻頻率/同步頻率) (使用此公式將會導致4%的誤差)

DDR2 SDRAM
第二代雙倍資料率同步動態隨機存取記憶體(Double-Data-Rate Two Synchronous Dynamic Random Access Memory，即DDR2 SDRAM)改良自DDR，DDR2將 DDR的2bit Prefetch (2位預取) 技術升級成4 bit Prefetch (4位預取)機制，因此，在相同核心時脈下，DDR2的效能與頻寬為DDR的兩倍。硬體實體圖如下：

DDR2功能

(1)DDR2亦有double pumping技術
(2)DDR2資料傳輸速度為DDR的兩倍
(3)DDR2數據傳輸速度為系統時脈的四倍(4 bit Prefetch)
(4)DDR2讀寫延遲時間(CAS latency)較DDR長:DDR SDRAM一般是2到3個匯流排周期的讀取等待時間，而DDR2一般是4到6個匯流排周期的讀取等待時間
(5)DDR2為FBGA封裝:比DDR的TSOP封裝更貴更困難，FBGA封裝需要更高的匯流排速度以維持訊號的完整
(6)DDR2功耗較DDR低:DDR2工作電壓為1.8V較DDR工作電壓2.5V低，而且單位時間資料傳輸速度為DDR的兩倍
(7)DDR2將融入CAS、OCD、ODT等新性能指標和中斷指令

DDR2 JEDEC 標準模組

DDR3 SDRAM
第三代雙倍資料率同步動態隨機存取記憶體(Double-Data-Rate Three Synchronous Dynamic Random Access Memory，即DDR3 SDRAM)改良自DDR2，DDR3將 DDR2的4bit Prefetch (4位預取) 技術升級成8 bit Prefetch (8位預取)機制，因此，在相同核心時脈下，DDR3的效能與頻寬為DDR2的兩倍。硬體實體圖如下：

DDR3功能

(1)DDR3亦有double pumping技術
(2)DDR3資料傳輸速度為DDR2的兩倍
(3)DDR3數據傳輸速度為系統時脈的八倍(8 bit Prefetch)
(4)DDR3讀寫延遲時間(CAS latency)較DDR2長
(5)DDR3為FBGA封裝
(6)DDR3功耗較DDR2低:DDR3工作電壓為1.5V較DDR2工作電壓1.8V低，而且單位時間資料傳輸速度為DDR的兩倍
(7)DDR3 SDRAM為了更省電、傳輸效率更快，使用SSTL 15的I/O介面，運作I/O電壓是1.5V，採用CSP、FBGA封裝，除了延續DDR2 SDRAM的ODT、OCD、Posted CAS、AL控制方式外，另外新增更為精進的CWD、Reset、ZQ、SRT、RASR功能。
●CWD是作為寫入延遲之用
●Reset提供了超省電功能的命令，可以讓DDR3 SDRAM記憶體顆粒電路停止運作、進入超省電待命模式
●ZQ則是一個新增的終端電阻校準功能，新增這個線路腳位提供ODCE(On Die Calibration Engline)用來校準ODT(On Die Termination)內部中斷電阻
●SRT(Self-Reflash Temperature)可程式化溫度控制記憶體時脈功能，SRT讓記憶體顆粒在溫度、時脈和電源管理上進行優化，可以說在記憶體內做電源管理的功能，同時讓記憶體顆粒的穩定度也大為提升，確保記憶體顆粒不致於工作時脈過高導致燒毀的狀況
●PASR(Partial Array Self-Refresh)局部Bank重新整理的功能，針對整個記憶體Bank做更有效的資料讀寫以達到省電功效

DDR3 JEDEC 標準模組

DDR2與DDR3差異
1.邏輯Bank數量
    DDR SDRAM有2Bank和4Bank的設計，DDR2 SDRAM有4Bank和8Bank的設計，而DDR3起始邏輯Bank是8個，另外，還為未來的16個邏輯Bank做好準備，目的是為了應對未來大容量晶片的需求。

2.封裝(Packages)
    早期DDR封閉顆粒是TSOP，DDR3由於新增一些功能，所以引腳會有所增加，8bit晶片採用78球FBGA封裝，16bit晶片採用96球FBGA封裝，且DDR3是綠色封裝，不含有任何有害物質；而DDR2則有60/68/84球FBGA封裝三種規格。

3.突發長度(BL，Burst Length)
    由於DDR3的預取為8bit，所以突發傳輸週期(BL，Burst Length)也固定為8，而對於DDR2和早期的DDR架構的系統，BL=4也是常用的，DDR3為此增加一個4-bit Burst Chop(突發突變)模式，即由一個BL=4的讀取操作加上一個BL=4的寫入操作來合成一個BL=8的資料突發傳輸，屆時可通過A12位址線來控制這突發模式。而且，任何突發中斷操作都將在DDR3記憶體中予以禁止，且不予支持，取而代之的是更靈活的突發傳輸控制(如4bit順序突發)。

4.尋址時序(Timing)
    延遲周期數DDR3>DDR2>DDR，DDR2的CL範圍一般在2至5之間，而DDR3則在5至11之間，且附加延遲(AL)的設計也有所變化。DDR2時AL的範圍是0至4，而DDR3時AL有三種選項，分別是0、CL-1和CL-2。另外，DDR3還新增加一個時序參數-寫入延遲(CWD)，這一參數將根據具體的工作頻率而定。

5.新增重置(Reset)功能
   這引腳將使 DDR3的初始化處理變得簡單。當Reset命令有效時，DDR3記憶體將停止所有的操作，並切換至最少量活動的狀態，以節約電力。在Reset期間，DDR3記憶體將關閉內在的大部分功能，所有資料接收與發送都將關閉。所有內部的程式裝置將重定，DLL(延遲鎖相環路)與時脈電路將停止工作，而且，不理睬資料匯流排上的任何動靜，這樣一來，將使DDR3達到最節省電力的目的。

6.新增ZQ校準
    這個引腳上接有一個240歐姆的低公差參考電阻。這個引腳通過一個命令集，通過片上校準引擎(ODCE，On-Die Calibration Engine)來自動校驗資料輸出驅動器導通電阻與ODT的終結電阻值。當系統發出這一指令之後，將用相應的時脈週期(在加電與初始化之後用512個時脈週期，在退出自刷新操作後用256時脈週期，在其他情況下用64個時脈週期)對導通電阻和ODT電阻進行重新校準。

7.參考電壓分成兩個
    對於記憶體系統工作非常重要的參考電壓信號VREF，在DDR3系統中分為兩個信號。一個是為命令與位址信號服務的VREFCA，另一個是為資料匯流排服務的VREFDQ，它將有效的提高系統資料匯流排的信噪等級。

8.根據溫度自動自刷新(SRT，Self-Refresh Temperature)
    為了保證所保存的資料不丟失，DRAM必須定時進行刷新，DDR3也不例外。不過，為了最大限度的節省電力，DDR3採用新型的自動自刷新設計(ASR， Automatic Self-Refresh)。當開始ASR之後，將通過一個內置於DRAM晶片的溫度感測器來控制刷新的頻率，因為刷新頻率高的話，耗電就大，溫度亦升高，而溫度感測器則在保證資料不丟失的情況下，儘量減少刷新頻率，降低工作溫度。不過DDR3的ASR是可選設計，並不見得市場上的DDR3記憶體都支援這一功能。

因此，還有一個附加的功能就是自刷新溫度範圍(SRT，Self-Refresh Temperature)。通過模式寄存器，可以選擇兩個溫度範圍，一個是普通的的溫度範圍(例如0℃至85℃)，另一個是擴展溫度範圍，比如最高到 95℃，對於DRAM內部設定的這兩種溫度範圍，DRAM將以恒定的頻率和電流進行刷新操作。

9.局部自刷新(RASR，Partial Array Self-Refresh)
這是DDR3的一個可選項，通過這一功能，DDR3記憶體晶片可以只刷新部分邏輯Bank，而不是全部刷新，從而最大限度的減少因自刷新產生的電力消耗。

10.點對點連接(P2P，Point-to-Point)
這是為了提高系統性能而進行的重要改動，也是與DDR2系統的一個關鍵區別。在DDR3系統中，一個記憶體控制器將只與一個記憶體通道打交道，而且這個記憶體通道只能一個插槽。因此，記憶體控制器與DDR3記憶體模組之間是點對點(P2P，Point-to-Point)的關係(單物理Bank的模組)，或者是點對雙點(P22P，Point-to-two-Point)的關係(雙物理Bank的模組)，從而大大減輕位址/命令/控制與資料匯流排的負載。而在記憶體模組方面，與DDR2的類別相類似，也有標準DIMM(桌上型PC)、SO-DIMM/Micro-DIMM(筆記型電腦)、FB-DIMM2(伺服器)之分，其中第二代FB-DIMM將採用規格更高的AMB2(高級記憶體緩衝器)。不過目前有關DDR3記憶體模組的標準制定工作剛開始，引腳設計還沒有最終確定。

11.DDR3相較於DDR2的性能優勢
(1)功耗和發熱量較小

(2)工作頻率更高：由於功耗降低，DDR3可實現更高的工作頻率，在一定程度彌補延遲時間較長的缺點

(3)降低整體成本：DDR2單顆記憶體顆粒規格多為4M *32bit=128Mbit=16MB，搭配中高端顯卡常用的128MB便需8顆，而DDR3單顆記憶體顆粒規格多為8M*32bit=256Mbit=32MB，單顆顆粒容量較大，4顆即可構成128MB顯示卡。因此，可降低PCB面積，進而節省成本，而且，顆粒數減少有助於降低功耗。