淺談DDR2 SDRAM

02 / 06 / 2005

目前的電腦市場，隨著 CPU 運作速度與時脈不斷的提升，相對的周邊裝置的速度就顯得十分緩慢，也無足夠頻寬負荷龐大資料運算，造成 CPU 有許多時間都是在等待周邊裝置的回應。

就記憶體的發展而言，從先前的 SDRAM 到目前主流的 DDR SDRAM，雖然運作頻率、頻寬不斷上升，但仍無法達到 Intel 理想中 Balanced System 的目標。

以 DDR SDRAM 的缺點而言，最主要的有下列幾點：1. 實際執行效能非兩倍於 SDRAM

2. 工作頻率不易再提升3. 無法達到 Balanced System 的目標也因此記憶體新技術的開發將在所難免。

在 DDR2 SDRAM 問世後，著實對 PC 市場投下一顆震撼彈，引起了使用者的目光，以下將對 DDR2 SDRAM 做一介紹。

首先，先比較 DDR SDRAM 與 DDR2 SDRAM 的差異：

由上表可知，記憶體的工作電壓由先前 SDRAM 的 3.3V 到 DDR SDRAM 的 2.5V 演進到 DDR2 SDRAM 的 1.8V。接腳數也由先前的 184pin 增加到 240pin，此外也新增 OCD、ODT、Posted CAS 等技術，下面將會從外觀以及技術架構等層面一一介紹。

在外觀部分，由下圖可知 DDR2 SDRAM 的防呆缺口明顯的與 DDR SDRAM

不同。這是因為 DDR2 的工作電壓為 1.8V，為了與現行工作電壓 2.5V 的 DDR 記憶體有所區隔，也因此在防呆缺口方面會有所不同。而在接腳方面 DDR2 也比 DDR 來得多且密集。

接著再來看插槽外觀。由下圖，很明顯的可以看到 DDR2 的防呆缺口比 DDR

較左邊，另外在插槽上的防呆缺口也標示著此 DIMM 支援的電壓。

現在來看 DDR2 SDRAM 的架構變革。DDR2 SDRAM 最主要的變革有下列四項：

1. 4-bit Pre-Fetch

Data Pre-fetch 可以稱資料為預取技術，也就是記憶體 I/O 緩衝區的數據傳輸率和記憶體 Cell 之間的數據讀/寫之間的倍率。由上圖，DDR2 SDRAM 在預取功能從 DDR 的 2-bit 提升到 4-bit，也因此在同樣都為上緣與下緣觸發的狀態，DDR2 可在一個時脈週期存取 4 bit 的資料，而 DDR 只有 2 bit。

2. ODT

所謂的 ODT 全名為 On Die Terminator，顧名思義就是內建在記憶體晶片上的終端電阻。其作用在於吸收反射訊號以減少干擾與雜訊。一般的 DDR 記憶體其終端電阻都內建於主機板上。由圖可知，當訊號傳送到執行中的 DRAM

也會同時傳送到待機中的 DRAM，此時從待機中的 DRAM 會有一反射訊號反射回執行中的 DRAM 造成訊號干擾，而若 DRAM 內建 ODT 則可有效吸收此反射訊號，減少干擾，保持資料準確性，如上圖右所示。

3. OCD

OCD 全名為 Off Chip Driver，其作用在於調整 I/O 驅動電路電壓，補償上升與下降訊號阻抗，減少 DQ 與 DQS 訊號偏移，以改進訊號完整性。正常的訊號應如圖中 T2 所示。如 T1 的 timing，因為讀取時間減少將導致讀取資料不完整。又如 T3，因為讀取時間拉長，將增加干擾。透過 I/O 驅動器電壓校準可以修正不同 DRAM 供應商之間的製程差異。

4. Posted CAS

Posted CAS 的作用即是 CAS 訊號(讀/寫命令)可以在 RAS 訊號輸入之後成為下一個時脈的輸入。改進空隙週期（Bubble），提高指令和資料匯流排的效率。在一個前置 CAS 作業中，一個 CAS 訊號(讀/寫命令)可以在 RAS 訊號輸入之後成為下一個時脈的輸入。原來的 tRCD ( RAS 到 CAS 的延遲 ) 被 AL 所取代 ( AL 可以設定為 0、1、2、3、4 )。由於 CAS 指令放在 RAS 指令後面一個時脈週期，因此 ACT 和 CAS 信號永遠也不會產生碰撞衝突。這樣簡化了控制器設計，因為它可以避免指令匯流排上的衝突。而且，採用一個簡單的指令序列還可以提高指令和數據匯流排的效率。由於在讀/寫指令之間不存在「氣泡」（bubble）或空隙周期，因此實際的記憶體頻寬也得到提高。

5. FBGA ( Fine pitch Ball Grid Array ) 封裝方式

新一代的 DDR2 記憶體將會採用 FBGA 的封裝方式，FBGA 晶片的邊緣沒有針腳，它是透過晶片下方的球狀針腳來和外界連接的。正常 DDR TSOPII 記憶體需要佔 261 立方毫米，但 DDR2 FBGA 只需佔 126 立方毫米，因此在同一個大小的晶圓下可生產更多的記憶體顆粒，當生產良率成熟後其最終成本會

比 DDR 記憶體更低。

FBGA 封裝為 DDR2 記憶體的穩定性與未來頻率的發展提供了良好的保障，DDR2 記憶體採用 1.8V 電壓，更小的功耗( DDR400 記憶體需要 527mW 而 DDR2 400 記憶體只需要 247mW )與更小的發熱量，讓 DDR2

記憶體更適用於筆記型電腦及膝上型電腦。

對於記憶體廠商而言，雖然現在大部分的大廠都將開出最新的 300mm 晶圓廠來生產 DDR2 記憶體，同樣的晶片廠也會從 130 奈米製程轉換到 110 奈米以下，但是一般來說轉換到新的製程是半導體製造商的一大難題，因為有許多不可測的問題要克服，問題嚴重時還可能面臨生產線停擺的命運。另外單顆記憶體晶片的容量將達到 512Mb，是現有 256Mb 的兩倍，記憶體密度的提升也是個難處理的問題，再加上 DDR2 記憶體的設計與 DDR 記憶體的設計根本上不同而且封裝的方式也改變，因此 DDR2 記憶體與舊主機板並不相容，將迫使硬體工程師必須重新更改設計，另外也面臨初期上市時價格過高、良率過低的狀況，這些都是記憶體廠商必須要克服的難題。