还能再快点DDR5来临前这些你要懂

Overlord

很多年前，电脑装机还是标准的十三大件，而现在很多设备都已经成为板载的形式存在，装机的配件数量也大幅度减少了。除了CPU、主板、硬盘之外，仍必不可少的便是内存了——要知道即便是显卡，也有CPU核显可以替代，小小的内存却一直独立存在（部分笔记本带有板载内存，但仍是物理上的独立存在）。而且听起来都是个“存”字，很多电脑用户实际上并不是非常清楚内存和硬盘存储的区别，所以有时候会有笑话“我的内存是128TB的，硬盘是16GB”。那么，内存究竟是什么，为何如此重要？这个小小的条状物又是如何工作的呢？

“我”不是临时工！

内存究竟是什么？恐怕很多读者并没有深究过它的作用和意义吧？内存的英文是Memory，也被称为内存储器和主存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。 只要计算机在运行中，操作系統就会把需要运算的数据从内存调到CPU中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行状态也决定了计算机的是否能稳定运行。

具体来说，我们都知道CPU处理数据、命令的能力非常出众，但是需要不停地接收新的指令和“要求”才能有的放矢。而海量的数据又都存储于硬盘之中，CPU在工作的时候就必须等待硬盘把数据“贡献”给CPU。当然受限于硬盘自身的读写能力，其提供的数据量对比CPU的处理能力少之又少，哪怕是今天我们看到的PCIe 4.0规格的NVME固态硬盘，也远远不能满足CPU的计算能力，这时就需要内存作为一个“协调者”的角色出现了。

CPU的工作流程大致分为三个步骤，第一个是读取指令，即接收指令需求;第二个是翻译指令，将发送过来的指令需求“翻译”;第三步，则是发送信号执行翻译过的这些指令。在第一步读取指令的时候，CPU并非直接读取硬盘发送过来的数据，因为那“太慢了”，CPU调取的是从硬盘发出并暂存于内存中的指令，这些指令会被写入指令寄存器（CPU）中以供后续使用。

或者我们“调过头”来看，硬盘存储着我们的程序、数据，当我们双击某个程序图标的时候，CPU首先接收到我们的命令，然后CPU就会告诉硬盘，运行你保存的程序1，并且把程序1发送到内存中。然后CPU又会和内存说，我已经“命令”硬盘把程序1送到你这里了，你要暂存一下，等程序1的必要数据命令被硬盘传送到内存后，CPU会将其调入到自己的寄存器中，然后执行程序1。

内存远没有你想得那么简单

我们刚刚了解了内存的基本作用，但是内存是不是因为是个“临时工”，它没那么重要呢？在厘清这个问题前，我们还需要了解一下内存究竟是什么。

谈到存储通常我们都会听到这样的英文简称“ROM、R AM”。所谓ROM，全称为Read Only Memor y，即只读存储器，简言之，它只能被读取，而不能被写入。但是，它在断电后依旧可以“记住”信息，不会丢失任何数据。当然了，ROM其实是一个统称，它也细分称集中不同的类型。比如PROM，这是一种可编程的ROM，它可以通过特殊方式写入数据，但是只是一次性的，写入后就不可更改。

另一种则是EPROM，即可擦除可编程ROM，它的写入原理是通过紫外光的照射擦出原先的程序。最后一种是EEPROM，它是EPROM的“升级版”，不同之处是采用电子擦写的方式而不是紫外光照射，并且写入时间很长，写入速度也很慢。另外，我们熟知的NAND FLASH——就是固态硬盘使用的存储颗粒，本质上也属于ROM的一员。

而RAM则是随机存取存储器（Random Access Memory），它的作用是负责直接与CPU交换数据，能够随时读写，而且速度非常快。但是，当电源关闭时RAM不能保留数据，如果需要保存数据，就必须把它暂存的数据写入到一个存储设备例如硬盘中。我们电脑上使用的睡眠功能，就是通过将内存暂存的数据写入硬盘，用以唤醒后快速恢复状态设计而成的。RAM和ROM相比，两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而ROM不会自动消失，可以长时间断电保存。

同ROM有很多细分种类一样，RAM大体也分为两类，即SRAM（静态随机存储器）和D R AM（动态随机存储器）两种。SRAM（Static RandomAccess Memory，静态随机存储器），它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。优点是速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。缺点是集成度低且功耗较大，相同的容量体积较大（需要靠超大规模集成电路解决），因而成本昂贵，只能少量用于关键性系统（例如CPU缓存）以提高效率。

前面我们也说到了内存的作用，某种程度上讲它也算一种“缓存”，不过当它暂存的数据发送给CPU的时候，CPU内部也需要缓存来缓冲，这个缓存就是基于SRAM而生的。CPU的缓存和主内存之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的，不需要操作系统的干预和“指导”。除了超高的速度，CPU缓存的重要技术指标是它的“命中率”。可以这样理解：CPU的缓存作为内存局部区域的一个副本，用来存放当前最活跃的程序和数据，它利用程序运行的局部性，把局部范围的数据从内存复制到缓存中，使CPU直接高速从缓存中读取程序和数据，从而解决CPU速度和内存速度不匹配的问题——显然，从硬盘保存的数据到CPU计算，为了协调匹配速度的一致性问题，就必须使用多重方式来缓冲保（暂）存数据、命令。

除了SRAM，RAM里的另一类就是我们的主角内存了。DRAM（DynamicRandomAccessMemory，動态随机存储器）是现今最为常见的系统内存，无论是DDR还是DDR5都属于DRAM范畴。DRAM只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间“刷新”一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失，所以内存也有另一种称谓“易失性存储”。

从EDO讲起

在中国普及电脑之时，EDO内存才是主角。EDO内存全称是E x tended DateOut RAM，中文为扩展数据输出存储器，这其实是Micron公司的专利技术，而且这种内存分为72线和168线两种规格，并且带宽只有32Bit，因此必须成对使用，采用5V电压（DDR4为1.2V电压），速度为40ns（纳秒），一般容量都在4MB至16MB之间。

它的出现实际是为了配合支持16Bit（现今电脑为64Bit）的80486、Pentium CPU而生——EDO的“前辈”FPM内存速度无法跟上时代，只能让位于EDO内存。FPM全称为Fast Page Mode，它的工作方式是每3个时钟工作周期传输一次数据，效率自然是非常之低。不过也正是由于FPM的出现，人们才会有内存条这个概念，因为再此之前，内存还是依附于主板之上的（但不是集成）。

EDO内存的工作模式其实和FPM非常相似，它取消了扩展数据输出内存与传输内存2个存储周期之间的时间间隔，在把数据发送给CPU的同时去访问下一个页面，故而速度要比FPM快15%～30%。

无论是EDO还是更早的FPM内存，他们都采用SIMM（SingleIn-line Memory Modules）接口，即两侧金手指传输相同的信号，早期的内存频率与CPU外频是不同步的，属于异步DRAM设备，EDO内存本身的金属触点看起来和我们现在的内存别无二致，但是内存插槽却有差异——金属弹片一样的接插口看起来十分容易损坏。

在上世纪90年代，EDO内存的普遍装机容量维持在4MB至8MB之间，鲜有16MB的配置（服务器版内存可达256MB），对比今天动辄16GB、32GB的内存容量来说（当时的硬盘容量也不过刚刚迈入GB门槛），真是少得可怜。

EDO内存的最大问题在于运行速度，而且受限于自己的技术规格，提升速度的能力也极为有限，很快，它便被SDRAM取代了。

天价内存的开端SDRAM

内存技术一直在升级，其中一个比较重要的跨越就是从EDO到SDRAM。SDRAM（SynchronousDynamicRandomAccessMemory，同步动态随机存取存储器）也称“同步动态内存”，都是168线、带宽64bit、3.3V电压，其工作原理是将RAM与CPU以相同的时钟频率进行控制，使RAM和CPU的外频同步，彻底取消等待时间。SDRAM是在DRAM的基础上发展而来，也属于DRAM的一种，这里的同步是指内存工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据的传输都以时钟为基准;动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失;随机是指数据不是线性依次存储，而是由指定地址进行数据读写。

由于内存频率与CPU外频同步，这大幅提升了数据传输效率，再加上64bit的数据位宽与当时CPU的总线一致，只需要一根内存就能让电脑正常工作了，这降低了采购内存的成本，在此之后，除了R AMBUS内存短暂出现过需要成对安装的情况后，再无其他了。

第一代SDR SDRAM的频率是66MHz，通常大家都称之为P C 6 6内存，后来随着Intel与AMD的CPU的频率提升相继出现了PC100与PC133的SDRSDRAM，还有后续的为超频玩家所准备的PC150与PC166内存，SDR SDRAM标准工作电压3.3V，容量从16MB到512MB，相比于EDO内存的容量可谓呈几何状增长。

在SDRAM的时期还经历了历史上第一次内存天价事件——由于内存产能出现严重不足，原本只需要百余元的128MB SDRAM短时间内暴涨身价，达到了1300余元，要知道那还是在20世纪90年代末到21世纪初的时期，这个价格堪比今日显卡的天价，而且这个周期长达近一年之久，很多当年的电脑无奈都只能配备64MB的内存作为标配，一如当前i9 CPU+GT730 GPU的搭配方式。

SDRAM的存在时间也相当的长，Intel从奔腾2、奔腾3到奔腾4（Socket 478），以及Slot 1、Socket 370与Socket 478的赛扬处理器，AMD的K6与K7处理器都可以使用SDRAM内存。当1999年AMD推出K7架构，2000年Intel推出奔腾4处理器，两家处理器的前端总线都在不断攀升，最高只有133MHz的SDRAM再也无法满足带宽需求了，换代在所难免，不过问题是，继承者究竟是谁呢？

巨星的陨落RAMBUS

正如前文所述，随着技术发展，CPU对内存带宽的需求越来越大，SDRAMPC133规格可以提供1064MB/S的带宽，但是远远不能满足新的Pentium4处理器需求，内存的变革迫在眉睫。选择什么样的技术路线才合适呢？在当时，具有市场优势地位的Intel权衡利弊，选择了RAMBUSDRAM内存，简称RDRAM。

RDRAM是由Rambus公司推出的一种新型内存，它与SDRAM不同，采用了新一代高速简单内存架构，基于一种类RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机）理论，可以减少数据的复杂性，使得整个系统性能得到提高。

为何Intel会选择一个拥有专利，门槛颇高的内存规格来作为下一代内存标准呢？这是由于在当时唯频率取胜是不二法门，谁的CPU主频高谁就具有更好的性能表现。比如Intel Pentium 4采用的超标量流水线设计，其最大的特点就是频率奇高，虽然因此执行指令的周期会更长（性能不佳），但奈何唯频率致胜的Intel一门心思要保证自己的频率高于竞争对手AMD。为了配合超高频率的CPU，高频内存也必须跟上，所以RDRAM内存几乎成为了唯一的可选项。这是因为RDRAM内存以高时钟频率来简化每个时钟周期的数据量，因此内存带宽相当出色，如PC 1066 1066MHz 32bit带宽就可达到4.2G Byte/s，RDRAM也因此一度被认为是Pentium 4 CPU的绝配。

从本质上讲，RDR AM内存的设计极为超前，而且拥有广阔的发展空间，奈何两大“昏招”让它迅速归于沉寂。其一就是IntelPentium 4不争气，超标量流水线设计让它的频率攀升，但是性能却不升反降，效率非常底下。作为捆绑的RDRAM非常尴尬，有点无用武之地的感觉，而且平台仅仅限于Intel 820、840、850芯片组主板;其二是专利门槛过高，内存制造商想要制造RDRAM就必须缴纳一笔不菲的专利金（制造成本也极为昂贵），这无论是在EDO内存还是SDRAM内存时代都是不存在的事情，甚至时至今日的DDR 1～ 5内存也没有发生过，这就造成了RDRAM的价格极为昂贵;其三，限于技术，RDRAM内存也必须成对使用！甚至在主板上，如果有4条内存插槽，除了要1、3或2、4这样成对安装内存之外，空余的两个内存槽位都需要安装终结器，使用非常麻烦。

最终，Intel的Pentium 4+RDR AM内存组合被AMD的K7+DDR内存击败，Intel也迅速转头支持DDR内存，拥有先进技术特性的RDRAM就此迅速在消费级电脑平台上销声匿迹。

DR内存的崛起

在Intel为自己的Pentium 4强行推广RDRAM的同时，一众消费级I T厂商（包括内存厂商）也在寻找新的“替代品”——SDRAM受限于自身技术天花板，必须找到一个“免费（没有专利限制）”性能还不错的技术路线，于是，DDR内存诞生了。

严格意义上，DDR内存应该被称作DDR SDR AM，所谓的DDR是DoubleData Rate的缩写，全称就是双倍速率同步动态随机存储器。本质上DDR内存就是延续了SDR AM的基本技术特征，这样做的好处显而易见，第一对于内存厂商来说，无需专利金，且针对普通制造SDR AM内存的设备稍加改进就可以继续生产D DR内存，成本控制非常出色;第二也是非常重要的，DDR内存可以为新世代处理器提供足够的内存大带宽。例如DDR 266/DDR333/DDR 400所能提供的內存带宽分别是2.1GB/sec，2.7GB/sec和3.2GB/sec，虽然比不上RDRAM内存，但是对比SDRAM已经是非常出众的成绩了。

SDRAM在一个时钟周期内只传输一次数据，它是在时钟的上升期进行数据传输，DDR内存则是一个时钟周期内传输两次数据，它能够在时钟的上行和下行时各传输一次数据，因此称为双倍速率同步动态随机存储器。DDR内存可以在与SDRAM相同的总线频率下达到更高的数据传输率。 对比SDRAM，DDR内存运用了更先进的同步电路，使指定地址、数据的输送和输出主要步骤既能独立运行，又可以保持与CPU完全同步。

外觀上，DDR与SDRAM内存“长得很像”，他们具有同样的尺寸和同样的针脚距离。但DDR为184针脚，比SDRAM多出了16个针脚，主要包含了新的控制、时钟、电源和接地等信号，另外就是在电压上，DDR内存的工作电压为2.5V，比SDRAM使用的工作电压3.3V要低不少。

另外，从DDR内存开始，双通道的内存技术也被引入。普通的单通道内存系统具有一个64bit的内存控制器，而双通道内存系统则有2个64bit的内存控制器，在双通道模式下具有128bit的内存位宽，从而在理论上把内存带宽提高一倍。虽然双64bit内存体系所提供的带宽等同于一个128bit内存体系所提供的带宽，但是二者所达到效果却是不同的。双通道体系包含了两个独立的、具备互补性的智能内存控制器，理论上来说，两个内存控制器都能够在彼此间零延迟的情况下同时运作。比如说两个内存控制器，一个为A、另一个为B。当控制器B准备进行下一次存取内存的时候，控制器A就在读/写主内存，反之亦然。两个内存控制器的这种互补“天性”可以让等待时间缩减50%。双通道DDR的两个内存控制器在功能上是完全一样的，并且两个控制器的时序参数都是可以单独编程设定的。这样的灵活性可以让用户使用两条不同构造、容量、速度的DIMM内存条，此时双通道DDR简单地调整到最低的内存标准来实现128bit带宽，允许不同密度/等待时间特性的DIMM内存条可以可靠地共同运作。

凭借着不错的性能，低廉的制造成本和售价，加之没有专利门槛的种种限制，DDR迅速占领市场，最终连支持RDRAM的Intel都不得不调头转而支持DDR内存，从此，DDR内存走上了高速发展的道路。

DDR2到DDR5我们一直在进步

从DDR2开始，每次升级的不仅仅是频率，包括它同一时钟内传输的数据都在成倍增长，工作电压也在不断降低。例如DDR2为双信道两次同步动态随机存取内存，内存预读取宽度提升至4bit，是DDR的两倍，即DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行，也就是说，在同样133MHz的核心频率下，DDR的实际工作频率为133MHz×2≈266MHz，而DDR2则可以达到133MHz×4≈533MHz（最高为166MHz×4≈667MHz）。此外。DDR2采用FBGA封装方式替代了传统的TSOP方式，电气性能与散热性更佳。

到了DDR3则提升为双信道三次同步动态随机存取内存。DDR3内存预读取宽度从4bit提升至8bit，核心同频率下数据传输量更是DDR2的两倍。同时，DDR3分别拥有1066MHz、1333MHz、1600MHz三种频率。此外，DDR3的规格要求将电压控制在1.5V，较1.8V的DDR2节省约30%的功耗。

到了DDR4内存时代功耗明显降低，电压达到1.2V。频率上来看，共有2400MHz、2666MHz、3000MHz、3200MHz、3600MHz、4200MHz几种规格，这也是目前我们最为普及的内存产品。

即将来临的DDR5内存，最高内存传输速度能达到6.4Gbps，与之对比，在DDR4内存标准下最高内存传输速度只能达到3.2Gbps。此外，DDR5也改善了DIMM的工作电压，将电压从DDR4的1.2V降至1.1V，能够进一步提升内存的能效表现。

简言之，就是在同一个频率下上下行的传输能力不断拓宽，同时提升等效频率，达到增加带宽的目的。这种设计最大的优点就是迭代相对容易，设计生产的阻力也更小，普及起来没有那么麻烦。

另类杀手：傲腾内存

我们之前提过，内存和存储介质（机械硬盘或固态硬盘），无论如何也远远达不到CPU所需的带宽需求。而有这么一款产品，它兼具了内存的高速和存储介质的存储能力，非常有特点，缺点自然还是一个字：贵，这便是傲腾内存。

傲腾是英文Optane的音译词，而这个Optane则是类似一种品牌的名词，实际是指英特尔发明的3D XPoint存储技术。3DXPoint与NAND Flash完全不同，它接近于内存的性能（但是可以掉电保存，也就是非易失性存储，而不是内存的易失性存储），延迟、耐擦写性、介质速度等几个关键指标也大大优于NAND Flash。

傲腾现在分成了傲腾SSD和傲腾内存两种，分别是面向企业市场的傲腾SSD和面向主流消费市场的傲腾内存。其实，傲腾的诞生不仅是英特尔为了单纯提升磁盘/内存性能，未来的发展说不定就能将内存、硬盘二合为一，毕竟3D XPoint现在具备了接近内存的性能和磁盘的读写数据保存功能。

3D XPoint是由Intel和美光联合研发的一种全新架构非易失性存储技术，Intel宣称3D XPoint拥有远超NAND的容量和接近DRAM的性能，读写性能是NAND的1000倍以上，寿命是NAND的1000倍以上，数据密度则达到了DRAM的十倍以上。更为厉害的是3D XPoint颗粒可以做成多种形式产品，比方说内存、存储硬盘等。

目前，这个产品已经推出了4年有余，不过受到了成本因素和专利因素的限制，还没有看到普及的可能。但这终归是一个新的尝试，毕竟对于电脑而言，即便现在发展到PCIe 4.0版本的NVMe硬盘，其带宽速度也远远不能满足我们的需求，可以说依旧是电脑性能组成元素中的一个短板。如果能让一个设备拥有内存的速度，还能够进行存储，这才是电脑解决系统瓶颈的一个最好选择。