内存频率高但是时序高（超能课堂一路走来）

作为现代计算机的基础，冯·诺依曼体系结构的计算机主要由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成，其中存储器在现代计算机里面指的就是内存和硬盘。

内存的主要作用就是处理器与外部之间进行通讯的时候，作为一个临时放置数据的缓冲区使用。早期的计算机并没有内存，是随着CPU的性能提高而产生，然后不断发展的。特别是21世纪以来，内存的频率得到了极大的提升，带宽的增加使得内存性能大幅度提高，这个幅度是惊人的。

平时我们常说的DDR4-4266隐含的意思是内存频率达到了4266MHz，要知道十年前，市场上主流的内存产品也就DDR3-1333，从表面上看，市场上售卖的内存频率的提升都三倍有余了，比这段时间的CPU频率提升还夸张。

事实上真的如此吗？下面会向大家介绍内存频率的发展变化，到底是怎么做到的。

SDR SDRAM：66MHz-133MHz

在此之前的上古时代太久远，技术上的差别可以把这部分略过，所以从插座变成DIMM的SDR SDRAM开始。如果对内存以往的历史感兴趣，可以通过我们以前的《超能课堂：从KB到GB，内存条所经过的7个历程》去了解。

SDR SDRAM（Single Data Rate SDRAM）就是一般所说的同步动态随机存取内存，使用插座是DIMM（Dual In-line Memory Module），其插座的接口为168Pin，金手指单边84Pin。内存的长和高分别是133.35mm和30.48mm，电压3.3V。内存的频率和CPU外频同步，64bit的位宽也和当时CPU的总线一致，使用单内存电脑就可以正常工作了。

最早的SDR SDRAM内存规格是PC66，顾名思义频率就是66MHz。随后提高到100MHz（俗称PC100），最后市场主流定格在133MHz（JEDEC文档里的PC133规范）。和PC66/PC100不同，PC133规范最初并不是由英特尔主导制定的，是威盛（VIA）联合三星、现代、日立、西门子、Micron、LG和NEC等公司提出的，这涉及到业界各厂商和英特尔（计划全力推广RDRAM内存接任）之间的一场利益之争，这场世纪之交的大战堪称十八路诸侯讨董卓。

1999-2000年凭借PC133规范，威盛分别在英特尔和AMD平台推出了Apollo Pro 133(693A)/Apollo Pro 133(694X)和KX133/KT133(A)芯片组，占据了芯片组市场的半壁江山。后来市场上曾出现标称PC150（150MHz）的内存，这是非标准规范，主要提供给超频爱好者使用。Kingmax后期采用了BGA封装生产的PC133/PC150 SDRAM内存（很多厂商到DDR2才使用BGA封装）在外观上已经很现代了，毕竟是20年前的产品，特别是对比前任EDO内存。

PC133也只是权宜之计，CPU对内存的性能需求已经到达一个瓶颈，虽然末期有厂商推出了称为PC166的高频率内存，但SDRAM已是强弩之末，再怎么折腾也提升有限，使用更快更强的新内存去满足新一代CPU是必然的。

如果说SDR SDRAM是现代内存的鼻祖，那么PC100规格的SDRAM内存就是日后内存发展的起点。

Rambus DRAM：600MHz-1066MHz

RDRAM的全称是Rambus DynamicRandom Access Memory，是由Rambus主导研发的内存规格，采用184Pin的RIMM插槽，电压2.5V。在参与制订完PC100 SDRAM后，如日中天的英特尔非常自信地认定RDRAM在技术上遥遥领先，钦定RDRAM成为其平台下一代内存的标准，并在1999年9月开始在Pentium III平台推出相关的芯片组，最高支持PC800 RDRAM内存。

Rambus和JEDEC之间关系并不好，同时授权费高昂，加上英特尔的强势，让夹在中间的厂商相当煎熬，有的甚至放弃不去做RDRAM。事实上RDRAM内存真的是太贵了，完全不是普通用户可以承受的。更无语的是，如果RDRAM内存数量不能插满主板的内存插槽，还要额外购买特殊空白卡插上去填满，电脑才能正常工作。这又多了一笔额外的花销，而且很麻烦。

从技术规格来说，RDRAM确实比当时市场上主流的PC-100 SDRAM内存领先很多，其特点就是频率非常高，所以带宽优势明显。虽然位宽只有16bit，低于SDR SDRAM的64bit，但是引入RISC思路设计的特殊架构，使得内存频率可以达到惊人的400MHz（高频率导致发热量大不得不穿马甲），同时数据一周期内两次传输，也就是说等效频率800MHz，后来还提高到PC1066 RDRAM（i850E芯片组支持），频率方面是市场上一般PC100/PC133 SDRAM内存难以企及的高度。

而且使用RDRAM内存的芯片组已开始支持双通道了（例如i840/i850芯片组），双通道PC800/PC1066 RDRAM的带宽分别达到3.2GB/s和4.2GB/s，相比起来PC100/PC133 SDRAM的带宽分别只有800MB/s和1.06GB/s，性能优势更大了。

结果大家都知道，最后RDRAM退出了PC市场。因为没等多久，性能上可以与它竞争，但价格不及一半的对手出场了。不过东边不亮西边亮，Rambus在游戏机市场找到了属于自己的天地，任天堂N64，索尼PlayStation 2和PlayStation 3（使用新一代XDR内存标准）上，都看到它的身影。

DDR SDRAM:200MHz-400MHz

PC133 SDRAM已经不能满足性能需求，RDRAM太贵不能用，不过很快，简单有效的解决办法找到了。

DDR SDRAM内存全称Dual Date Rate SDRAM，就是双倍速率的SDRAM，从名字就看出是SDR SDRAM的升级版了。它采用184Pin的DIMM插槽，电压2.5V。DDR SDRAM与原来的SDRAM最大的不同，在于一个时钟周期的上升沿与下降沿各传输一次信号，直接粗暴地把数据传输速度翻倍，而且还不会增加功耗。定址与控制信号方面与SDR SDRAM相同，仅在上升沿传输。这是为了兼顾当时内存控制器的兼容性与性能，方便厂商简单升级设备后就能进行生产。

虽然DDR SDRAM的制定工作在更早之前已经开展，但英特尔在RDRAM问题上的执着让业内的其他厂商站在一起，大大加快了相关工作推进的速度。

最早的DDR内存频率是200MHz的DDR-200（市场上基本没见过），接着是DDR-266、DDR-333，最后停在DDR-400，JEDEC的文档里名称是PC1600/PC2100/PC2700/PC3200。

2000年7月ALI（杨智）率先推出支持DDR内存的芯片组，英特尔平台的Aladdin Pro 5，AMD桌面平台的ALiMAGiK 1以及移动平台的MobileMAGiK 1。真正开始得到普及是大概一年后，各大芯片组厂商普遍已推出支持DDR-266内存的芯片组，相关主板推上了货架。

到了DDR-400时期，支持双通道DDR内存的芯片组出现了。2002年7月，英伟达针对AMD平台发布的nForce 2是最先支持双通道DDR-400内存的芯片组，从此英伟达在AMD平台的芯片组市场占据主导地位，维持了很长一段时间。2003年4月，i865PE/G/i875芯片组随支持800MHz FSB和超线程的Northwood核心Pentium 4发布，英特尔平台也支持双通道DDR-400内存了。这标志着双通道地位的确立，往后无论内存如何升级换代，支持双通道始终是主流市场处理器和芯片组规格上的标配。

从PC133 SDRAM到双通道DDR-400，这个过程前后大概也就2年左右的时间，主流电脑的内存带宽一下子翻了6倍，内存性能的跃升速度堪称光速。这是之前不可想象的，提高幅度比以后任何一代内存更迭得到的提升都要夸张。

自从DDR SDRAM内存推出后，原来SDRAM与RDRAM之间的鸿沟一下子缩窄了。RDRAM价格高昂，适用性差，在DDR内存频率迅速提升后，最终性能优势也没有了。至此，未来电脑内存的发展走向已经确定，就是沿着DDR SDRAM内存路线迭代升级。

DDR2 SDRAM：400MHz-800MHz

在完全确立DDR SDRAM内存的市场地位后，后续的内存实际上都是DDR内存的衍生品。由于单纯提高DDR内存在频率已经很难了，所以DDR2 SDRAM要寻找新的方法实现性能提升。

这种途径就是将DDR SDRAM内存在时钟周期内预读取由2bit变成了4bit，DDR2 SDRAM非常有效地让数据传输速度又一次翻倍。此外采用了240Pin的DIMM插槽，电压1.8V，还融入了CAS、OCD、ODT技术规范和中断指令让运行效率更高。以前SDR SDRAM/DDR SDRAM内存不少仍然采用TSOP封装，而DDR2 SDRAM都变成了BGA封装，从外观上看，DDR2 SDRAM就已经有比较大的区别了。

DDR2 SDRAM从DDR2-400（400MHz）开始，依次往上是DDR2-533、DDR2-667，最高至DDR2-800（频率赶上1999年的RDRAM了），JEDEC的文档里名称是PC2-3200/PC2-4200/PC2-5300/PC2-6400。

DDR2-1066有点特别，相关厂商之间达成了一定标准协议（三星甚至在自己的DDR2-1066内存上标示PC2-8500字样），但并非JEDEC组织制定的标准规范，不过市场上数量并不少（主要是AMD平台的支持）。虽然DDR2使用时间长范围广，但大部分时间都是和DDR或DDR3在市场上并存。

最早支持DDR2内存的是2004年6月英特尔发布的i915/i925芯片组，不过这两款芯片组评价不怎么样。而AMD由于K8架构是把内存控制器整合在处理器内部，所以直到2006年6月更换到AM2平台才开始支持DDR2内存。

DDR3 SDRAM：800MHz-2133MHz

DDR3 SDRAM推出的时间非常早，英特尔在2007年的5月份就发布了支持DDR3内存的P35芯片组（AMD刚转向使用DDR2内存没多久），这时候JEDEC甚至还没正式完成规范的制定工作。另一方面彻底普及花了好几年的时间，AMD直到2009年2月更迭到AM3平台才提供支持。

和上一代的DDR2 SDRAM相比，提升的途径也很直接，把预读取从4bit变成了8bit，再一次以同样方式让数据传输速度实现了翻倍，同时加入了CWD、Reset、ZQ、STR、RASR等技术。插槽仍然是240Pin的DIMM，不过防呆缺口位置改变了，电压降低到1.5V。无论DDR2 SDRAM还是DDR3 SDRAM，都是采取了相对保守、稳定的技术路线来提高内存性能。

DDR3 SDRAM初代产品是DDR3-800（800MHz），接着是DDR3-1066、DDR3-1333、DDR3-1600、DDR3-1866，最高到DDR3-2133（几乎三倍于初代DDR3内存频率），JEDEC的文档里名称是PC3-6400/PC3-8500/PC3-10600/PC3-12800/PC3-14900/PC3-17000。

在DDR3内存推向市场后，由于对比DDR2在性能上没有优势，但价格更高，处理器对内存性能的需求也没那么迫切（AMD甚至迟迟不支持），DDR2和DDR3内存共存了比较长的一段时间，厂商同一款芯片组分别有对应DDR2和DDR3版本也是常有的事（几乎除了内存插槽什么都一样）。直到DDR3-1333开始，频率提升让性能优势逐渐体现，同时价格也下来了，才真正成为市场的主流。

另外DDR3内存非常长寿，在市场上占据了有十年左右的时间，到第6代酷睿处理器发布的时候，仍然有厂商推出支持新CPU及DDR3内存的主板（OEM厂商这样搭配使用的并不少）。近两年，依然能看到有零星采用新芯片组支持8代/9代酷睿的主板也使用DDR3内存，但这些主板只不过是小众产品，已经不是市场主流了。

DDR4 SDRAM：1600MHz-3200MHz

同样在第6代酷睿的时候，DDR4内存推向了主流市场。事实上DDR4内存在前一年，也就是2014年8月X99芯片组发布的时候已经提供支持了。

在前面的介绍里可以看到，从DDR到DDR3，每次内存更新换代都会从预读取的位数翻倍方式实现频率提升，三者预读取的位数分别是2bit、4bit和8bit。不过DDR4在预读取位数上和DDR3内存一样是8bit，因为想翻倍到16bit在当时来说难度太大了，所以这次要换一种方式实现这个目标。

源于GDDR5的Bank Group（BG）设计就应运而生了，4个Bank作为一个BG，可自由使用2-4组BG，各个BG具备独立启动操作读、写等动作特性，让内存控制器和BG组之间实现交错操作，加上其他技术手段的加入，可以让等效频率可以提升到核心频率的16倍。简单来说，就是换了一种方式实现类似预读取位数翻倍的效果。另外DDR4 SDRAM的DIMM插槽提高到了288Pin，电压降低到1.2V，而且金手指并不是完全平直的，会有轻微曲线。

DDR4 SDRAM从DDR4-1600（1600MHz）起步，分别有DDR4-1866、DDR4-2133、DDR4-2400、DDR4-2666，最高到DDR4-3200，JEDEC的文档里名称是PC4-1600/PC4-1866/PC4-2133/PC4-2400/PC4-2666/PC4-3200。

事实上DDR4内存起步频率有点低，市场上真正见到的一般是从DDR4-2133开始。随着第7代酷睿以及Ryzen系列处理器的发布，DDR4内存彻底占领了内存市场，一直到现在。目前市面上有很多DDR4-3600、DDR4-3733、DDR4-4266的高频率内存，和所有的前一代产品一样，这些都是非标准规范，为发烧友们准备的。

DDR5 SDRAM：4800MHz-6400MHz

现阶段想更深入解析DDR5 SDRAM有点为时尚早，JEDEC在2020年7月才正式公布DDR5内存规范，实际产品还没推向市场。不过和以往每次迭代时候频率有重叠的情况有些不同，这次DDR5 SDRAM直接从4800MHz开始，最高到6400MHz。至于提高的秘诀，也是老套路了，再次从预读取下手，由8bit提高到16bit，当然也有其他方面技术的引入，具体可以看我们今年《超能课堂：DDR5内存是怎么做到频率翻倍的？》的介绍。

总结：技术与制造工艺进步的体现

从SDRAM到DDR5，选取了PC133 SDRAM、PC1066 RDRAM、DDR-400、DDR2-800、DDR3-2133、DDR4-3200、DDR5-4800做了个图表对比，能直观感受到内存频率的变化情况，在SDRAM到DDR4都选择了各自类型内存在JEDEC规范里的最高规格，RDRAM选择的是PC时期的最高规格。目前DDR5的核心频率未知，DDR5-4800可能是150MHz。

可以看到，从PC133 SDRAM到DDR5-4800，在过去20年的时间里，电脑内存的频率在不知不觉中提高了36倍有余。事实上PC133 SDRAM和DDR5-4800之间的频率差距不是真的有36倍那么多，准确来说那只是内存的等效频率。多年来，受制于物理材料的极限限制，核心频率提升幅度非常少，可以说是变化不大。当然，RDRAM这种特殊的串联结构有着天生的优势，核心频率可以达到超乎寻常高频的除外。

从表格中可以看出，JEDEC制定的内存规范标准里，核心频率一般都不超过200MHz，除了DDR3达到了266MHz（DDR5目前估计在150MHz-200MHz之间）。内存等效频率的提高是各种技术手段叠加的结果，这也是技术和制造工艺进步的体现，所以表格里从最早的PC66 SDRAM到最新的DDR5-6400，频率相差了近百倍。但这些放大的手段都存在各种的局限性，例如内存数据存储并不连续，那么一些预读取的方式就不会有什么帮助，也就达不到等效频率的速度了。

这就是内存一路走来，其频率变化的历程。

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