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【PConline 应用】有些东西，玩显卡的你每天都接触到它，但一旦它失灵了、故障了、落伍了，你才知道它的重要性，就如你身边的钥匙、牙膏、剃须刀等。而它就是显卡中的显存了，显存是基于内存技术的”舶来品“，虽然不如GPU那样那么耀眼，但是它决定着显卡数据的吞吐量以及分辨率上限。它也与GPU一样不断发展着，只是显得十分低调而已。
最近，东芝、闪迪同时宣布了世界上最先进的15nm NAND闪存工艺，明显显存是其中的受益人，那么NAND工艺对显存有何种影响呢？下面一起来分析与回顾下。 无NAND不存储
NAND闪存，其流行程度已经远远超越了机械硬盘这个存储介质。无论是内存（包括显存）还是外存（固态硬盘、U盘、手机内部存储ROM、RAM等），都能看到NAND闪存的影子。 为什么NAND会这么流行？这与它天生的低功耗低发热、无机械结构、高速运行速度有关。只是一直以来，容量这个突破口还是无法与机械介质竞争。直到现在，以SSD为首的NAND闪存存储依然在提升容量以及降低成本的道路上努力。
那么，怎样才能做到这一点呢？那就是工艺问题了。本文一开始提到，东芝、闪迪开始15nm NAND闪存工艺的进程。根据东芝的说法吗，15nm工艺除了缩小芯片尺寸之外，还改进了外围电路技术，能够获得和第二代19nm工艺相同的写入速度，同时借助新的高速接口，数据传输率提高了30％，达到533Mbps。 本来SSD等NAND介质的速度就甩了硬盘一条街了，如今进步更加明显，是不是很吸引人？不过，东芝并没有提容量，有点可惜。
即便如此，显存依然是其中的受益者，毕竟目前单卡最大8GB容量面向1080p乃至4k分辨率已经绰绰有余，其木桶效应更多在GPU上而不是显存容量上，而更快的显存频率保证更高的带宽，从而带来更快的传输效率，对显卡性能自然大有裨益。或许这一代内存伴随DDR4技术以GDDR6命名？ 相比GPU发展史，相信大家对显存发展还是不太熟悉，下面，我们从GDDR代次的发展，来简单回顾下显存工艺。 另起炉灶：GDDR 在世纪之交的SDRAM时代，显存与内存均采用同样的SDR技术。但是在DDR取代SDR的过程中，DDR显存与DDR内存却分家了。 这是因为GPU与显存的数据交换更加频繁（从通用运算的差距就知道了），加上GPU本身没有动辄三级缓存设置，所以要求显存更高带宽，高带宽自然需要高位宽的支持，所以照搬DDR的规格是不可能的。加上显卡PCB对显存的供电、布局、优化自由度很高，而内存就不是了，受到自身PCB、主板走线、北桥CPU得诸多因素的限制很难冲击高频率。 GDDR作为第一代专用的显存芯片，其实在技术方面与DDR没有任何区别，同样采用了2bit预取技术，理论频率GDDR并不比DDR高多少。不过后期改进工艺的GDDR有了优秀PCB的显卡支持之后，GDDR显存最高冲刺至900MHz，而DDR内存只能达到600MHz左右，显存和内存的差距从此逐渐拉开。
那个时候，主流GDDR显存颗粒是长方形的，那就是经典的TSOP封装显存，只是它很快被MBGA淘汰了，并且延续到今天，因为占用空间实在比后者大多了。 拨乱反正：GDDR2
GDDR2源于DDR2技术，也就是采用了4Bit预取，相比DDR1代可以将频率翻倍。虽然技术原理相同，但GDDR2要比DDR2早了将近两年时间，首次支持DDR2内存的915P主板于2004年中发布，而首次搭载GDDR2显存的Geforce FX5800 Ultra于2002年底发布。
由于NV30在设计芯片时候只考虑到128bit的规格，而ATI的9700Pro的256bit位宽给了NVIDIA当头一棒，为了保持性能上的领先。NVIDIA不得不使用了当时还未成熟的GDDR2显存，成为了历史上首张突破1GHz显存频率的显卡，但是，这个记录是不光彩的。
2.5v高电压、高发热、高功耗使得我们第一次看到显卡采用了纯铜散热器，加上技术不成熟带来的高成本给人的印象非常差。很快FX5800 Ultra不可避免地成为了流星，而它继承人FX5900 Ultra重新用回GDDR显存，更进一步印证了GDDR2在那个时代的失败。 由于GDDR2的失败（ATI的9800Pro DDR2版本胎死腹中就是作死的例子），高端显卡的显存是直接从GDDR跳到GDDR3的，Geforce 6800 Ultra就是GDDR3的第一次。
但GDDR2并未消亡，而是开始转型。DRAM厂商开始有针对性地对GDDR2的规格和特性做了更改，包括降低电压、进步的工艺、单颗32bit位宽降低至16bit以及更简单的封装方式，于是由此gDDR2第二版正式登上显卡舞台。
明显看到，gDDR2第二版的规格有所缩水了，所以也侧面看出GDDR2的失败。由于电压的下降，于是频率上限被限制了，延迟也增加了。主要以2.5ns(800MHz)和2.2ns(900MHz)的规格为主。后期制造工艺进步，gDDR2才以1.8V电压突破了1000MHz，最高可达1200MHz。只是，那时候已经是GDDR3的天下了。于是当年采用这类gDDR2显存的只是低端主流的显卡。 集大成者：GDDR3 不甘心在Geforce FX时代失败的NVIDIA在NV30刚发布时候就已经启动了NV40的研发工作，针对显存的诟病，NVIDIA很早就参与指定了新的显存标准，把它完全从DDR的理论框框中脱离出来，实现独立的结构、I/O接口，让频率实现井喷式的提升，第一款面世的GDDR3显存的频率：1100MHz。 作为第一款针对GPU设计的显存，GDDR3和GDDR2/DDR2一样，都是4Bit预取架构，GDDR3主要针对GDDR2高功耗高发热的缺点进行改进，并提升传输效率来缓解高延迟的负面影响。可见，GDDR3更多的考虑频率的提升以达到提升显卡性能的目的。
为了实现更高的频率，GDDR3拥有读与写两条独立的DQS（数据选择脉冲），GDDR2只有一条单向的，好处在于在读取之后如果马上进行写入时不必等待，由此实现读写操作的快速切换。此外，GDDR3还对对I/O控制电路和终结电阻进行了修改，优化供电方式，让频率的提升更加容易。 GDDR3的封装也经历了两次发展，首先是刚发布时的GDDR3，采用了144Ball MBGA封装，这与GDDR和GDDR2第一版完全相同，外观也是正方形，三者的电气性能相似，支持GDDR3的GPU也可使用GDDR显存，PCB和电路只需做少量调整。很明显，这是方便显卡厂商”偷懒“，这样就可以在同一个PCB发布不同定位的显卡了。
2005年开始，GDDR3开始采用全新的136Ball FBGA封装，并统一使用无铅封装工艺，这又是另外一个跃进。32M×32Bit成为主流显存颗粒规格、新封装带来更低电压以降低发热，低发热为频率提升创造了条件。
GDDR3的频率从1GHz发展到今天的主流2GHz，跨越了1GHz的发展，对比以前是十分夸张的。其实它没有原理上的改进，而是暴力提升频率以延续市场价值。从Geforce 6800 Ultra开始到今天的R200系列低端显卡，10年的发展让GDDR3注定成为了历史不可磨灭的一部分。 注定失败：GDDR4 有意思的是，DDR显存的发展经历着成功——失败的循环，也就是说凡是双数代数的都不是好意头，GDDR4就是一个例子。
其实，GDDR4有成为经典的潜力的。GDDR3采用了DDR2的4bit预取技术，而GDDR4改用DDR3内存的8bit预取技术，并加入了一些新的技术来提升频率。所以，等效频率上，GDDR4是比GDDR3高一倍的。 但是理想是丰满的，现实是骨感的。由于采用了8bit预取技术，以较低的核心频率达到更高带宽，但延迟增加（因为地址线只有GDDR3的一半，多余线用于电源和接地，有利于提升频率，但导致延迟增加）。虽然核心频率通过8bit预取技术减半，但GDDR4与GDDR3的I/O频率是完全相同的，因此GDDR4频率提升的瓶颈在于I/O频率而不是核心频率。所以造成了高频低能的现象。加上当时的三星不给力，当时出厂频率仅有2GHz的水平，这与GDDR3想持平了，结果可想而知。 更致命的是，GDDR4不受NVIDIA接见，没有地基级别的GPU支持，这是致命的。这是因为，当时GDDR4在标准制定过程中AMD与NVIDIA产生了较大的分歧。NVIDIA较为保守，认为应该保持DDR24bit预取技术不变，继续改进I/O控制器来提升频率；而ATI则比较激进，准备直接使用DDR3 8bit预取技术。
双方争执的结果就是在JEDEC组织中德高望重的ATI获胜（据称ATI有位高层在JEDEC身居要职），而NVIDIA则明确表示不支持GDDR4。因此GDDR4其实就是ATI一手策划的，但得不到NVIDIA支持的话，GDDR4立马就失去了6成以上的市场，由此导致DRAM厂不敢贸然投产。 最终只有三星一家生产了少量的GDDR4显存，其他家都在观望。当然其他DRAM厂商都没闲着，它们把精力都投在了深挖GDDR3的潜力当中，于是我们看到了GDDR3的频率节节攀升，GDDR4在没有成本优势的情况下，也没有频率优势，恰好当时的几代A卡更没有性能优势，GDDR4自然只有死路一条。
最终，GDDR4只有在ATI产品中出现：仅有X1950XTX、HD2900XT和HD3870三代ATI高端显卡中见到GDDR4。如果你是一个硬件收藏家，那么GDDR4在现在的价值只限收藏了。 胜者为王：GDDR5 有了GDDR4的教训，GDDR5的成功就显得很自然了。这是因为，GDDR4的最大技术问题就在于I/O控制器上，其频率成为了瓶颈，突破性的8bit预取技术也成为了徒劳。GDDR5的出现就是用来解决这一瓶颈。 和GDDR4一样，GDDR5采用了DDR3的8bit预取技术，核心频率显然不是瓶颈，如何提升I/O频率才是当务之急。但GDDR5并没有让I/O频率翻倍，而是使用了两条并行的DQ总线，从而实现双倍的接口带宽。 双DQ总线的结果就是，GDDR5的针脚数从GDDR3/4的136Ball大幅增至170Ball，相应的GPU显存控制器也需要重新设计。GDDR5显存拥有多达16个物理Bank，这些Bank被分为四组，双DQ总线交叉控制四组Bank，达到了实时读写操作。 这样一来，以往GDDR1/2/3/4和DDR1/2/3的数据总线都是DDR技术(通过差分时钟在上升沿和下降沿各传输一次数据)，官方标称的频率X2就是数据传输率，也就是通常我们所说的等效频率。而GDDR5则不同，它有两条数据总线，相当于Rambus的QDR技术，所以官方标称频率X4才是数据传输率。比如GTX750的显存频率是1254MHz，等效频率为5012MHz。即使只算理论频率1254MHz，比起GDDR3的理论频率500MHz起步已经有了很大的进步，这也得益于工艺与封装的进步。
AMD（当时已经开始叫AMD而不是ATI了）依然是新规格显存的忠实拥趸，HD4870就是历史上第一款采用GDDR5显存的显卡，虽然舍弃了夸张的GDDR4 512bit环形位宽，但是凭借GDDR5翻倍的数据传输率，HD4870以256Bit GGDR5将448Bit的 GDDR3的GTX260挑落马下，迫使NVIDIA当时引发了轰动一时的GTX260降价潮，明显地GDDR5就是始作俑者。有意思的是，NVIDIA的不作为，同时压在该品牌的第一款GDDR5显卡为GT240而非顶级卡这个例子中得到体现。 总结： 通过NAND新工艺的推进，我们回忆起与之相关的GDDR显存技术的发展。从中我们可以得出一些思考，就是GDDR显存的发展依然受到GPU厂商意志的制约，反而市场的主导作用不算明显。从GDDR2时代的NVIDIA到GDDR4、5的AMD，他们都是更新换代的推动者。
估计这个趋势还得继续下去，因为下一代显卡中，我们终于可以看到另一番显存底层技术的革新了，那就是”3D显存“——HBM堆栈式显存的上位。根据某官方说法，该内存相比GDDR5，总体性能可以提高65%，而功耗则会下降40%。事实上，AMD已经在与Hynix等厂商联合开发HBM堆栈式内存了。15nm显存会带来一个革命？让我们一起期待吧！ |
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2014-05-22 00:15
出处：PConline原创
责任编辑：chenzhangwu
