从DDR发展到DDR4，内存核心频率指标其实基本上就没太大的进步

2022-11-05 11:18:37

从2001年DDR内存面世以来发展到2019年的今天，已经走过了DDR、DDR2、DDR3、DDR4四个大的规格时代了。内存的工作频率也从DDR时代的266MHz进化到了今天的3200MHz。这个频率在操作系统里叫Speed、在内存术语里叫等效频率、或干脆直接简称频率。这个频率越高，每秒钟内存IO的吞吐量越大。但其实内存有一个最最基本的频率叫核心频率，是实际内存电路的工作时的一个振荡频率。它是内存工作的基础，很大程度上会影响内存的IO延迟。我今天想给大家揭开另外一面，这个叫核心频率的东东其实在最近的18年里，基本上就没有什么太大的进步。

内存Speed

在Linux上可以查看到你机器上内存的Speed。

dmidecode | grep -P -A16 "Memory Device"  
Memory Device  
        Array Handle: 0x0009  
        Error Information Handle: Not Provided  
        Total Width: 72 bits  
        **Data Width: 64 bits**  
        Size: 8192 MB  
        Form Factor: DIMM  
        Set: None  
        Locator: DIMM02  
        Bank Locator: BANK02  
        Type: Other  
        Type Detail: Unknown  
        **Speed: 1067 MHz**  
        Manufacturer: Micron  
        Serial Number: 65ED91DC  
        Asset Tag: Unknown  
        Part Number: 36KSF1G72PZ-1G4M1  
......

上述命令可以看出每一个插槽上内存物理设备的情况，由于结果太长我只抽取了其中一个内存的信息列了出来。对于我们开发者来说，其中有两个数据比较关键。

Speed: 1067 MHz：每秒能进行内存数据传输的速度，
Data Width: 64 bits：内存工作一次传输的数据宽度

我的机器上所有的内存条的Speed都是1067（大家别笑话，因为我的测试机器是线上过保淘汰下来的机器，所以老了一点点）。把Data Width和Speed相乘后得到的就是数据带宽了。我们把历史上各个阶段的内存的Speed和带宽汇总了一下，如下图。

内存背后的秘密-核心频率

通过Linux我们只看到了内存的一个Speed，它是数据传输的频率。这个频率又叫Data Speed，或等效频率。各个商家在内存的销售页面上也把这个频率标在特别明显的位置，提醒消费者他家的内存有多快多快。但其实从内存条的技术参数上来讲，有个最为重要的频率，是核心频率，它是内存电路的震荡频率，是内存一切工作的基石。

我们来看一下各代内存的更全面详细的数据。

我汇总了从SDR时代，一直到目前主流的DDR4的内存的频率表对比。大家可以看到核心频率已经多年没有实质性进步了，这是受物理材料的极限限制，内存的核心频率一直在133MHz~200MHz之间徘徊。。我们所看到的内存Speed是在这个核心频率的基础上，通过各种技术手段放大出来的。之所以我们感觉内存在越来越快，就是放大技术手段在不断进步而已。

SDR时代：在最古老的SDR（Single Data Rate SDRAM）年代里，一个时钟脉冲只能在脉冲上沿时传输数据，所以也叫单倍数据传输率内存。这个时期内存的提升方法就是提升内存电路的核心频率。
DDR时代：但是内存制造商们发现核心频率到了200MHz再提升的话，难度就很大了。所以在电路时钟周期内预取2bit，输出的时候就在上升期和下降期各传输一次数据。所以核心频率不变的情况下，Speed（等效频率）就翻倍了。
DDR2时代：同样是在上下沿各传一次数据，但将Prefech提升为4，每个电路周期一次读取4bit。所以DDR2的Speed（等效频率）就达到了核心频率的4倍。
DDR3时代：同样也是上下沿各传一次数据，进一步将Prefect提升为8。所以DDR3的等效频率可以达到核心频率的8倍。
DDR4时代：这时预取的提升已经非常困难，所以和DDR3一样，Prefech仍然为8。内存制造商们又另辟蹊径，提出了Bank Group设计。允许各个Bank Group具备独立启动操作读、写等动作特性。所以等效频率可以提升到核心频率的16倍。

内存还有个概念叫IO频率、也叫时钟频率。简单理解为将DDR内存的Speed频率除以2，就是内存的IO频率。这个必须和CPU的外频相匹配才能工作。例如对于DDR3来说，假如核心频率133Mhz的内存工作频率下，匹配533MHz的CPU外频,其IO频率就是533Mhz。数据传输因为上下沿都可以传，所以是核心频率的8倍，也就是1066MHz。

我曾试图在Linux下找到能查看核心频率和IO频率的命令，但是没有找到，在售的各种内存条似乎也很少会提及它。但我们是IT从业人员，非普通用户。因此我觉得大家有必要来了解这个原理。（事实上，这两个频率会影响后面讨论的内存的延迟参数，而延迟参数又决定了内存的真正性能）

汇总一句话，内存真正的工作频率是核心频率，时钟频率和数据频率都是在核心频率的基础上，通过技术手段放大出来的。内存越新，放大的倍数越多。但其实这些放大手段都有一些局限性。比如你的内存数据存储并不连续，这时候DDR2、DDR3的数据预取对你帮助并不大。再比如你的进程数据都存在一个Bank Group里，你的进程内存IO就根本不会达到DDR4厂家宣传的速度。

扩展知识：内存延迟

除了频率以外，内存还有几个比较重要的参数，但是同样在Linux里没有找到查看的命令。内存的销售页面想找到这几个参数也不是特别容易。

所有的内存条都有CL-tRCD-tRP-tRAS四个参数。其中最重要的是CL-tRCD-tRP这三个参数，只要你费点劲，所有的在售内存你都能找到这3个值。例如经典的DDR3-1066、DDR3-1333及DDR3-1600的CL值分别为7-7-7、8-8-8及9-9-9。现在京东上一条比较流行的台式机内存金士顿(Kingston)DDR4 2400 8G，其时序是17-17-17。

第四个参数有时候会被省略。原因有二，第一：现在的开发者不需要直接和内存打交道，而操作系统呢又做的比较内存友好，很少会有这个开销真正发生。第二，这个开销的值要比其它的值大很多，实在不太好看。商家为了内存能多卖一些，干脆就避而不谈了。

好了，问题来了。为什么内存越进步，延迟周期反而会变大了呢？
这就是因为延迟周期使用延迟时间除以内存时钟周期(Speed/2)算出来的。这其实不算太科学，最直接的办法应该是用延迟时间来评估。延迟时间很大程度上是受内存的核心频率的制约的。而这些年核心频率又基本上没有进步，所以延迟时间也不会有实质的降低。假定延迟时间不变，而时钟周期翻倍了，这样延迟周期看起来就是新的内存更大。

今天就带大家了解到这里，后面我会用实验来让你理解你的内存的实际延时。

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内存背后的秘密-核心频率

扩展知识：内存延迟

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