硬件科普 | DIMM 内存是什么?和 DDR 有何关系?

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在购买内存的时候,一般在商品长长的名字里都能看到一个关键词 DIMM,但是更常见的内存描述一般只有 DDR 和内存频率 xxxMHz,那么 DIMM 究竟是什么呢?

计算机刚诞生的时候,内存并没有模块化,而是直接集成在主板上,但是这种方式不灵活,也不方便,逐渐被模块化的内存所取代,最初的模块化内存是 DIP 形式封装的。

DIP

DIP(Dual In-line Package,插座式双列直插封装)内存,比如早期的 8088、XT、AT 电脑就是使用了下面这种长得和蜈蚣似的模块化内存。

DIP 内存

▲ DIP 内存

这种设计的内存存在两个问题:

到了 80286 时代,伴随着软硬件需求的上升,内存的需求也越来越高,DIPs 内存的容量太小了,因此容量相对大很多的 SIMM 内存逐渐取代了 DIP 内存,并且内存从“趴在主板上”变成了“站在主板上”,相对于主板面积来说更加节约了。

SIMM

SIMM(Single In-line Memory Module,单列直插式内存模块),顾名思义,相比于 DIP 内存模块化程度更进一步,体积和外观都相比优化了不少。

SIMM 内存

▲ SIMM 内存

在二十世纪八十年代初开始(到90年代末),这种内存就已经在计算机中使用。相对于现在动辄几 GB 的容量,那时候几 MB 都是大内存了。

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32针 SIMM 内存(8bit)一般有 256KB ~ 4MB,由于 CPU 是 16bit 的,所以还必须成对使用,如果是 32bit 处理器,更要插 4 根。

而72针 SIMM 内存(32bit)一般有 4 ~ 64MB,可以在 386DX、486DX、奔腾586 上使用。此外还有 GVP 和苹果的一些64针专用 SIMM 内存。

但 SIMM 设计也不是很完美,也有它的问题,比如它两面的金手指是其实互通的(迷惑行为?),利用率不高,也就有了后来的设计更完善的 DIMM 内存。

DIMM

DIMM(Dual In-line Memory Modules,双列直插式存储模块),外观和 SIMM 差不多,只是从单变成了双。

DIMM 内存

▲ DIMM 内存

是的,它变长了,数据位宽也从 32bit 升级到了 64bit,引脚也增加到了 168 针,分布在两面,与 SIMM 内存不同的是,它两面的针脚各自独立,数据传输能力更强了,电压也从 5V 降到了 3.3V,提供了 32MB~1GB 的大容量。

SDR-SDRAM

是不是以为从此内存进入了 DIMM 时代?不,进入的是 SDR SDRAM 时代。

SDR-SDRAM(Single DataRate Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机访问存储器)内存,简单说特征就是“同步”。

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▲ SDR-SDRAM 内存

在此之前的内存和 CPU 的外频都是运行在不同频率,也就是“异步” DRAM,而 SDRAM 有一个同步接口,加入了管线(Pipeline)机制,相当于:

原本每个红绿灯路口只能停一辆车,这辆车开过了才能让下一辆车进来,而现在,加长了路口,就算遇到红灯,依然能进来好几辆车,一旦变绿灯,所有车一起开走。而这个等红绿灯的时间,就叫做 Latency(延迟),在超频内存的时候,经常看到(此前的内存延迟是固定的)。

变种 SO-DIMM

笔记本电脑出现后,内存也要考虑体积和功耗,用普通PC的全尺寸内存不太行,于是开发出了 SO-DIMM 笔记本内存就连针脚数都变得更少。

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▲ SO-DIMM 内存

变种 FB-DIMM

普通内存采用 Stub-bus (短线连接拓扑结构)和北桥芯片控制器之间,都是通过 64bit 并行总线交换数据的,所以可能受到相邻线路的干扰,因此开发了 FB-DIMM(Fully Buffered DIMM,全缓冲双列直插式存储模块),增加了一颗用于数据中转、读写控制的控制芯片,从“并行”走向“串行”传输,增加了稳定性、速度、容量密度,主要还是给服务器用的。

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▲ FB-DIMM 内存 vs DIMM 内存

变种 R-DIMM U-DIMM LR-DIMM

这三种放在一起说,服务器内存主要分为三种:R-DIMMU-DIMMLR-DIMM,分别对应带寄存器(Register)版本、不带寄存器版本、以及将 REG 芯片换成 iMB(isolation Memory Buffer,内存隔离缓冲芯片),可以进一步降低内存总线负载,提升内存支持容量。

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▲ 两条 8GB DDR4-2133MHz ECC 1.2v R-DIMM

从上图可以看到,RDIMMs 板卡中间有一个更长的芯片,就是对应的“寄存器”芯片,这种内存对处理器的内存控制器施加的负载更低,因此可以实现更大的容量和频率。

需要注意的是:REG 寄存器并不是 ECC,是两种完全不同的技术,但是这两种技术一般在服务器内存上会同时出现,同时也存在非寄存器的 ECC 内存,一般用于工作站等场景。

变种 RDRAM

RDRAM(Rambus DRAM)是 Rambus 设计的一种同步 DRAM,在英特尔 Pentium 4 (478,intel i850)时代,支持这种加入了 RISC 精简指令集的内存模块,可以实现 1.4GHz 的高频率,在当时主流内存频率才 400MHz,但最终因为售价过高,散热要求高,退出了历史的长河。

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顺便一提,RDRAM 在1996年的 Nintendo 64 主机及后续的 SONY PS2 和 PS3 上也有使用。

DDR 的出现

DDR 全称是 DDR SDRAM(Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory,双倍数据率同步动态随机存取存储器),其实就是双倍速率的 SDRAM,也是 SDRAM 的一种“改良款”。

现在就清楚了,实际上 DDR 是一种存储机制,DIMM 是一种模块类型,可以简单理解为一个是软件规格,一个是硬件规格,类似 NVMe 和 M.2 的关系。

名称 发布
时间
Chip Bus Voltage
(V)
Pins
标准 Clock rate
(MHz)
Cycle time
(ns)
Pre-
fetch
Clock rate
(MHz)
Transfer rate
(MT/s)
Bandwidth
(MB/s)
DIMM SO-
DIMM
Micro-
DIMM
DDR DDR-200 1998 100 10 2n 100 200 1600 2.5 184 200 172
DDR-266 133 7.5 133 266 2133⅓
DDR-333 166⅔ 6 166⅔ 333 2666⅔
DDR-400 200 5 200 400 3200 2.6
DDR2 DDR2-400 2003 100 10 4n 200 400 3200 1.8 240 200 214
DDR2-533 133⅓ 7.5 266⅔ 533⅓ 4266⅔
DDR2-667 166⅔ 6 333⅓ 666⅔ 5333⅓
DDR2-800 200 5 400 800 6400
DDR2-1066 266⅔ 3.75 533⅓ 1066⅔ 8533⅓
DDR3 DDR3-800 2007 100 10 8n 400 800 6400 1.5/1.35 240 204 214
DDR3-1066 133⅓ 7.5 533⅓ 1066⅔ 8533⅓
DDR3-1333 166⅔ 6 666⅔ 1333⅓ 10666⅔
DDR3-1600 200 5 800 1600 12800
DDR3-1866 233⅓ 4.29 933⅓ 1866⅔ 14933⅓
DDR3-2133 266⅔ 3.75 1066⅔ 2133⅓ 17066⅔
DDR4 DDR4-1600 2014 200 5 8n 800 1600 12800 1.2/1.05 288 260 -
DDR4-1866 233⅓ 4.29 933⅓ 1866⅔ 14933⅓
DDR4-2133 266⅔ 3.75 1066⅔ 2133⅓ 17066⅔
DDR4-2400 300 3⅓ 1200 2400 19200
DDR4-2666 333⅓ 3 1333⅓ 2666⅔ 21333⅓
DDR4-2933 366⅔ 2.73 1466⅔ 2933⅓ 23466⅔
DDR4-3200 400 2.5 1600 3200 25600
DDR5 DDR5-3200 2020 200 5 16n 1600 3200 25600 1.1 288 262
DDR5-3600 225 4.44 1800 3600 28800
DDR5-4000 250 4 2000 4000 32000
DDR5-4800 300 3⅓ 2400 4800 38400
DDR5-5000 312½ 3.2 2500 5000 40000
DDR5-5120 320 3⅛ 2560 5120 40960
DDR5-5333 333⅓ 3 2666⅔ 5333⅓ 42666⅔
DDR5-5600 350 2.86 2800 5600 44800
DDR5-6400 400 2.5 3200 6400 51200
DDR5-7200 450 2.22 3600 7200 57600

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DDR4 的变种

2019年的时候,华硕、芝奇、Zadak还一起搞过一个非JEDEC标准,也就是DC-DIMM(Double Capacity DIMM),就是所谓的“双倍容量条”,可以把内存容量上限提升一倍,

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其本质上是把两条内存做到了一起,但大多主板并不支持,支持的只有华硕自家的 M11E、M11G。

疑难问题

内存针脚为什么不平整

平直的内存金手指插入内存插槽后,受到的摩擦力较大,因此内存在难以拔出和难以插入的情况下,DDR4 将内存设计为中间稍突出,边缘收矮的形状。在中央的高点和两端的低点以平滑曲线过度。这样的设计即可以保证内存的金手指和内存插槽有足够的接触面,信号传输确保信号稳定的同时,让中间凸起部分和插槽产生足够的摩擦力稳定内存。接口部分也发生了改变,金手指中间的缺口位置相比 DDR3 更为靠近中央,在金手指触点方面,DDR4 有284个触点,而 DDR3 只有240个,每一个触点距离从1毫米缩减到0.85毫米。


附录

参考链接

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