【實作實驗室】直擊電腦內部的記憶體架構

Posted By StrongPiLab on 9 月 5, 2019 in 實作派StrongPiLab, 教學文, 電子學 | 0 comments

作者：實作派

最近忙著把 NAS 的記憶體升級，於是逛了一下網路商城，發現規格實在是五花八門，除了速度與第幾代 DDR 的基本規格外，最常令人混淆的不外乎就是 Rank 了，市場上的 1Rx8 與 2Rx8 ，到底有沒有差別呢？

記憶體的層級

如下圖，電腦內的記憶體架構是分層負責的，最上層是通道 Channel，裡面再分為 DIMM。以 Intel 北橋的 X38 為例，它支援 2 個 Channel，所以會有兩組獨立的線拉到各自的記憶體，每個 Channel 最多支援 2 個 DIMM，所以你在主機板上最多會看到 4 個 DIMM 插槽。

電腦記憶體架構（圖片來源：實作派提供）

分組的記憶體顆粒—RANK

這裡的 DIMM 就是我們平常買的記憶體模組，單一模組上焊滿了一顆顆的記憶體 IC，這些 IC 顆粒被劃分為不同的 Rank，每個 Rank 以相同的 Chip Select（CS#）連接在一起，也就是說當北橋發出 CS# 訊號時，這個 Rank 內所有的 IC 顆粒會同時被 Enable。

若你的模組有 2 個 Rank，表示此 Memory Module 能接受兩條 CS# 的訊號，以美光 Micron 的模組為例，它們的名稱為 S0# 與 S1#。若分為 1 個 Rank，稱為 1R；分為 2 個 Bank，就稱為 2R；下圖就是 2R 模組內的接線方式，你會發現相同 Rank IC 的 CS# 全部與 DIMM 的 S0# 與 S1# 分別接在一起。

DDR3 的記憶體模組線路（圖片來源：實作派提供）

至於為何要分 Rank 呢？全部接一起不是挺好的嗎？我想應該與晶片 IO 的 Fan out 能力或與阻抗匹配有關，畢竟速度這麼快，阻抗是需要考慮的，否則資料全部反射攪和在一起，也是很傷腦筋。

2Rx8 不等於雙面

從上面的敘述可以知道，Rank 只是拿來分組用的，2 個 Rank 的模組因為顆粒數目多，大都會將記憶體顆粒焊在兩面，而單一 Rank 的 DDR Module 有焊在同一面的，也有焊在兩面的。

所以 2R 與 1R 與單雙面沒有關係，它只表示北橋的 Memory Channel 用了多少 Chip Select 來存取DIMM。下圖是個例子，上方 8 G 2Rx8 表示記憶體模組分成 2 個 Rank，每個 Rank 有 8 顆 IC，它是雙面焊件，因此共有 16 顆 IC；下方 2 GB 的記憶體模組只用了 1 個 Rank，每個 Rank 有 8 顆 IC，但它也是雙面焊件，一面焊了 4 顆。

2Rx8 和 1Rx8 DDR3 SODIMM 的記憶體模組（圖片來源：實作派提供）

記憶體電壓

目前 DDR3 分為 1.5 V 與 1.35 V，1.35 V 的記憶體模組會標示為 DDR3L，但我照著型號去查詢 datasheet，發現上圖中 2 GB 模組的顆粒，竟然原本是 DDR3L 使用的，而且速度還是 1866 MHz，那怎麼會出現在 DDR3 1600 的模組上呢？

DDR3 Module 顆粒規格比模組高（圖片來源：實作派提供）

於是我詢問了在 PC 廠工作的朋友，他告訴我這是有可能的，也就是原本規畫應該在 1866 MHz 1.35 V 跑的記憶體，廠商可能發現它跑起來沒那麼穩定，於是就讓這款記憶體在 1600 MHz 1.5 V 上跑，結果跑得嚇嚇叫，因此就折價賣給模組廠使用。

基本上記憶模組只要出廠前有測試驗證過，都不會有問題，因為產品好壞的差別在於品管控制，品管控制得好，小廠也能上天堂，品管控制得差，大廠也會下地獄；我一般都選大廠，因為他們資源多，我「傾向」相信他們的品管做得比較完整。

4G bit 為何只需要 16 條位址線？

不知各位是否有想過，一個 4 GB 的 DDR 為何只需要 A [15:0] 16 條位址線？照理說 4 GB（512 Mega x 8 bit）應該要有 29 條線才能定址到 512 Mega，現在只要 16 條是怎麼辦到的呢？確實 29 條位址線實在太多了，因此位址資料分為兩次傳送，第一次稱為 Row，第二次稱為 Col，如下圖這兩個資料到了記憶體內部，便會像 XY 座標一般地將對應的資料找出來，再將資料放到 DQ [7:0] 上。

事實上在 DRAM 記憶體內還有分 Bank，這樣又可以讓位址線減少一些，以下圖為例有 8 個 bank，所以它需要 BA [2:0] 共 3 條線來定址，我一直認為 bank 與 address 其實是相同作用的東西，只是因為我沒有在DRAM 上著墨太深，無法理解為何還要在 IC 內部分 Bank，如果有了解的朋友歡迎讓我知道一下。

DDR3 顆粒內部方塊圖（圖片來源：實作派提供）

為何要這麼多顆粒？

以 PC 的角度來看，這還真是個合理的問題，為什麼要放那麼多小顆的 IC 呢？直接做一個大顆的不就全搞定了！但這件事情牽涉頗廣，首先若要做這麼大顆容量的 IC，它的良率一定會下降，意思就是將來的價格會比較貴，到時候做出來誰要買單是個大問題。

再來是資料位元寬度，目前 PC 大都以 64 bit 作為資料傳輸，但除了 PC 外，仍有很多小型應用會需要用到 32 bit 甚至 16 bit 的位元寬度；對 DRAM 廠而言，其實做 8 bit 或 16 bit 寬度的顆粒市場彈性最大，但事實上他們做了 x4、x8、x16 三種寬度，好讓使用者自己去湊出需要的寬度。

上圖就是一個 8 bit 寬度的 IC，右邊的 DQ [7:0] 指的就是資料的寬度，如果你要用 64 bit，就得用 8 顆 8 bit 寬度的 IC 來湊，或是 4 顆 16 bit 的 IC 來湊，這也就是為什麼我們買來的記憶體模組會有這麼多顆粒。

（本篇轉載自實作派電子實驗室、原文連結；責任編輯：賴佩萱）