服務器和系統設計人員正摩拳擦掌地為其新一代設計做準備，即將從第四代雙倍數據率同步動態隨機存取內存(DDR4)過渡到第五代的DDR5服務器雙列直插內存模塊(DIMM)緩沖芯片組。其中最重要的考慮涉及一些重大的規格變化。預計設計人員將專注于推動服務器設計進展的六項重大轉變(見表1)。
表1：DDR5的主要變化（來源：Rambus）
這些變革包括數據與時鐘速率、VDD (即組件內部工作電壓)、電源架構、信道架構、突波長度以及改善對于更高容量DRAM的支持。這些新的變化也帶來了特殊的設計考慮。
主要的變化
DDR4緩沖芯片的最高數據速率為每秒3,200兆次傳輸(MT/s)，時鐘速率為1.6GHz。DDR5則從低階的3,200MT/s速度開始，并迅速達到6400 MT/s的數據速率和3.2GHz的時鐘速率，甚至還在討論超越此規格的更快傳輸速度。因此，速度顯著提高，隨之而來的就是設計挑戰。
VDD或工作電壓是服務器和系統設計人員將會面對的第二項重大變化。在此，DRAM和緩沖芯片暫存頻率驅動器(RCD)將從1.2V降低到1.1V。這將有助于節省功耗。然而，它也會對DIMM的設計帶來一些挑戰。
因為VDD較低，所以還必須關注于噪聲抗干擾度以及VDD噪聲。信號容限將會變得更小，因為您現在使用的是1.1V供電而非1.2V；因此，您必須具有良好的DIMM設計以及辨識信號噪聲的能力。
電源架構是第三項主要的變化。在DIMM上面將配置一個12V的電源管理IC (PMIC)，能夠更有效地控制系統的電源負載。將PMIC供電電壓降至1.1V，也有助于提高信號完整性以及發現噪聲，因為您可以在DIMM更有效地控制電源。
新的DIMM通道架構可能是DDR5的主要功能之一，這就是第四項主要變化。DDR4緩沖芯片DIMM具有72位總線，由64個數據位和8個ECC字節成。DDR5的每個DIMM都將會有2個通道，但每個都是32位加上8個ECC位，成為2個40位的信道，這和DDR4支持1個72位信道的設計也不相同。
但這將有助于高效率。它還使得DIMM設計更加對稱，因為來自每通道的DIMM左側和右側共享RCD。現在，服務器和系統設計人員在RCD每一側的每個通道上都有5個8位信道。因此，現在有了2個DIMM通道但只有一個RCD，而且一共有兩組輸出，分別位于A側和B側。
這種新的信道架構添加了其他功能以提升效能。在DDR4中，DIMM的每一側都有 2個來自RCD的輸出頻率；而在DDR5，每一側都將會有4個輸出頻率。這為每個通道提供了一個獨立的頻率，有助于提高頻率信號的信號完整性。
第五個主要變化是突波長度。DDR4的突波長度為8，突波斬波長度為4。至于DDR5，其突波長度和突波斬波都將再進一步擴展以增加突發有效載荷，即使使用更窄的信道(32位vs 64位)。因為每個DIMM將會有2個通道具有相同或更大的突波有效負載，因而將提高內存效率。
DDR5的第六個變化在于改善對更高容量DRAM的支持。使用DDR5緩沖芯片DIMM，服務器或系統設計人員可以在單芯片封裝中使用高達32Gb的DRAM。 DDR4目前在單芯片封裝中的最大輸出功率為16Gb。DDR5將可支持芯片上錯誤正碼(ECC)、錯誤透明模式、封裝后修復以及讀寫循環冗余校驗(CRC)模式等功能，以支持更高容量的DRAM。
需要考慮的要點
這些新的變化帶來了因應DDR5更高頻率速度的一些設計考慮，因而也引發了新一輪的信號完整性挑戰。您需要確保主板和DIMM能夠因應更高的信號速度。此外，在執行系統級仿真時，還必須確定能夠確保在所有DRAM位置的信號完整性。
好消息是DDR5緩沖芯片改善了從主機內存控制器發送命令和地址信號到DIMM的信號完整性。如圖1所示，發送到2個信道中每個信道的命令地址(CA)總線都轉到RCD，然后扇出到DIMM的兩側。RCD有效地減少了主機內存控制器的CA總線負載。
圖1：2個信道中每信道的CA總線轉到RCD，然后扇出到DIMM的兩側 （來源：Rambus）
針對DDR4設計，由于較少注意低速CA總線，使其主要的信號完整性挑戰在于雙數據速率DQ總線。至于DDR5設計，即使CA總線也需要特別注意信號完整性。在DDR4，考慮使用決策反饋等化(DFE)作用來改善DQ數據信道。但對于DDR5，RCD的CA總線接收器也需要DFE選項，以確保良好的信號接收。
主板上的電力傳輸網絡(PDN)則是另一項考慮因素，它包括帶有PMIC的DIMM。考慮到更高的頻率和數據速率，您必須確定PDN能夠以更高速度處理執行負載、具有良好的信號完整性，而且能為DIMM提供理想的電源。
從主板到DIMM的DIMM連接器還必須能夠處理新的頻率和數據速率。對于系統設計人員而言，在印刷電路板(PCB)周圍的更高頻率速度和數據速率，更加重視電磁干擾和兼容性(EMI和EMC)的系統設計。隨著速度提高致使布局更具挑戰性，您必須確定可以設計最終能通過標準要求。