DDR、GDDR 和 HBM 内存速度与带宽
现代计算机的性能很大程度上受到所用内存的速度和类型的影响。DDR、GDDR 和 HBM 内存针对不同的用途进行了优化，无论是用于 CPU 的主系统内存、用于显卡的内存，还是需要高带宽计算的任务。在这篇文章中，我将比较这些内存类型的速度和关键参数。
计算机硬件标准的性能通常使用理论最大值来宣传，这些值是在理想的实验室条件下测量的（实际上，传输速率可能会受到设备控制器、温度或其他瓶颈的限制）。这些数字不一定反映实际使用速度，但它们非常适合用于比较目的，因为它们清楚地显示了技术世代之间的差异。
在下表中，我提供了每个标准的理论最大值，为了便于阅读和比较，已进行四舍五入，并在适用情况下始终以字节（特别是 MB/s）显示。我在这里写了关于计算机数据传输和存储标准、计量单位、速度及其理论基础的文章。
DDR SDRAM（系统内存）
计算机内存（RAM - 随机存取存储器）充当计算机的临时、快速访问数据存储。现代 RAM 模块使用 DDR（双倍数据速率）技术，这意味着数据传输发生在时钟信号的上升沿和下降沿，与原始 SDRAM 相比，有效地使数据传输速率翻倍。
最初的 SDRAM（有时称为 SD 或 SDR RAM 以区别于 DDR）以 66-133 MHz 的时钟速度运行。由于它不是“双倍数据速率”，因此其有效数据传输速率（以每秒传输次数计）与其时钟速度（以每秒周期数计）相匹配。
MT/s（每秒百万次传输）表示内存每秒可以执行多少百万次数据传输操作。这对于 DDR（双倍数据速率）内存非常重要，因为每个时钟周期发生两次数据传输——时钟信号的上升沿和下降沿各一次。
以 DDR2-400 内存为例：
- 其基本时钟速度为 200 MHz。
- 由于它使用 DDR 技术（双倍数据速率），因此实际传输速率是时钟速度的两倍：400 MT/s。
为了更好地可视化这一点：
- 200 MHz 的时钟速度意味着每秒 2 亿个时钟周期。
- 在每个周期中，发生 2 次数据传输（上升沿和下降沿）。
- 因此，总传输次数为：2 亿周期/秒 × 2 次传输/周期 = 每秒 4 亿次传输 (400 MT/s)。
这与带宽 (MB/s) 不同，带宽衡量的是实际移动的数据量。带宽的计算方法是将 MT/s 值乘以内存总线宽度（对于标准的 64 位 DDR DIMM，通常为 8 字节）：400 MT/s × 8 字节/传输 = 3200 MB/s。
| 版本 | 传输速率 (MT/s) | 模块名称 | 发布年份 | 时钟速度 (MHz) | 带宽 (MB/s) |
|---|---|---|---|---|---|
| DDR | 200-400 | PC-1600 - PC-3200 | 1998 | 100-200 | 1,600 - 3,200 MB/s |
| DDR2 | 400-1066 | PC2-3200 - PC2-8500 | 2003 | 200-533 | 3,200 - 8,533 MB/s |
| DDR3 | 800-2133 | PC3-6400 - PC3-17000 | 2007 | 400-1066 | 6,400 - 17,066 MB/s |
| DDR4 | 1600-3200+ | PC4-12800 - PC4-25600+ | 2014 | 800-1600+ | 12,800 - 25,600+ MB/s |
| DDR5 | 4800-8000+ | PC5-38400 - PC5-64000+ | 2020 | 2400-4000+ | 38,400 - 64,000+ MB/s |
带宽是为标准的 64 位（8 字节）宽内存接口（单 DIMM）计算的。双通道或四通道配置会将此带宽倍增。
制造商使用不同的表示法来营销内存模块，例如版本号 (DDR4)、传输速率 (3200 MT/s) 或模块名称 (PC4-25600)。这可能会让人感到困惑，但上表有助于识别等效模块。例如，DDR4-3200 和 PC4-25600 指的是相同的内存速度规格。
DDR ECC 内存
ECC（错误纠正码）内存是一种特殊类型的内存，主要用于服务器、工作站和其他需要高可靠性的系统。DDR ECC 内存与标准非 ECC DDR 内存的不同之处在于其错误纠正能力。
- 错误纠正：ECC 内存可以自动检测和纠正单位错误，并检测多位错误。这大大降低了数据损坏和系统崩溃的风险。
- 额外位：ECC 内存模块通常每个数据字使用额外的位（例如，64 位数据使用 72 位）来存储错误检查代码，从而实现错误纠正。
- 兼容性：并非所有主板都支持 ECC 内存。大多数服务器和工作站主板都兼容，但典型的消费级台式机主板则不然。CPU 也必须支持 ECC。
- 速度和延迟：由于错误检查过程的开销，ECC 内存可能比同等的非 ECC DDR 内存稍慢或具有更高的延迟。
- DDR 世代：ECC 技术适用于所有现代 DDR 版本（DDR、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5），并常用于服务器以增强系统稳定性。
ECC 内存通常用于数据完整性和持续运行至关重要的关键系统，例如金融服务、医疗保健系统、科学研究和高性能计算环境。
GDDR（图形内存）
GDDR 内存： GDDR（图形双倍数据速率）内存专门为显卡 (GPU) 设计。与标准 DDR 系统内存相比，它通常具有更高的时钟速度和传输速率 (GT/s)，针对渲染图形和并行处理的高带宽需求进行了优化。GDDR 内存芯片通常具有更宽的接口（例如，每个芯片 32 位），而显卡上使用多个芯片来实现非常宽的总内存总线（例如，128 位、256 位、384 位）。
GT/s（每秒千兆次传输）表示每秒数据传输操作的次数，类似于 DDR 内存的 MT/s，但按 1000 倍比例缩放（千兆与兆）。它表示原始传输速度，而不是最终的字节/秒带宽。
| 版本 | 发布年份 | 时钟速度 (MHz) | 传输速率 (GT/s) | 典型带宽 (GB/s) |
|---|---|---|---|---|
| GDDR2 | 2002 | 400–500 | 0.8–1.0 | ~12.8 – 16 GB/s |
| GDDR3 | 2004 | 800–1000 | 1.6–2.0 | ~51.2 – 80 GB/s |
| GDDR4 | 2006 | ~900–1150 | 1.8–2.3 | ~86 – 110 GB/s |
| GDDR5 | 2008 | ~1250–2000 | 5.0–8.0 | ~160 – 384 GB/s |
| GDDR5X | 2016 | ~1250–1750 | 10.0–14.0 | ~320 – 540 GB/s |
| GDDR6 | 2018 | ~1750–2500 | 14.0–20.0 | ~448 – 960 GB/s |
| GDDR6X | 2020 | ~1188–1438 | 19.0–23.0 | ~760 – 1104 GB/s |
带宽值是当时典型高端显卡的示例，计算公式为（传输速率 * 总线宽度 / 8）。实际带宽在很大程度上取决于特定 GPU 的内存配置（总线宽度）。时钟速度指的是有效数据时钟（对于非 PAM4 GDDR，为传输速率的一半）。
HBM（高带宽内存）
HBM 内存： HBM（高带宽内存）采用一种根本不同的方法，通过垂直堆叠内存芯片，并通过中介层上的极宽接口（例如，每个堆栈 1024 位或更宽）将它们连接到处理器（通常是 GPU 或专用加速器）。与 GDDR 相比，这允许在较低的时钟速度和较低的功耗下实现巨大的数据传输速率，从而实现相似的带宽。例如，HBM3E 每个堆栈可以超过 1 TB/s 的带宽。HBM 主要用于高性能计算 (HPC)、人工智能 (AI) 加速器和高端显卡，在这些应用中，最大内存带宽至关重要。
| 版本 | 发布年份 | 每个堆栈的带宽 (GB/s) |
| HBM | 2013 | ~128 GB/s |
| HBM2 | 2016 | ~256 - 307 GB/s |
| HBM2E | 2018 | ~307 - 460 GB/s |
| HBM3 | 2022 | ~819 GB/s |
| HBM3E | 2023 | ~1,200+ GB/s |
| HBM4 (预计) | ~2026 | ~1,500 - 2,000+ GB/s |
总结比较
- DDR SDRAM： 与 CPU 一起使用的标准系统 RAM。在速度、容量和成本之间提供平衡。带宽随着世代（DDR3、DDR4、DDR5）的增加以及通过使用多个通道（双通道、四通道）而增加。ECC 变体为服务器/工作站提供可靠性。
- GDDR SDRAM： 针对显卡 (GPU) 进行了优化。通过更快的时钟速度/传输速率和显卡上的宽内存总线，优先考虑非常高的带宽。对于游戏和 GPU 加速任务至关重要。对于同等容量，通常比 DDR 具有更高的成本和功耗。
- HBM： 专为最大带宽密度和功率效率而设计。使用堆叠式内存芯片和极宽的接口。用于高端 GPU、AI 加速器和 HPC 系统，在这些系统中，数据吞吐量至关重要。与 DDR/GDDR 相比，成本最高且容量通常较低。