争霸GDDR 7

2024-06-08 02:06

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引言

存储器是人工智能的驱动力。HBM战火还在愈演愈烈，另一边伴随着美光GDDR 7的送样，GDDR 7大战正在悄然打响。

GDDR是Graphics Double Data Rate的缩写，全称为双图像倍数据速率。它是一种专为图形处理单元（GPU）设计的同步双数据速率动态随机存取存储器（SDRAM）。1998年，三星电子推出了首款16 Mb GDDR内存芯片。自此拉开了GPU和CPU在内存道路上的分道扬镳。起初，显卡内存兼容CPU内存，主要使用DDR内存，然而鉴于图像处理需求逐年攀升，显卡逐渐转向采用专门为图形处理器（GPU）设计GDDR。由于GDDR具有更高的数据传输速率和带宽，在推动GPU的发展过程中起到了很关键的作用。

GDDR技术发展历程

历经二十余年发展，GDDR家族已经迭代至第七代，GDDR家族主要有GDDR、GDDR2、GDDR3、GDDR4、GDDR5 和 GDDR6，以及最新推出的GDDR 7。在此，我们先看下前六代的技术和性能上的情况。

来源：imec

虽然GDDR专为GPU设计，但是最开始的一二代GDDR和GDDR 2并没有比DDR提升很多，因此也没得到GPU厂商的大规模采用。所以GDDR的正式被认可和迭代可以说是从GDDR3开始。

自GDDR3开始，Nvidia和AMD等主要GPU厂商的参与使得GDDR标准得到了大幅提升，得益于制程工艺的不断进步，GDDR3内存的数据传输速率从最初的1GHz一路攀升至2.5GHz，实现了大幅提升，并保持了长达五年的生命周期，为现代图形处理和计算提供了强大的支持。

GDDR4在GDDR3的基础上，进一步提升了数据传输速率和能效。虽然GDDR4在技术上取得了进步，但由于当时NVIDIA和ATI之间对于GDDR 4标准意见相左，且存在激烈的竞争关系，NVIDIA没有采用GDDR 4，这导致其市场占有率相对有限，成本很高，GDDR4很快就被历史所遗忘。

GDDR5大幅提升了带宽和速度，成为2008年后高性能显卡的标配。GDDR5具有更高的时钟频率和数据传输速率，广泛应用于各类图形处理和计算任务中。GDDR5之后，NVIDIA还与美光推出了GDDR5X半代产品，用于NVIDIA高端显卡。

而GDDR6则在数据传输速率和能效方面进一步提升，成为现代高端GPU的主流选择。GDDR6X引入了PAM4（Pulse Amplitude Modulation 4）信号技术，显著提高了数据传输速率。Nvidia在其Ampere架构，如GeForce RTX 3080和RTX 3090，率先采用了GDDR6X内存。

可以看出，从最初的GDDR到最新的GDDR6，GDDR内存经历了多次技术迭代和性能提升。每一代GDDR内存都在数据传输速率、带宽和能效方面不断优化，满足了GPU和图形处理日益增长的需求。如今，它已成为人工智能和大数据应用领域中最受欢迎的内存芯片之一。

GDDR7大战打响

目前，三星、美光和SK海力士均已开始提供GDDR7内存样品，GDDR 7大战即将拉开序幕。

三星和SK海力士打头阵

三星和SK海力士在今年3月份NVIDIA的GTC大会上均宣布了各家GDDR7的相关指标。两家公司都展示了16Gb（2GB）密度的产品，24Gb（3GB）更高版本没有在这一波浪潮中展现。

按照三星的披露，三星GDDR7芯片能够在仅1.1 V的DRAM电压下实现32 Gbps的速度，这超过了JEDEC的GDDR7规范中的1.2 V，这一性能是通过首次应用PAM3信号实现的。再加上三星特有的其他电源管理创新，能源效率提高了20%，将待机功耗降低 50%，从而减少整体功耗。三星还在封装基板方面进行了一些创新，它使用了一种导热性高、热阻低的环氧模塑料 (EMC) 进行 GDDR7 封装，以确保有源元件（IC本身）不会过热，与 GDDR6 芯片相比，热阻降低了70%。这些芯片采用512M x32组合，采用266针FBGA 封装。

而SK海力士表示它将提供速度高达40 Gbps的GDDR7芯片。与其前身GDDR6相比，最新的GDDR7产品提供的最大带宽达到160GB/s，是其上一代产品（GDDR6位80GB/s）的两倍，功耗效率提升了40%，同时，内存密度提升了1.5倍，使得视觉效果也进一步得到增强。独立的四通道的模式，提高了内存并行处理能力，每个通道支持32字节的数据访问。除了四通道模式，GDDR7还支持双通道模式，提供了灵活的配置选项，以适应不同的应用需求和系统架构。

SK海力士GDDR7技术指标

（来源：SK海力士）

SK海力士GDDR7采用与GDDR6相同的板尺寸，大小为12mm x 14mm，这意味着在设计和制造过程中，GDDR7可以直接替换现有的GDDR6模块，而无需对电路板进行重新设计。此外，GDDR7内存还配备了专用的内存实现方案和PCB（印刷电路板）设计，以最大化其性能和效率。

（来源：SK海力士）

SK海力士的16Gb GDDR7 芯片基本已经准备就绪，将在今年晚些时候批量出货。三星的也在出样品的过程中。

虽然尚不清楚谁将成为三星和SK海力士GDDR7内存的首批客户，但是考虑到两家均在NVIDIA GTC2024上进行展示，这也很清楚地表明NVIDIA是其中之一。

姗姗来迟的美光

2024年6月4日，美光宣布开始为下一代GPU提供GDDR7内存样品，它有28GB/s和32Gb/s两种速度。新一代GDDR7采用美光科技的1β (1-beta) DRAM 技术制造，在能效和性能上实现了大幅提升。

图片来源：美光

美光在宣布这一消息时公布了一些诱人的数字。该公司表示，32Gb/s GDDR7提供的内存带宽比GDDR6高出60%，在384位总线上可达到1.5TB/s的内存带宽。这比其前代产品有了显著的飞跃，前代产品在RTX 4090等 GPU上的384位内存总线上最高可达1TB/s。同时，工作电压降低至1.2V，上一代为1.35V，美光表示，其GDDR7的效率比GDDR6 提高了50%，实现节能的方式主要包括分割电压平面、部分设备运行和休眠模式。采用FBGA更薄的封装高度（1.1mm对比1.2mm）和高热导EMC封装，提供65%更好的热阻，这为台式机和笔记本电脑提供了更好的热管理。

美光GDDR6与GDDR7特点比较

美光GDDR7的这些特性提升使其在游戏、生成式AI、高性能计算（HPC）领域前景广阔。也就意味着GDDR7可能与HBM相竞争。如美光所述，在游戏领域，GDDR7预计在每秒帧数（FPS）方面可提升超过30%，特别是在光线追踪和光栅化工作负载下；在生成式AI应用中，GDDR7提供超过1.5 TB/s的高系统带宽，预计可将生成式AI文本到图像生成的响应时间减少多达20%；对于HPC，GDDR7预计能够减少处理时间，实现复杂工作负载（如动画、3D设计、科学仿真和金融建模）的无缝多任务处理。

据美光的公告，其GDDR7内存将于2024年下半年直接从美光以及通过精选的全球渠道分销商和经销商发售。NVIDIA使用美光的内存是板上钉钉了，因为此前美光专门为 Nvidia 制造了GDDR6x，不过在美光GDDR7的公告中也提到了AMD，因此AMD也可能会加入这一行列。

GDDR 7最大的技术变化

2024年3月，JEDEC发布了GDDR7 内存标准规范。JEDEC 是微电子行业标准制定领域的全球领导者。如下图所示，GDDR7的每引脚带宽最高可达48 Gbps，远高于GDDR6和GDDR6X的24 Gbps。在256位总线宽度下，GDDR7的总带宽达到1024 GB/sec，显著高于GDDR6和GDDR6X的768 GB/sec。GDDR7的工作电压为1.2 V，比GDDR6和GDDR6X的1.35 V更低。在信号技术上， GDDR7采用PAM-3信号技术，而GDDR6X采用PAM-4，GDDR6则使用传统的NRZ信号技术。GDDR7的最大密度达到64 Gb，是GDDR6和GDDR6X的两倍。GDDR7采用266 FBGA封装，高于GDDR6和GDDR6X的180 FBGA。

图表展示了GDDR7相对于前几代在带宽、功耗和封装上的显著改进。来源：anandtech

GDDR7最大的技术变化在于内存总线从2位不归零 (NRZ) 编码转换为3位脉冲（-1、0、+1）幅度调制 (PAM3) 编码。PAM3使GDDR7能够在两个周期内传输3位数据，仅这一变化就让数据传输效率提高了50%。随着向PAM3信号的转变，内存行业有了一条新途径来扩展 GDDR 设备的性能并推动图形和各种高性能应用的持续发展。

上图可以很直观的看出NRZ和PAM编码的不同。

来源：三星

之前的GDDR标准使用非归零（NRZ）技术，通过两种信号电平来传输编码为1或0的数据。这种方法在多个GDDR世代中都足够使用，但随着时钟速度和系统复杂性的增加，成为了一大瓶颈。为了解决这一挑战，美光与英伟达推出了采用多级信号技术的创新GDDR6X技术。美光是唯一提供GDDR6X的公司，GDDR6X利用PAM4信号技术，提供了业界领先的>1.1 TB/s带宽。

美光在GDDR6X方面的成功和经验为下一代使用类似信号方法的GDDR奠定了基础。虽然PAM3每周期传输的比特数量低于GDDR6X上的PAM4，但PAM3提供了50%的更高电压裕度，并且编码复杂度更低，这减少了对内存总线更高频率的需求，缓解了由此产生的信号损失。

值得一提的是，GDDR7将能够在PAM-3和NRZ之间切换，具体取决于所承受的负载。当需要极高的性能时，会激活 PAM-3，但对于降低能耗很重要的情况（例如非游戏、桌面使用），则会启用 NRZ 以保持良好的散热效果。

另外一个很大的技术变革是，GDDR 7内存具有4个独立通道，可优化各种工作负载的数据流，因此延迟相对较低。