内存储器在PC设备中占有重要的席位，也正是内存储技术的发展才得以让如今的计算机呈现出一番勃勃生机的景象。毫不夸张地说，未来PC发展的重点不是CPU而是内存。半导体技术的突破已经为CPU发展铺平的道理，随着主频的不断提高，整个系统将对内存性能提出更高的要求。纵观PC技术的发展，每次内存技术的提升都对整体性能产生重大的影响。
一、内存基础知识解析
在全面了解内存之前，我们必须对内存的基础知识有充分的认识。通过对内存工作原理、作用以及结构的了解，大家将会更为深刻地明白为何内存如此受到重视。
1．内存的工作原理
从一有计算机开始，就有了内存。内存物理实质就是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，内存只用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据就会丢失。我们平常所提到的计算机的内存指的是动态内存（即DRAM），动态内存中所谓的“动态”是指当我们将数据写入DRAM后，经过一段时间数据会丢失，因此需要一个额外设电路进行内存刷新操作。具体的工作过程是这样的：一个DRAM的存储单元存储的是0还是1取决于电容是否有电荷，有电荷代表1，无电荷代表0。但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，这就是数据丢失的原因；刷新操作定期对电容进行检查，若电量大于满电量的1／2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1／2，则认为其代表0，并把电容放电，由此来保持数据的连续性。
每一个内存单元通过可以短暂存储电荷的电容组成，数据信息由无数个位（bit）组成，每一个位只有两种状态：0和1，内存将这些位的数据存储在内存单元组成的栅格里。当处理器进行运算时，通过前端总线和内存之间的通道将一些需要信息的存储到内存里的栅格里，当需要调用信息时，再向内存发出请求，这些请求都带有内存地址的信息，以此来定位数据在内存栅格内的位置。
内存是PC平台的重要组成部分
要直观地理解内存的原理的话，我不妨举例来说。当CPU载入一个应用程序，例如文字处理或页面编辑。当你以键盘输入指令开始，CPI诠释指令并命令硬盘将指令或程序载入到内存中，当数据被载入内存之后，CPU便能比从硬盘中存取从而更快速地取得数据。
2．内存的作用
从功能上理解，我们可以将内存看作是内存控制器（一般位于北桥芯片中）与CPU之间的桥梁或与仓库。显然，内存的容量决定“仓库”的大小，而内存的速度决定“桥梁”的宽窄，两者缺一不可，这也就是我们常常说道的“内存容量”与“内存速度”。
当CPU需要内存中的数据时，它会发出一个由内存控制器所执行的要求，内存控制器接著将要求发送至内存，并在接收数据时向CPU报告整个周期（从CPU到内存控制器，内存再回到CPU）所需的时间会。毫无疑问，缩短整个周期是提高内存速度的关键，而这一周期就是由内存的频率、存取时间、位款来决定。更快速的内存技术对整体性能表现有重大的贡献，但是提高内存速度只是解决方案的一部分，数据在CPU以及内存间传送所花的时间通常比处理器执行功能所花的时间更长，为此缓冲区被广泛应用。其实，所谓的缓冲器就是CPU中的一级缓存与二级缓存，它们是内存这座“大桥梁”与CPU之间的“小桥梁”。
3．内存带宽的重要性
通常我们所说的内存速度实际上应该用“内存带宽”来表述才更为确切。当CPU需要内存中的数据时，它会发出一个由内存控制器所执行的要求，内存控制器接著将要求发送至内存，并在接收数据时向CPU报告整个周期（从CPU到内存控制器，内存再回到CPU）所需的时间。毫无疑问，缩短整个周期也是提高内存速度的关键，这就好比在桥梁上工作的警察，其指挥疏通能力也是决定通畅度的因素之一。
内存带宽为何会如此重要呢？在回答这一问题之前，我们先来简单看一看系统工作的过程。CPU接收到指令后，它会最先向CPU中的一级缓存（L1 Cache）去寻找相关的数据，然一级缓存是与CPU同频运行的，但是由于容量较小，所以不可能每次都命中。这时CPU会继续向下一级的二级缓存（L2 Cache）寻找，同样的道理，当所需要的数据在二级缓存中也没有的话，会继续转向L3 Cache（如果有的话，如Xeon处理器）、内存和硬盘。由于目前系统处理的数据量都是相当巨大的，因此几乎每一步操作都得经过内存，这也是整个系统中工作最为频繁的部件。如此一来，内存的性能就在一定程度上决定了这个系统的表现，这点在多媒体设计软件和3D游戏中表现得更为明显。
系统工作过程
内存带宽的计算方法并不复杂，大家可以遵循如下的计算公式：带宽＝总线宽度×总线频率×一个时钟周期内交换的数据包个数。很明显，在这些乘数因子中，每个都会对最终的内存带宽产生极大的影响。然而，如今在频率上已经没有太大文章可作，毕竟这受到制作工艺的限制，不可能在短时间内成倍提高。而总线宽度和数据包个数就大不相同了，简单的改变会令内存带宽突飞猛进。
二、RAMBUS垂死挣扎：64位RDRAM与XDR
当Intel提出双通道DDR芯片组时，RAMBUS已经失去了最后一张王牌。不过这并不意味着RDRAM会就此退出历史舞台。通过64位RDRAM与XDR技术，雄心勃勃的RAMBUS公司渴望东山再起。
1．64位RDRAM
如果RDRAM仅仅是在频率上提高的话，那么业界中绝大多数人都不会对它看好。道理很简单，RDRAM之所以节节败退并非因为性能不佳，而是没能很好地控制住成本。尽管目前同容量的RDRAM与DDR的价格差距并不是很大，但是在它们争夺市场份额的最初，Rambus的价格实在太离谱了，以至于Intel和主板生产商都对其失去了信心。
RAMBUS公司对此也是心知肚明，因此它们将在提高产品性能的同时压缩生产成本，提高良品率。由于目前所有的RDRAM都是32Bit的，因此必须将RDRAM内存成对使用，这不但在无形中增加了内存的生产成本，更是令芯片组的设计复杂化，对于Rambus产品的推广非常不利。64位RDRAM的意义不仅仅局限于成本，性能上的提升也是至关重要的。使用双通道之后，尽管理论带宽并未增加，但是内存控制器的效率将得到更大的提升，RDRAM的威力也得以充分释放。
对于64位RDRAM而言，芯片组与主板的支持十分关键。为了尽量减小主板厂商的生产难度、提高产品的吸引力、保证兼容性，RAMBUS公司开发了PC1600标准的插槽，其针脚定义与以往并没有很大的差别，而且内存生产商也只需要作很小的改动就能生产出64位RDRAM。但是客观而言，目前64位RDRAM只能在部分工控机上发挥作用，而PC平台已经很难有其立足之地，毕竟RAMBUS已经将XDR内存作为重点。
2．XDR内存
XDR是RAMBUS公司的新一代RDRAM内存，其中XDR代表eXtreme Data Rate DRA的缩写。因为XDR采用“Octal Data Rate”八倍速传输，在一个时钟循环中传送8个Bit的数据，因此实际频率仅仅是400MHz的XDR等效于3.2GHZ的SDRAM内存，可以达到惊人的内存带宽。
XDR传输结构
相比之下，DDR SDRAM只能在一个时钟周期进行2Bit的数据传输，而XDR内存则是8Bit，堪称是XDR的核心技术。在一个时钟周期内（一个上升沿和一个下降沿），XDR DRAM进行了4次时钟采样，在采样的每个上升沿和下降沿都传输了1bit的数据，因此在一个时钟周期内，XDR可以传输8bit的数据。
XDR协议使用了一种“中性”的传输标准，即所有的数据必须按照规定的速率进行发送，但是数据可以根据时钟的边界在任意相位内进行发送。在这个协议下，形成了XDR FlexPhase电路，它集成于XIO单元中，确保了数据最高的传输速率。在XDR的工作过程中，首先由XCG根据系统时钟产生CTM控制信号，随即CTM控制信号直接传输至ASIC设备，ASIC设备根据CTM信号调用XIO部件，XIO部件通过PLL来生成内部的XDR数据时钟；在此过程中，CTM会沿着互连总线传输给每一个DRAM CFM部件。CFM主要是对DRAM每一个引脚进行数据收发和信号控制。
XDR与上一代RDRAM最大区别就是具有独立的数据和地址/指令总线。RDRAM的结构需要数据通过所有的内存模块，这也造成了RDRAM为人诟病的高延迟性。好在XDR通过两条独立的总线解决的这一问题，其中地址/指令总线还是需要经过所有的内存模块，不过数据则可以由内存控制器直接进入对应的模块。和RDRAM一样，XDR也需要一个独立的频率发生器芯片。RDRAM的频率发生器是其能否在主板上稳定工作的关键，也决定了RDRAM能够以怎样的频率工作。如果RDRAM的频率发生器质量不够好，那么将会限制内存模块的性能发挥。不过这一切对于XDR而言都不是问题了，Cypress和ICS都已经签约为XDR制造频率发生器，两家公司实力都不容小视。
XDR发展蓝图
三、DDR3内存何时进入PC平台
从EDO到SDR再到如今的DDR时代，内存技术的发展并不迅猛。以整个PC硬件平台的工作流程来看，如今内存以及与之类似的显存一直是性能瓶颈。为此，内存芯片的技术颇为引人关注。然而内存技术可谓“牵一发而动全身”，很可能影响到其它硬件设备，因此业界对此慎之又慎。
DDR2性能提升甚微
无论是SDRAM还是DDR，它们对于系统平台的性能提升都是显而易见的，因为此时所带来的是直接的内存位宽加倍。然而DDR2并没有再次提升内存位宽，PC芯片组平台依旧维持在64Bit。相比于第一代DDR内存，DDR2的优势在于更高的频率与更低的功耗。目前DDR2面临的最大挑战是它没有向后的兼容性，虽然说DDR2和DDR都使用了相同的插座，但是DDR2为240pin的装，而DDR则为184pin封装，且两种类型内存凹口的位置也并不相同。理所当然地，此时DDR2所带来的性能提升幅度并不大，而且伴随着巨大延时而折损新年。其实，对比同频率的Athlon 64 Socket 939和Socket AM2，我们很容易发现DDR2内存技术的尴尬。既然DDR2在显卡平台上只是一个匆匆过客，那么CPU和芯片组平台也可能如此。
高频率DDR2内存保住面子
DDR3遥望“变相”成本优势
如同当初DDR内存芯片最先应用于GeForce 256，DDR2率先应用到GeForce 5800一样，内存技术往往率先在显卡上进行试验。从目前发布的GDDR3显存颗粒来看，很轻松地就达到了8Mx32颗粒，也就是说只需4颗显存芯片就能够实现128Bit位宽和128MB容量，这是GDDR2所难以企及的。
elpida推出的DDR3内存芯片
对于DDR3内存而言，利用这种高密度实现单面2GB也将变得轻而易举。要知道，今后内存的大容量趋势已经不可阻挡，毕竟Vista操作系统的海量开销摆在那里。而随着高密度的DDR3内存颗粒普及应用，这对于降低高容量内存成本以及减少封装成本都是大有帮助的，可谓是内存容量的普及推动力。
DDR3内存条成品
超高内存带宽
DDR3内存初期将采用70纳米制程，规格从1Gb起步，工作电压从DDR2的1.8V降至1.5V。DDR3是目前市场上最快速的内存产品了，DDR3单内存芯片的数据带宽比DDR2提升了50%，而耗电却进一步减小。但是可以预期的是，CPU与芯片组平台的DDR3内存并不会实现128bit单通道，依然是使用双通道实现256bit。但是所不同的是，不排除内存控制器厂商利用DDR3的高带宽特性实现四通道技术，届时内存带宽将直接达到256bit。平心而论，当四通道DDR3内存普及之后，CPU与芯片组平台对于内存带宽的需求将会彻底缓解。
业界支持度
PC技术的发展已经走入联盟化模式，因此任何技术标准都离不开业界的支持。目前DDR2内存芯片主要由三星、Elpida、Micron、HY、英飞凌供应，已经几乎涵盖了所有的内存芯片厂商。不过与此同时，三星、Elpida、Micron、HY、英飞凌也供应DDR3内存芯片。从原则上说，产生DDR2与DDR3内存芯片的成本是差不多的，并且不可避免地在初期面对良品率的问题。
今年下半年，Intel将陆续推出多款Bearlake芯片组，正式提供对DDR3内存的支持。一如I915平台上的DDR2，在Intel的极力推动下，DDR3也将缓慢但坚定地开始普及。根据Intel的预计，DDR3刚推出时的价格要比DDR2高出60％左右，不过到2008年底就会降低到只有10％，但直到2009年DDR3才会成为主流，2010年的份额也不会超过80％。虽然AMD也为DDR3内存规划了Socket AM3接口，但具体何时推出还不得而知。与Intel一贯充当新技术普及急先锋的角色不同，AMD向来比较谨慎，直到技术成熟、市场接纳后才会涉足。
DDR3系统运行游戏
四、新一代内存技术：相变内存 Vs 磁内存
如今我们所接触的都是DRAM（动态随机访问存储器），一旦没有持续的电力，所存储的数据就会立即消失，这就直接导致目前的PC必需经历一段不短的时间进行启动才能正式使用，而无法像其他家电一样即开即用。如果说Intel已经流产的FB-DIMM只不过是一种规格标准，那么相变内存和磁内存则是未来真正的核心技术。
1．相变内存
当前使用的大多数闪存都有一个存放电荷的部分——“浮栅”，其设计特点是不会泄漏。因此，闪存可保持其存储的数据并且只在读、写或擦掉信息时需要供电。这种“非易失性”特征使得闪存被广泛用于以电池供电的便携式电子设备中。非易失性数据保留也是一般计算机应用的一大优势，但是在闪存上写入数据要比在DRAM或SRAM上写入数据慢上千倍。而且，闪存存储单元在被写过大约10万次以后就会降质并且变得不再可靠。这对于许多消费应用来说并不是问题，但对那些必须频繁重写的应用，如计算机主存储器或网络的缓冲存储器或存储系统来说，这将会带来问题。
由IBM、旺宏和奇梦达共同取得的PCM相变存储器成果极其重要，因为它不仅推出了一种新型非易失性相变材料（转换速度比闪存快500倍，功耗不到闪存的一半），最重要的是，当其尺寸缩小为至少22纳米时，依然可实现这些性能，远远领先浮栅闪存。该相变存储器的核心是一小片半导体合金膜，它可以在有序的、具有更低电阻的结晶相位与无序的、具有更高电阻的非结晶相位之间快速转换。因为无需电能来保持这种材料的任意一种相位，所以，相变存储器是非易失性的。
PCM内存的存储结构
同普通的Flash芯片相比，PCM内存的数据写入时间仅为1/500s，写入时的耗电量也不足Flash芯片的1/2。并且IBM称，目前的PCM内存的设计可以在22nm工艺的时候依旧不需要进行很大的修改，其更适应先进制程来制造。IBM同时宣称，从存储密度来说，PCM也更有优势，即使其存储单元面积降低到60平方纳米，其依旧可以完成存储工作。
当然，IBM的PCM内存对于制作工艺的要求实在太高，至少在几年内绝对不可能量产。但是，Intel和意法半导体已联手研究PCM相变内存。此前这两大芯片厂商一直在研究基于硫族化物的相变内存，作为非易失性内存，这种内存技术只需要65nm工艺就足以支撑，也可能取代现有的DRAM。此外，韩国三星电子开发出了采用90nm工艺制造的512Mbit PCM（相变内存），只不过其速度还是无法达到PC内存的需要，但是相信未来依然有着充裕的时间留给三星来改进。
2．磁内存
磁内存（Magnetic RAM）是一种非易失性的磁性随机存储器，所谓“非易失性”是指关掉电源后，仍可以保持记忆完整，功能与目前极为流行的闪存芯片类似；而“随机存取”是指CPU读取资料时，不一定要从头开始，随时可用相同的速率，从内存的任何部位读写信息。MRAM运作的基本原理与硬盘驱动器类似，就如同在硬盘上存储数据一样，数据以磁性的方向为依据，存储为0或1。它存储的数据具有永久性，直到被外界的磁场影响之后，才会改变这个磁性数据。因为运用磁性存储数据，所以MRAM在容量成本方面大幅度降低。
但是MRAM的磁介质与硬盘有着很大的不同。它的磁密度要大得多，也相当薄，因此产生的自感和阻尼要少得多，这也是MRAM速度明显快于硬盘的重要原因。当进行读写操作时，MRAM中的磁极方向控制单元会使用相反的磁力方向，以使数据流水线能同时进行读写操作而不延误时间。但是，MRAM的这种设计方案也不是没有坏处，当磁密度小到一定程度时会产生一定的信号干扰，对于MRAM的稳定性有所影响。不过好在目前65纳米制作工艺相当先进，已经完全能够解决这一问题。
事实上，MRAM的内存芯片很早就已经推出，但是一直无法解决容量提升的难题。在高密度MRAM模块中会遇到磁介质的不规则漩涡，这种漩涡引起了磁极的老化，甚至导致读写错误。这也就是说，MRAM的寿命和稳定性会随着MRAM容量的增加而面临严峻的考验。为此，VERTICAL RING GMR CELLS技术（垂直环绕巨磁阻单元）临危授命，它的模式图如下。很明显，VRGC让磁层有了软硬之分。大家可不要小看这一简单的变化，因为这样一来，垂直排列的巨磁阻会将不规则漩涡基本消除，很有效地解决了MRAM的老化问题。此外，为了加强MRAM的稳定性，避免读写错误，VRGC技术在每一基本单元额外加入了一对平行字符线，这有点类似目前普遍应用于服务器内存的校验功能。
MRAM的软硬磁层
写在最后：呼唤内存技术变革
现在DDR2内存如火如荼，但是真正带来的性能提升却并不大。DDR3内存几乎是肯定有望普及的新技术，而XDR内存也有着很强的竞争力，甚至有望得到AMD的垂青。但是如果想要彻底获得非易失性的高速内存，那么相变内存和磁内存才是真正的发展之路。
