系統記憶體與顯示卡記憶體的需求有何差別？DDR與GDDR系列彼此相依相生的關係又是什麼？本篇要從規格與歷史角度來探討記憶體的發展與運作原理，讓你了解系統DDR、DDR2、DDR3記憶體與顯示卡使用的GDDR、GDDR2、GDDR3、GDDR5記憶體的前世今生。
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備註：本文章節有連貫性，建議依序閱讀。
傳輸效率是進步的動力
雖然CPU、GPU每年都會更換一次規格，但是記憶體規格一但制定可就長命的多，因為記憶體產業牽扯較廣，一般而言不會輕易更動規格。但也因為CPU與GPU發展過快，資料傳遞量與速度隨之提升，為了避免記憶體成為資料傳遞上的瓶頸，廠商還是會想盡辦法增加記憶體與系統之間的傳輸效率。舉凡來說，像是近幾年Intel與AMD都將記憶體控制器(Memory Controller)整合進CPU內，為的就是避免資料繞道晶片組造成效能減損。
此外，像是推行許久的雙通道技術、X58支援的三通道、X79支援的四通道記憶體技術，都是為了提升頻寬，或者說是傳輸效率而生。顯示卡方面，AMD與NVIDIA也增加記憶體控制器的介面頻寬(Interface Width)，像是AMD的R9 290X就是使用512 bit記憶體控制器，而NVIDIA現在頂級卡GTX 780 Ti用的則是384 bit，多年前GTX 285則曾用過512 bit的記憶體控制器。為什麼廠商要這麼大費周章從CPU或GPU端提升效率，而不從記憶體著手呢？因為記憶體牽扯多項產業，加上發展速度較慢無法說改就改。
▲多通道技術就是為了提升效能，圖為支援四通道的Intel X79主機板。
▲未來CPU除記憶體控制器外，像是AMD Kabini連南北橋都整合了。
動態存取就像漏水的水桶
不論是系統或是顯示卡使用的記憶體英文皆為Memory，全名為Dynamic Random Access Memory動態隨機存取記憶體，簡稱為DRAM。記憶體運作時與硬碟使用磁性技術不同，是使用電容內儲存的電荷多寡，來代表每個位元（bit）代表為1或是0。雖然理論上是如此，實作上還是會有電容還是會有漏電現象，除非電容周期性地充放電，否則記憶體內的資料（電荷）會在幾毫秒內漏光。
舉個例子來說，記憶體就像是個水桶，但這水桶底端會漏水（漏電現象）。當水桶滿水時，代表該位元為1，反之若水位不足則代表0。水桶底端會漏水，為了避免水位過低從1變成0，於是上方的水龍頭必須定時加水（充電）讓水位維持住，這就是記憶體的運作方式。在現實狀況中，加水（充電）的動作每秒得進行幾千次。
「靜態」隨機存取記憶體？
當然有動態相對來說就有「靜態」的SRAM（Static Random-Access Memory），只要通電就能保存資料，但斷電後資料依然會消失。至於斷電後能儲存資料的ROM（Read-Only Memory，唯讀記憶體）與Flash Memory（快閃記憶體）又是不同的種類。
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DRAM結構性瓶頸
記憶體的基本架構說簡單也簡單，就是由電晶體管與電容組成。先前也提過現實中不可避免地造成漏電現象，若電荷過少會造成資料錯誤，像是把1判讀成0，而這周期性地充電就是DRAM的特點。也因為物理與技術的限制，充電需要時間速度不可能無限提升（頻障），導致DRAM時脈容易達到上限，即便是透過製程精進也難以改變。
早期FP（Fast Page）與EDO（Extended Data Out）受到製程限制，當時的時脈僅有25MHz、50MHz。到了SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動態隨機存取記憶體）時期，時脈一路從66MHz提升至133MHz。此時碰到了瓶頸，時脈無法有效地提升，SDR SDRAM之後的DDR（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，簡稱DDR SDRAM或DDR）、DDR2、DDR3官方（JEDEC）核心時脈大多在100～200MHz之間，超頻版也多在250MHz徘徊，高時脈的不穩定性導致實用性不佳。但你要說，DDR時脈怎麼會只有100MHz？那DDR-400是什麼？這裡就要來說說核心時脈、I/O時脈與等效時脈的關係。
▲受到製程與技術限制，早期記憶體時脈不到100MHz。
▲記憶體世代交替時，新產品的表現不見得優於舊產品。
碰到瓶頸拿I/O當切入點
記憶體的核心時脈受到充電機制的影響，不能無限制地提升，這就是先前所說的電容充電頻率限制。既然核心時脈無法提升，那能不能透過某個機制轉換呢？於是透過改變I/O Buffer（輸入/輸出緩衝單元）的方法就誕生了，後來大家熟知的DDR、DDR2、DDR3以及顯示記憶體用的GDDR等產品都是應用該技術提升時脈。
其中DDR-400、DDR2-800、DDR3-1600等規格，指的並非核心時脈，剛剛說過因為充電機制限制，核心時脈其實只有133～200MHz不等。DDR時期的產品，不能只看核心時脈，記憶體共有3個影響時脈的關鍵，分別是核心時脈、I/O Buffer，以及最後的等效時脈（資料傳送頻率），三者互相影響才有所謂的DDR記憶體。
▲圖中可以看出，各代DDR顆粒核心時脈相同情況下，大多是透過I/O與預取技術增加傳輸效能。備註：核心頻率=核心時脈，時鐘頻率=I/O時脈，數據傳輸率=記憶體頻寬。來源：
PCPOP
▲核心時脈都在133～200MHz之間，各代DDR顆粒主要差異在於I/O時脈。
記憶體的預取原理
DDR最重要的革新，就是所謂Prefetch（預取）技術，DDR、DDR2、DDR3的分別採用2bit、4bit、8bit預取技術，藉此得以讓時脈翻倍。預取簡單來說，就是在I/O控制器發出請求之前，預先準備好2bit、4bit、8bit的資料。可將其視為並行（Parallel）轉換為串行（Serial），有點類似多通道或RAID技術。其轉換類似多條水管連接到某個裝置，若輸出的水管口徑相同，那麼水壓（速率）必定提升。了解完記憶體的運作與預取原理，了解各類型DRAM就有基本概念了，接下來我們來看看SDRAM各時期記憶體的特色與差異。
▲各代DDR主要差異在於預取的量，透過並行（Parallel）轉換為串行（Serial）的方式提升效能。
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SDR SDRAM：單資料率同步動態隨機存取記憶體
SDRAM是Synchronous Dynamic Random Access Memory的簡稱，字首的Synchronous就告訴大家這種記憶體的特性，也就是同步。而SDR SDRAM的核心、I/O、等效時脈皆相同，像是PC133規格的記憶體，其核心、I/O、等效時脈都是133MHz。而SDR指的是Single Data Rate，SDR SDRAM在1個周期內只能讀寫1次，若需要同時寫入與讀取，必須等到先前的指令執行完畢，才能接著存取。
▲SDR SDRAM已經相當少見，金手指防呆位置有2處。來源：
eBay
▲黑點就是SDR與DDR的差別，單一時脈內可傳輸的指令量DDR是SDR的2倍。來源：
bit-tech
DDR SDRAM：雙倍資料率同步動態隨機存取記憶體
DDR SDRAM亦為SDRAM家族的產品，其中DDR指的是Double Data Rate，有別於SDR（Single Data Rate）單一周期內只能讀寫1次，DDR的雙倍指的就是單一周期內可讀取或寫入2次。在核心時脈不變的情況下，傳輸效率為SDR SDRAM的2倍。第一代DDR的預取為2bit，是SDR的2倍，運作時I/O會預取2bit的資料。此時DDR記憶體的等效時脈約為266～400MHz不等，像是DDR-266、DDR-400都是這個時期的產品。
▲DDR各代的防呆位置都不同，上至下依序為DDR、DDR2、DDR3。
DDR 2 SDRAM：第二代雙倍資料率同步動態隨機存取記憶體
DDR2是基於DDR的基礎設計，因為預取量從原本的2bit提升為4bit，原先I/O的時脈已經無法滿足這樣的運作需求，DDR2的I/O時脈是DDR的2倍，也就是266、333、400MHz。核心時脈同樣有133～200MHz的各類型顆粒，I/O時脈提升的影響下，此時的DDR2等效時脈約為533～800MHz不等，也就是常見的DDR2-533、DDR2-800等記憶體規格。
▲DDR2於2003年上市，後來衍生出多款GDDR顆粒。
▲FBGA封裝是DDR2顆粒的特色，該封裝方式有助於高時脈下運作的穩定性，DDR2顆粒皆是FBGA封裝。
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DDR 3 SDRAM：第三代雙倍資料率同步動態隨機存取記憶體
終於到了我們現在用DDR3了，DDR3依舊是基於DDR2的架構，預取從4bit提升為8bit。跟DDR2相同的理由，I/O時脈亦從266MHz提升為533MHz以上，至於等效時脈，則提升到1066～1600MHz不等。從DDR3的規格不難看出，I/O時脈與等效時脈相較於SDR時期，已有大幅度的提升。也有人認為，DDR3的時脈已經到達瓶頸，DDR4得在設計與製程上進步才有可能延續下去。
▲DDR3是目前主流的記憶體規格。
▲此模組為單面設計，單面8顆顆粒背面則是一片空白。
▲搭載的是Qimonda 1DSH1G顆粒，該類顆粒亦有出現在顯示卡上。
DDR 4 SDRAM：第四代雙倍資料率同步動態隨機存取記憶體
DDR4原先預計2013年發表，但2014年下半年才比較有可能實際應用。JEDEC先前已經制定規範，DDR4不相容於先前的腳位，採用284pin的配置。DDR4仍會有R-DIMM、LR-DIMM、SO-DIMM、U-DIMM等規格，體積小、發熱低、功耗少會是DDR4的明顯特色。DDR4等效時脈從2133MHz起跳，最低容量是4GB，低電壓也是其特色，標準版本應該是1.2V。終於看完系統記憶體的部分，接下來GDDR的部分會比較有趣，畢竟是個意外的產物，故事說也說不完。
▲電壓下降時脈提升是各代主要的改變，DDR4電壓只有1.2V。
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GPU特殊需求導致GDDR誕生
說完系統用的DDR之後，再來了解顯示卡使用的GDDR（Graphics Double Data Rate）是什麼。最初顯示卡使用的記憶體顆粒，與系統用的記憶體顆粒並無不同。當時GPU運算效能有限，即使使用相同的顆粒也沒有太多的問題，或是造成效能瓶頸。但隨著GPU快速發展，系統用的記憶體顆粒已經無法滿足GPU的使用需求，這也導致DDR的變種GDDR的誕生。
▲GDDR4先天與後天都相當悽慘，加上只有AMD使用，市占率非常悽慘，稍後會在說明這故事。
GPU對記憶體的3項要求
GPU與CPU的應用需求有哪裡不同呢？主要可歸納出3個方向。首先是GPU比CPU更需要大頻寬，GPU與記憶體之間的資料量交換遠高於CPU，頻寬低容易造成效能瓶頸。記憶體頻寬=工作時脈x記憶體介面頻寬，三者對於GPU都很重要，要增加記憶體頻寬的方式，可透過提升工作時脈或是增加介面頻寬。
其次是記憶體介面頻寬（Memory Interface Width），顯示卡對於PCB佈線要求較高，要提升記憶體介面頻寬可透過增加記憶體顆粒來達到，但PCB面積有限，自然不可能沿用介面頻寬較小的標準顆粒。DDR系列記憶體的介面頻寬一直都是64bit，單顆記憶體顆粒則是4～8bit不等，而GDDR顆粒最初16bit到32bit都很普遍。
最後則是工作時脈，系統記憶體顆粒因為應用較廣，難以針對GPU最佳化。加上GPU的記憶體控制器比起北橋或是CPU內建控制器效能更出色，且GPU可針對記憶體顆粒最佳化，即便是高工作時脈也沒問題，自然比處處受限的標準顆粒適合用於GPU。由於應用面的需求差異，系統記憶體與顯示記憶體分家是必然的結果，也就誕生了GDDR顆粒。
▲GDDR家族比DDR還要龐大，但基本上都是由DDR衍生而來。
GDDR與DDR相近但細節不同
既然GDDR是DDR的變種，規格方面自然非常接近。第一代的GDDR顆粒預取同樣是2bit，甚至是時脈方面也與DDR版本相當。直到後期改進製程，且部分顯卡對於GDDR顆粒最佳化，此時的GDDR運作時脈最高可達900MHz左右，相比同期的DDR顆粒差距很大。
最初16bit的TSOP封裝GDDR顆粒外觀、規格與DDR相當接近，但在細節規格上還是有些許不同。像是GDDR顆粒是採用4K循環，周期是32ms，DDR顆粒則是8K循環，周期則是64ms。GPU對於記憶體延遲較不敏感，因此GDDR的延遲比DDR還高。為了提升效能，後來還有MBGA封裝的GDDR顆粒，單顆介面頻寬為32bit，這種高階用32bit顆粒，低階用16bit顆粒的模式，後來也延續下來。
至於GPU為什麼不重視延遲，主要在於GPU強調的海量的資料數據佔滿頻寬，CPU則是要求瑣碎的資料但反應快速。有人比喻說，你想要喝可樂，可以請服務生從冰箱拿瓶來給你，或是打電話叫司機運整車的可樂給你，前者是CPU後者則是GPU的運作方式。
▲這是使用TSOP II封裝的GDDR顆粒，當年FX 5700共搭載8顆。來源：
PCPOP
▲後期GDDR顆粒使用MBGA封裝，時脈可達到900MHz。來源：
PCPOP
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第一代GDDR2高溫又高壓
GDDR2雖說DDR2的變種，且預取量同為4bit，但事實上GDDR2顆粒上市略早DDR2顆粒。首度支援DDR2的Intel 915P主機板約在2004年中上市，而使用GDDR2顆粒的顯示卡，像是FX5800 Ultra則約2003年初發表。當初NV30的FX5800 Ultra記憶體介面頻寬為128bit，當時GDDR的700MHz時脈無法滿足該卡的需求，因此選用GDDR2記憶體。
但因為製程仍與DDR、GDDR相同，2.5V的運作電壓下，導致功耗與發熱量過高。第一代GDDR2只有用在FX5800、FX5800 Ultra、FX5600 Ultra等少數顯卡上，高溫、高功耗、高成本給人的印象並不好。後期FX 5900捨棄GDDR2改用256bit且高時脈（約900MHz）的GDDR顆粒，讓第一代GDDR2顆粒就此消失，甚至連進入中低階市場的機會都沒有。
第二代GDDR2顆粒搶攻中低階
你會說GDDR2明明在中低階市場到處都是，哪有因此而消失。沒錯，因為第一代GDDR2顆粒的失敗，後來廠商在DDR2的基礎上做出第二代的GDDR2顆粒（亦稱為gDDR2），基本上就是DDR2顆粒。此時的顆粒電壓從2.5V降低到1.8V，雖然最初時脈不高，但後期製程上去後，電壓1.8V時脈也能上到1000～1200MHz。且製程提升、成本降低、容量增加，導致中低階顯卡大量使用，像是NVIDIA的FX 7系列、AMD的X1600 Pro等顯卡，都是當年的代表產品。
至於小寫的gDDR2、gDDR3與大寫的GDDR2、GDDR3有什麼差別？普遍來說，大寫的GDDR代表專為顯卡推出的顆粒，而小寫的gDDR則是由DDR顆粒稍做改良而成，後者本質上與系統記憶體差異較小。GDDR源自於DDR，GDDR2來自DDR2，但GDDR3可不是從DDR3而來，千萬不要誤解。
▲會用gDDR2顆粒的大多是中低價的顯卡，效能無法與GDDR3相比，此處則是8500 GT使用的顆粒。來源：
4gamer
GDDR3稱霸市場，源自DDR2顆粒
GDDR與GDDR2規格上都跟DDR、DDR2相似，無法滿足AMD與NVIDIA對於記憶體的需求，也因此積極加入JEDEC的規格制定，以符合自家對於記憶體的要求與適用性。AMD與NVIDIA雙方認為，核心時脈無法提升的情況下，透過I/O提升等效時脈並不合理，必須要針對高速環境重新設計I/O才能應付雙方的使用需求，這也是GDDR3的源起，也是實質意義上第一款針對GPU而推出的記憶體顆粒。
▲這張HD 5450使用的
gDDR3版本，也就是DDR3顆粒，效能跟GDDR不是一個等級。
▲HD 4670使用的是GDDR3顆粒，GDDR3是顯示記憶體的里程碑。
DQS與I/O改良
GDDR3還有2個提升效率的設計，那就是DQS（data strobe）最佳化與I/O的改進。GDDR2時期只有1條DQS，且為單一雙向設計，GDDR3讀寫各有獨立的DQS，並為點對點設計。DQS增加的好處在於，若讀取之後緊接著需要寫入，不再需要等待DQS方向轉換，透過這種方式能夠增加讀寫效率。相較於DDR2、GDDR2，GDDR3的讀寫切換可以快1個週期，部分環境中GDDR3的讀寫效率可達GDDR2的2倍。GPU本身的快取（Cache）很小，GPU與顯示記憶體之間的存取十分頻繁，穿插讀寫動作，因此GDDR3點對點的DQS設計有助於提升GPU效能。對於CPU來說，本身就擁有大量的L2、L3快取，加上讀寫切換不如GPU，因而GDDR3的這項特色並沒有引入DDR3當中。
I/O方面也是GDDR3的改進方向，對於I/O控制電路與終結電阻進行修改，不再延用GDDR2與DDR2的Push Pull設計，改用Pseudo Open Drain Logic的方式，並將所有通過三相信號轉移到本位電路上，藉此簡化電路設計，可將電流量降低，達到降低功耗與溫度的目的。
▲GDDR3從Push Pull改為Pseudo Open Drain Logic。
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GDDR4短命的高價產品
相較於亮眼的GDDR3，GDDR4的命運可謂悲慘，不僅使用的顯卡寥寥可數，上市也僅約1年就被GDDR5取代。GDDR4是基於DDR3的架構而來，目的要取代以DDR2為基礎的GDDR3。設計方面，GDDR4的預取跟DDR3相同，皆為8bit設計，另外還有DBI（Data Bus Inversion）、Multi-Preamble等技術，有助於提升GDDR4的理論效能。
理論上高時脈的GDDR4會有比GDDR3更高的效能，但GDDR4的延遲亦高於GDDR3，這是高時脈必定帶來的產物。至於為什麼會這麼短命？一來部分廠商像是當年的Qimonda就跳過GDDR4直接研發GDDR5。再者，部分人認為，GDDR4的成本高是顯卡廠商不想使用的原因之一，理論上GDDR4等效時脈可達GDDR3的2倍，但受到製程與技術限制，出貨的GDDR4顆粒大多2～2.5GHz，後期GDDR3也靠著製程也追平這項優勢。當兩者效能相當，且GDDR3更加便宜，效能更強改進更多的GDDR5出現時，GDDR4就快速被取代。
▲GDDR4由三星獨撐大局，其餘廠商則是致力於榨乾GDDR3的潛力。但由於只有AMD少數高階卡使用，廠商投入少且NVIDIA不買單，最終面臨淘汰的命運。
GDDR4規格制定的八卦
先前有提過，AMD與NVIDIA為了GPU的發展而加入JEDEC。但在規格制定過程中，有人認為雙方的理念不同導致GDDR4最終面臨短命的下場。NVIDIA認為預取應該維持4bit，但AMD（當年是ATI）認為可以直接用8bit技術，爭執的結果是AMD陣營的規格獲勝。事情就結束了嗎？當然沒有，GDDR4這新規格誕生後因為理念不合，NVIDIA直接捨棄GDDR4，所以你在市面上看不到任何使用GDDR4顆粒的NVIDIA顯卡。一方面GDDR4瞬間失去過半的顯示卡市場，也間接讓記憶體廠商對於GDDR4感到存疑不敢貿然投產。
最終GDDR4由三星單獨支持，其餘廠商則是致力於榨乾GDDR3的潛力，這就誕生先前說過的高時脈GDDR3顆粒。GDDR4在沒有價格、製造商、顯示卡廠商等支持下，必然走向滅亡。最終GDDR4只有出現在X1950XT、HD 2900XT、HD 3870等顯卡上面，雖然橫跨3個世代，但最終難逃被GDDR3與GDDR5夾殺的命運，最後連AMD都率先搭載了GDDR5。
GDDR5超高時脈的顆粒王者
GDDR5超高的時脈是怎麼達成的？GDDR5仍使用DDR3的8bit預取技術，但DQ數量擴增為2倍。過去DDR、DDR2、DDR3以及GDDR、GDDR2、GDDR3、GDDR4都是透過DDR（Double Data Rate）技術在波形周期上端下端各傳送1次數據，官方的時脈乘以2就是等效時脈。但GDDR5有2倍的DQ，因此時脈必須乘以4才會是等效時脈。像是HD 4870使用的GDDR5顆粒時脈為900MHz，但不少人習慣視為3600MHz。
GDDR4的失敗並未讓AMD喪失嘗試的勇氣，即便GDDR4碰到效能瓶頸，加上R600（HD 2900）使用512bit記憶體控制器的表現不如預期，甚至讓後來的RV670（HD 3800）換回256bit控制器。多種情況影響下，AMD迫切需要提升效能的良方，後續的RV770（RV770 XT、RV770 PRO、RV770 LE）依然使用256bit控制器，介面頻寬不變的情況下，只能將希望放在下一代記憶體顆粒也就是GDDR5上。
從結果論來看，當時AMD率先使用GDDR5顆粒的確是明智之舉，HD 4870搭配256bit的GDDR5記憶體效能，優於GTX 260使用448bit的GDDR3，迫使GTX 260透過更新製程（65nm改55nm）、調整售價等方式應戰。
▲高階卡正反面都有配置記憶體顆粒，此為GTX TITAN。
▲GDDR5是目前高階卡使用的主流顆粒，效能優於GDDR3。
延續DBI技術、簡化佈線
其實GDDR5還有不少細節上的改進，並延續GDDR4的DBI（Data Bus Inversion）技術。DBI是GDDR4用於省電的技術，簡單來說，每1Byte的8個值當中，如果超過一半是0，那麼就會自動執行訊號轉位，把0變成1，1變成0，並透過附加的DBI來判斷是正位或是反位。為什麼這麼做呢？因為先前我們提到記憶體必須經常充電，而在0的狀態下必須要持續消耗電能（1是無電荷）。減少0的數量就能降低充電次數達到省電目的。I/O控制器亦加入新的校準技術，確保GDDR5顆粒能適應GPU記憶體控制器的需求。
此外，雖然GDDR5的針腳更多，但佈線更加精簡，過去必須透過蛇行走線平衡延遲，但GDDR5在處理時間延遲與訊號強度上更為出色，有助於PCB佈線精簡化，並減少設計成本。GDDR5身為高階顯卡的顆粒介面規格為32bit，透過2條平行的DQ，能夠讓32bit的顆粒當成16bit的顆粒。1個32bit的控制器就能控制2顆GDDR5顆粒，達到用介面換取容量的目的。雖說先前的記憶體也有類似的技術，但運作方式並不相同。
▲簡化佈線是GDDR5的特色，可看到GDDR3為了延遲而有許多蛇行走線。來源：
PCPOP
▲此為GDDR3顆粒附近的蛇行走線圖，可看到許多彎折的線路。
▲GDDR5能透過減少介面頻寬的方式，來讓控制器連接更多的記憶體顆粒，達到提升容量的目的。
互相依存的2大家族
看到這裡應該能了解DDR與GDDR顆粒之間的關係，DDR是針對CPU需求而開發的記憶體，而GDDR則是更針對性地對顯示卡最佳化。前者有低時脈低延遲的特性，後者則因為海量的傳輸需求，記憶體顆粒特性為高時脈高延遲。當然，記憶體的運作原理與背景絕對不只這些內容，數10年來的記憶體故事也不會只有短短幾千字的篇幅，但礙於再不交稿就會完蛋的情況下，本篇只好著重於記憶體的基本運作、DDR、GDDR家族的特色，希望能讓各位在這篇文章中得到一些收穫。
