争霸GDDR7

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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。

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 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

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设计，以最大化其性能和效率。

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 DRAM 技术制造，在能效和性能上实现了大幅提升。

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。

GDDR7最大的技术变化在于内存总线从2位不归零 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。

之前的GDDR标准使用非归零技术，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gt;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，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。

GDDR 通道架构

三星、SK海力士、美光三大存储巨头均推出了自家的GDDR7内存产品，并展开了激烈的竞争。谁能在这场技术竞赛中脱颖而出，尚需时间验证。然而，这场较量不仅仅关乎市场份额的争夺，更在于谁能在性能、能效和创新应用上实现突破，引领下一代图形内存技术的发展方向。

至于GDDR7的显卡何时问世？考虑到 AMD 和 Nvidia 每两年发布新 GPU 架构的节奏，NVIDIA 和 AMD 预计将在 2024 年下半年推出首款采用 GDDR7 的独立 GPU。最可能的是消费级Blackwell架构产品和AMD的RDNA 4。让我们拭目以待。

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