在技术飞速发展的今天，内存性能、占用面积和能效已成为现代应用的关键考量因素。
Agilex™ 5 FPGA 内存技术提供灵活的内存接口，可有效应对上述关键需求。
Agilex™ 5 设备支持 DDR4、LPDDR4、 DDR5 和 LPDDR5，不仅紧跟行业新标准，还能降低工作电压、功耗以及单位比特总成本。这些内存技术与 Altera FPGA 深度集成，可有效赋能 4K/8K 视频视觉处理、AI 图像分类、数据库以及数据分析等应用加快数据处理速率并优化能效。
为助力用户针对具体应用场景选择合适的 DRAM 解决方案，下文将阐述不同类型 DRAM 的关键差异化特性。文中结合 Agilex™ 5 设备的外部内存支持能力，重点分析了 Agilex™ 5 设备的 I/O Bank 相较于前代产品及市面上类似产品的核心突破。
此外，本文还探讨了 Agilex™ 5 E 系列外部内存的实际应用案例，重点突出了其相较于市面上类似产品的核心优势。以搭载 Warp IP 的 4K 多传感器摄像头解决方案为例，该方案实现了以下成果：
从 DDR4 迁移至 LPDDR5 后，功耗降低了约 41.2%；
与市面上类似产品的 DDR4 解决方案相比，功耗降低了约 47.4%；
与市面上类似产品相比，Agilex™ 5 设备的总功耗降低了约 28.6%。
专用 DRAM 的演进与应用
随着 DDR 技术的演进，SDRAM 分化出移动内存（即具备更低功耗的 LPDDR）和图形内存（即 GDDR）两大类型。
尽管 GDDR 仍主要专用于图形处理领域并仅在部分场景中被重新用于 AI，但其“同门师兄” HBM （包括 HBM2 和 HBM2e）正因市场对以更低能耗 (pJ/bit) 实现更高性能的迫切需求而迅速发展。
高带宽内存不再只针对 AI 和科学计算领域，其在有线网络数据包缓冲和快速查表等网络应用中也变得愈发关键。
选择合适 DRAM 的关键要素
在选择 DRAM 时，以下特性是决策的关键考量因素：
• 容量
DDR5 和 DDR4 提供最高容量，每个设备中 DDR 的容量是 LPDDR 的4倍。单个 Dual-rank DDR5 DIMM 的容量可达 256 GB，是单个 HBM2e 堆栈的 16 倍。
• 成本
HBM 虽然价格最高，但包含功耗成本在内的 TCO 可能是影响决策的一项关键因素。
对于 DDR4、DDR5、LPDDR4 和 LPDDR5 而言，其成本及单位比特成本 (cost per bit) 会随着技术成熟度与市场需求的变化而波动。小型 LPDDR 设备的成本可能与大型 DDR 设备的成本相当。HBM 虽然价格最高，但从其整个生命周期的 TCO 来看，可能更具成本效益。
DDR4/5 与 LPDDR4/5 x64 位宽接口的单位带宽功耗示例
• 能效与每瓦性能
HBM 在峰值带宽和每瓦性能方面表现突出。DDR5 与 LPDDR5 可提供相近的带宽性能，但 LPDDR5 的能效更高，其 VDDQ IO 摆幅为0.5 V，而 DDR5 则需要 1.1 V。LPDDR DRAM 阵列比 DDR 更小且能效更高。随着先进技术节点的发展，其能效有望得到进一步优化。
关键结论是：LPDDR5 在绝对功耗和每瓦性能两方面均具备明显优势。不同 DRAM 阵列的功耗差异显著，选择不同的内存方案将直接影响解决方案的整体功耗水平。
下图展示了不同 DRAM 访问模式对功耗的影响。顺序访问模式或高页命中率（High PH）意味着 DRAM 页（或行）保持打开状态的时间更长，从而避免了因关闭旧页（预充电）和打开新页（激活）而产生的功耗损失。
Bank Grouping 技术的引入提升了 LPDDR5 的整体能效表现，但在随机访问场景中，结构更简单的 LPDDR4 仍可实现与之相近的功耗水平。
DRAM 访问模式影响阵列功耗
• 带宽与实际吞吐量
高带宽内存在吞吐量方面优势显著，但与前几代产品相比，DDR5 和 LPDDR5 能为成本敏感型解决方案提供可观的性能提升。理论峰值带宽并不能完全反映实际性能，访问模式也至关重要。顺序访问可避免因开启与关闭行 (row) 而带来的性能损耗，而更长的突发长度 (burst length) 与通道化 (channelization) 设计则能提升效率。
DDR5 采用双 x32 宽通道设计和 16-beat 预取机制。这使得 DDR5 通过 x32 接口即可实现 64B 缓存行访问，从而提升带宽。如下图中的美光 (Micron) 数据所示：在随机 64B 访问场景下，DDR5 的有效带宽较 DDR4 提升了 36%，并能在速度小幅提升的情况下实现明显的性能增益。
美光对比 DDR5 与 DDR4 实际吞吐量
Agilex™ 5 外部内存与 I/O 能力
Agilex™ 5 设备是业界较早同时支持 DDR4、LPDDR4、DDR5 和 LPDDR5 四种差异化外部内存解决方案的产品之一。且 Agilex™ 5 设备的高速 I/O 还原生支持 MIPI D-PHY，速率高达 3.5 Gbps。
Agilex™ 5 家族产品的内存支持方案
Agilex™ 5 设备 I/O Bank 概述
• 每个 I/O Bank 的关键特性
1. 双硬核 DRAM 控制器
• 32 级深度的读/写命令队列
• 双 16 位或单 32 位宽通道
• 面向用户逻辑的 AXI-4 接口
• 按 Bank 刷新
• 丰富的 RAS/调试功能
- SECDED ECC
- LPDDR5/5 带内 ECC
- LPDDR5 链路层 ECC
- ECC 回写
- 按需清理
- 控制器与DRAM BIST及配套调试工具包
- 用于性能调试的遥测计数器
- Dual-rank UDIMM、RDIMM和SODIMM
2.支持 MIPI、LVDS、PHYLite 和通用 I/O (GPIO)，并具备高效的引脚封装
• 每半个 Bank（48 个I/O）支持独立的 I/O 电压
• 可混合使用 DDR、PHY Lite、MIPI、LVDS 及 GPIO
下图展示了单 32 位宽 DDR 接口与双 16 位宽接口的对比情况。对于某些 DRAM 协议，将宽通道拆分为几个窄通道可以提升性能。
Agilex™ 5 支持单通道或双通道DRAM 接口的 I/O Bank
下图展示了在同一 I/O Bank 中混合使用 DDR 与 MIPI D-PHY 通道的示例。其余 I/O 可用作GPIO。每 48 个 I/O 为一组，每组可选择不同的 I/O 电压。例如：MIPI SLVS I/O 可采用 1.2 V 电压，而 LPDDR5 则可选择 1.05 V 电压。
在同一 Bank 中混合使用 DDR、MIPI 和 GPIO
结论
Agilex™ 5 FPGA 和 SoC 可通过以下几方面提供显著优势：
集成硬核内存控制器；
支持包括 LPDDR5 在内的先进 DRAM 标准；
具备更出色的能效表现及更高的每瓦带宽。
文章来源：Altera