一、BANK的定义与物理结构
- 基本概念
BANK（存储体） 是内存芯片内部的一个逻辑或物理分区，每个BANK由存储单元阵列、地址解码电路和缓冲器组成，用于分块管理内存操作。 - 作用：通过并行操作减少访问冲突，提升内存吞吐量。
- 物理实现
- DRAM BANK结构：
- 存储阵列：由行（Row）和列（Column）组成的电容矩阵。
- 行解码器：激活特定行（行地址）。
- 灵敏放大器：读取时放大电容电荷信号。
- 列解码器：选择目标列（列地址）。
- 典型BANK数量：
- DDR4：16-32个BANK（分4-8组BANK Group）。
- GDDR6：16-32个独立BANK。
二、BANK的核心意义
- 提升并行性与带宽
- 并行操作：多个BANK可同时执行激活、读写或预充电操作。
- 带宽增益公式：
带宽提升倍数 ≈ BANK数量 / 平均访问间隔周期
（例如：4个BANK交错访问，带宽提升3-4倍） - 减少访问延迟
- 隐藏预充电时间（tRP）：当一个BANK预充电时，其他BANK可继续操作。
- Bank Interleaving（交错访问）：轮流访问不同BANK，减少行冲突。
- 降低功耗
- 局部激活：仅激活目标BANK的行，减少电容充放电范围。
- 动态功耗公式：
P_dynamic = α * C_eff * V_DD^2 * f
（C_eff与激活的BANK数量正相关）
三、BANK的工作原理与访问流程
- 地址映射
- 地址组成：
物理地址 = BANK地址 + 行地址 + 列地址
（例如：DDR4地址格式为 BG:BANK:ROW:COL） - 典型操作流程
- 步骤1：激活目标BANK的行（ACT命令）。
- 步骤2：读取或写入数据（RD/WR命令）。
- 步骤3：预充电当前行（PRE命令），准备下次访问。
- 多BANK并行示例
- 时序重叠：BANK0激活（tRCD=15ns）期间，BANK1可读取数据（tCAS=10ns）。
四、BANK对系统性能的影响
- Bank Conflict（存储体冲突）
- 定义：连续访问同一BANK的不同行，需频繁预充电，增加延迟。
- 冲突概率公式：
P_conflict = 1 / BANK数量
（例如：16个BANK的冲突概率≈6.25%） - 优化手段
- 增加BANK数量：DDR4通过BANK Group技术（4 Groups × 4 BANKs）降低冲突。
- 地址交错算法：控制器将连续地址映射到不同BANK。
五、不同内存技术中的BANK设计
内存类型 | BANK结构特点 | 典型应用场景 |
DDR4 | 16-32 BANKs，分4-8 BANK Groups | 服务器、PC主内存 |
LPDDR5 | 16 BANKs，支持Bank Group Refresh | 手机、低功耗设备 |
HBM2 | 8-16垂直堆叠BANKs，通过TSV互联 | 高性能计算、AI加速卡 |
GDDR6 | 16-32独立BANKs，高并发访问优化 | 显卡显存 |
六、设计注意事项
- 信号完整性
- BANK地址（BA）信号需等长布线（偏差≤50mil），防止解码错误。
- 时序约束
- 同一BANK的两次行激活间隔需满足 tRC（Row Cycle Time）（DDR4-3200的tRC≈45ns）。
- 功耗管理
- 多BANK同时激活时，配置低ESR去耦电容（如每BANK组1μF）。
- 控制器调度算法
- 采用 FR-FCFS（First-Ready First-Come-First-Serve） 策略，优先处理无冲突请求。
总结：
BANK是内存实现高效并行的核心架构，通过分块管理提升带宽并降低延迟。设计时需优化BANK数量、地址映射策略及控制器调度，以最大化性能并规避冲突。随着3D堆叠（如HBM）技术发展，BANK的物理结构与控制逻辑将持续演进。