我们平时看到内存条，有的上面单面有8个内存颗粒：

有的则有16个内存颗粒：

甚至还有单面32个颗粒的超高怪物：

前文中我们讨论了服务器能够支持的内存最大容量：

老狼：服务器最大内存是多少？制约因素有些什么呢？​zhuanlan.zhihu.com

我们得出了结论：最大内存是由能够插多少条内存决定的，因为每根内存条现在最大128GB，整体内存容量就被限制了下来，这不是钱多钱少的问题。有读者对每根内存条的极限容量感兴趣。是不是我们有钱，可以通过不停增加颗粒数目来堆出超高内存容量的内存条呢？答案当然是否定的了。今天我们就一起来探讨一下问什么。

首先我们假定不考虑内存颗粒能不能做出这么大的容量，仅仅理论探讨。限于篇幅，为了简化讨论范围，我们给问题设置了一些限制：

1.仅讨论大家DDR4，包括UDIMM DDR4和RDIMM DDR4。DDR3因为本身支持的容量就小而且基本已被淘汰，我们就不必哀悼它了。DDR5目前还没有上市，我们等它成熟后再来重新回顾它的理论极限。LRDIMM会有些许顾及，担不是重点。

2.讨论基于DDR内存的标准：JEDEC标准。

内存条的容量和它的基本单位：内存颗粒的组织方式息息相关。如果我们仔细看上面那三种内存条和我的注解，你能不能发现一些规律呢？细心的同学也许发现了：越大的内存容量，nR中的n就越大；与此相反，越大的内存容量，X n中的n反而越小。这是为什么呢？我们需要从DRAM的原理讲起。

DRAM原理

内存DRAM的每个单元可以看作一个晶体管和一个电容的组合：

电容负责存储，充过电时是1，没充过电是0，这就是内存是如何存储数据的。晶体管是个开关，用于选中该电容。Word line被选中，晶体管导通，电容的就和bit line导通，可以读出0和1。正是因为内存每个单元如此简单，才能如此大规模组织起来，形成低价而密度很高的内存颗粒。

这种方式设计简单，但是在充放电时电压和电荷管理有很多麻烦。所以引入了Sense Amplifier。单元就变成了这样：

单元还是只有一个电容和一个晶体管。但Sense Amp就复杂了不少：

Sense Amp一般由6个以上的晶体管组成。比较昂贵，但是因为整个bank只有一组Sense Amplifier，所以问题不大，而且好处不少。

好了，有了单个单元，我们来组成一个内存组试试：

看起来简单而优美，一个word line,选中后所有16单元都被Sense Amp缓存，漂亮！慢着，似乎那里不对？是的，这样效率太低，原来1个单元有1个晶体管和一个电容组成，现在平均变成了7个晶体管和1个电容，这和DRAM的低成本设计目标是违背的，必须减少Sense Amp的个数。有没有更好的解决办法呢？

这样好多了，还是16个存贮单元，但是仅仅用了4个sense amp，代价是word line从一个变成了4个。这是减低成本必须付出的代价。现在我们推广成更大的形式：

bank里的每个row共享一个word line，行激活ACT后，该row上的word line高电平，row上的存储内容会被该bank的Sense Amplifier缓存。这个内存单元有32个行地址（row address），32个列，5个列地址（column address）。地址线太多，有没有办法减低呢？如果一次列选中能够送出多个内容就好了：

这样同样寻址这些单元，但列地址从5个，减小成3个。太棒了！

我们知道，X86的cache line是64 Bytes（感谢 @照猫画虎 @RLuo 发现原文中这个问题），它会一次向内存控制器请求整个cache line。内存控制器发现他们是连续的地址后，会用一次用burst方式读取8个字长，每字长是64个bits。64个bits是内存控制器读取的最小单位。这非常重要，为了完成必要条件，我们必须继续扩展内存单元：

我们数一下，共有16个column，4个column address。继续扩张成DDR4标准的4个bank就变成了：

至于什么是bank，可以见我的这几篇入门文章：

老狼：内存系列一：快速读懂内存条标签​zhuanlan.zhihu.com

老狼：内存系列二：深入理解硬件原理​zhuanlan.zhihu.com

这就是现代内存组成的原理。

好了，我们可以回过头来看看： nR X m是啥意思了。

1.R是Rank的缩写，n是多少有个Rank。每个Rank有自己的片选信号：CS。各个rank单独工作，JEDEC标准DDR4可以取1，2，4个rank。

2.X m中的m就是前面讲的每个列的位宽，X4就是每列输出4个bit，X8就是每列输出8个bit。JEDEC标准只有4，8，16，三个选项。

明显的rank越多，用同种内存颗粒，可以做出的内存条容量就大。那么是不是内存颗粒X m，m越大，内存就大呢？恰恰相反，同样容量的内存颗粒，m越小，就可以用更多的内存颗粒拼起来，组成大内存。我们看个例子：

同样4Gb（注意这里是小b)的内存颗粒，为了组成64 Bit的位宽，我们可以用16个X 4颗粒，那么总容量是：

4 Gb X （64/4）= 64 Gb = 8GB

而用X 16的颗粒呢？只能用4个：

4 Gb X （64/16）= 16Gb = 2GB

那么单内存颗粒是不是容量就可以无穷大呢？并不是。

内存颗粒容量限制

内存颗粒并不能无限变大，因为没有那么多地址线。尽管从DDR开始，JEDEC标准就不停的增加地址线，但到了DDR4，地址还是有限的，这也是DDR5必须尽早出来的原因之一。地址线的多少决定了可以寻址多大空间，也决定了单颗内存容量的上限。

我们来看看DDR4对地址线的定义：

1.行地址：A0～A17共18根

2.列地址：A0～A9

3. Bank Addr：BA0，BA1两个

4. Bank Group: BG0，BG1两个

好了，我们可以来算算颗粒的容量了，如果我们用X4的颗粒

(2^18) X (2 ^10) X(2^2) X (2^2) X 4 = 16Gb

我们来算一下DIMM的容量：

16 Gb X 16个 X 4个rank = 128GB

这就是单根内存条的理论最大容量。

结论

单根UDIMM/RDIMM的容量最大128GB，这是JEDEC的标准所允许的最大容量。LRDIMM可以达到更大容量。它的原理我们今后再讲。

另外我们看到，如果选用X16的颗粒，单颗颗粒可以容量更大，但是总容量受只能用4个颗粒的限制，还是不能超过64GB。而同样容量的内存颗粒，因为单元数目相同，成本差别不大，为了组成更大内存，内存条厂商往往选择x 4的来组成大容量内存。这也就为什么超大容量内存条总是X 4的原因。

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