低電壓DDR3不一定比較省，挖掘記憶體的耗電量真相

[著者:oiko]

大概要從上個月先說起，站長在拿到ThinkPad X230實機後，找一天邀筆者前往試用。筆者很榮幸在第一時間就有體驗X230的機會，當時站長已經大略測試完畢，也同時跟筆者討論一些使用心得，以及測試中遇到的問題。對於X230這台機器，兩人共識都是無法接受六列孤島式鍵盤的改變，而且筆者覺得同樣是孤島鍵盤，X230的手感卻比T430還要差，算是頗令人失望。

前面有點離題了，把焦點拉回正題，當時站長向筆者問了一個問題：我在測試X230的電池續航力時，搭配DDR3記憶體的電池時間，竟然比低電壓的DDR3L還要長，為什麼DDR3比DDR3L還要省電？

為什麼DDR3比DDR3L還要省電？
為什麼DDR3比DDR3L還要省電？

因為DDR3L記憶體模組是站長自掏腰包，從對岸網購到台灣，原本預期可以實際驗證「DDR3L更省電」這件事，但跑出來的結果卻完全相反。所以站長當時多次向筆者表達訝異與不解，並詳細說明測試時的配置，感覺有點難以接受這個測試結果。筆者聽完以後，告訴站長這個現象很正常，當時受測的的2組記憶體，就是DDR3比DDR3L還要省電，站長的測試不但沒有錯誤，而且結果非常精確。聽完這些解釋以後，感覺站長反而更糊塗了，也許記憶體耗電並不是三言兩語就能簡單解釋的課題。

正巧筆者原先計畫在某雜誌上，刊登有關記憶體耗電量的專文，主要是告訴讀者如何挑選真正省電的記憶體，無奈之前缺乏寫作動機，一直沒有實際動筆完成。這次站長遇到的測試狀況，正好給了筆者寫作靈感，花了一些時間把文章完稿，這篇拙作筆者決定不放在雜誌，改為「贊助」本站與網友共享。這篇文章的文字也許比較多，如果各位網友能像閱讀雜誌一樣，慢慢地把本文看完，相信在這個主題上，會得到一些日後採購的參考性。

續航力關鍵：電池容量、整機耗電量

續航力與省電效果，一直以來都是筆記型電腦發展的重要課題之一。提昇續航力的最直接方法，當然是加裝容量更大的電池，假設出廠搭配的原廠電池只有4-cell（容量約29WH），那它的意思是在輸出功耗29W的環境下，能夠提供1小時使用時間。一般ThinkPad X系列在閒置與輕度文書處理時，耗電量大約是10、15W，透過換算可得知4-cell的實際續航力只有2、3小時。如果直接換成容量更高的6-cell電池（約58WH），或是9-cell電池（約87WH），續航力當然會再按比例提高。但換裝大容量電池並非毫無缺點，首先是更貴的取得成本，另一個是攜帶重量的增加，若電池不換，要提昇續航力只剩下降低耗電量這條路。

桌上型電腦根據筆者實際經驗，目前主流的Intel Sandy Bridge平台，它的耗電量已經可以壓得相當低，算是好幾年首見的省電平台。若以單主機不含螢幕的配置來測試，可以得到閒置只有30W，滿載大約是50W的耗電量，這已經是很漂亮的數字，如果跟筆電比較呢？其實筆者也很好奇這個問題，剛好手上有一些ThinkPad X系列的機器，於是挑出3台有代表性的機種，再統一搭配原廠90W變壓器，用變電家電表實際測量耗電量。

第1台是X60系列旗艦機種（1706-BW5），它搭載當時最高階的T7200處理器，特色就是很熱，實測閒置耗電量約19～21W，滿載耗電量可以飆到47W左右。第2台是X200s的旗艦機種（7469-RW9），它採用高價材質CFRP+GFRP的螢幕背蓋，算是X300系列下放的技術，讓整機重量只剩1.1KG，拜SL9300低電壓CPU之賜，實測閒置耗電量只有13～14W，滿載是29W左右。第3台是X220i的入門機種（4287-A13），它就沒什麼特點了，閒置是15W，滿載約36～37W左右。

由此可見，就算桌上型電腦再怎麼省電，還是遠遠追不上筆記型電腦。而且筆記型電腦的耗電量已經包含螢幕，如果再加上螢幕的數據，桌上型與筆記型電腦的耗電量會差更多。

▼這是一台沒有獨立顯示卡，Intel Sandy Bridge雙核心平台，記憶體4GBx2的桌上型電腦，它不論在閒置或滿載的狀況下，記憶體耗電量佔全系統的比重只有4、5%左右，幾乎是可以可以忽略的比例。

NB要省電，記憶體也是關鍵

拜科技所賜，現在筆記型電腦都採用為省電特化的零組件，像是耗電量更低的處理器與晶片組、螢幕面板、2.5吋硬碟與SSD等等，它們的耗電量都比桌上型零件還要低很多。雖然筆記型零件大多比桌上型還省電，但其中唯獨一項例外，那就是記憶體。有人可能會問，筆電使用的記憶體是體積比較小的SO-DIMM模組，它的耗電量怎麼可能沒比較省？事實上，不論是筆電或桌上型電腦使用的記憶體模組，它們都是共用一模一樣的記憶體顆粒（IC晶片），之間差異只是DRAM模組的電路板形狀，一個比較大，另一個比較小而已。

筆記型電腦在其他零組件「什麼都省」，唯獨記憶體「依然故我」的情況下，在整台電腦耗電量當中，記憶體佔的比例就被提高了。筆者根據自身的測試經驗與資料蒐集，分別從桌上型、與筆記型電腦的角度，試著分析各零組件的耗電量比例，結果就是以下幾張圖表。根據這些圖表顯示，記憶體耗電量在桌上型電腦當中，無論是系統閒置或滿載狀況下，佔的耗電量比例只有4、5%，幾乎是無關痛癢的數字。若是在筆記型電腦當中，記憶體將提高到20％上下，不但遠高於儲存（本例設定為SSD）的比例，甚至跟螢幕幾乎相等，可以說是決定續航力的重要因素之一。

▼這是一台沒有獨立顯示卡，Intel Sandy Bridge雙核心平台，記憶體4GBx2的筆記型電腦，它在閒置狀況下，記憶體耗電量佔全系統比重達到22%左右，就算是系統滿載也有15%。

▼接下來以閒置80%、滿載20%的比例為數字做加權，可以更貼近一般使用的實際狀況。記憶體耗電占整台電腦的比例，在桌上型電腦中只有4.79%，在筆記型電腦卻佔了20.83%。如果減少記憶體耗電量，桌上型電腦可能感覺不出節能效果，但在筆記型電腦上卻是續航力關鍵。

如果要省電，降壓、降頻選誰好？

現在有一顆電子晶片擺在你眼前，而且讓你自由調整它的運作時脈與電壓，那晶片的耗電量會有什麼變化呢？如果對電腦零組件有過一些研究，或是對超頻有一些概念的玩家，大多聽過一個耗電量計算公式：「實際耗電與時脈成正比，與電壓平方成正比。」如果你今天想要超頻，希望得到更高運算效能，那提高10%時脈，也會增加10%功耗。如果又再對晶片增加10%（1.1倍）的電壓，那對耗電量的影響則是1.1×1.1=1.21，相當於提高21%的功耗，可說是非常明顯。

反之亦然，如果想要減少電子晶片的耗電量，降低電壓的省電效果會比降低時脈明顯。如果你今天想減少耗電量至原本的80%，你可以選擇降低20%的運作時脈，或是降低10%的工作電壓。降低時脈對晶片而言比較簡單，但是會對效能帶來不良影響。不過降低電壓相當於一種反向超頻，只有體質比較好的晶片，降壓後還能維持一定穩定性，優點是你不必犧牲任何效能，就可以得到省電回饋。

因此，在DDR3記憶體的正式規範中，提出了兩個低電壓技術標準，分別是工作電壓1.35V的「DDR3L」，以及1.25V電壓的「DDR3U」。跟標準版DDR3 1.5V的工作電壓相比，DDR3L電壓正好低了10%，理論上可以將耗電量降低到原本的81％。或是先提高23%時脈之後，再靠著降低10％的電壓，兩者一來一往就抵銷了，最後還可以維持原本的耗電量，平白獲得額外效能。如果依照這個理論去計算，DDR3L-1600與DDR3-1333的耗電量其實都很接近，只是前者具備高出一截的效能。

▼如果把DDR3-1600的耗電量先訂為100，再依照「實際耗電與時脈成正比，與電壓平方成正比」的公式去計算，可以得到這些有趣數字。根據這些理論數字，DDR3-1333、DDR3L-1600、DDR3U-1866的耗電量都差不多，如果你現在是使用DDR3-1333，當有一天換成DDR3L-1600之後，你不一定會有更省電的感覺。

理論靠計算，實際看原廠文件

前面先提到理論與計算公式，也透過這個公式得到一些數據，但是實際上並不那麼簡單。就工作原理來說，DRAM像是無數個極小電容，運作中要適時地給予充電，通常是幾個時脈週期就得充電一次，如果沒有即時充電，就會導致電容喪失電力，造成儲存資料遺失。而DRAM的工作狀態除了充電以外，還有資料讀寫、閒置、待命與休眠等等，可以說有點複雜，也跟CPU與GPU這些邏輯計算晶片並不太一樣。也許前一段提到的理論公式，可以很完美適用在CPU與GPU身上，不過DRAM的工作原理不一樣，工作狀態也不單純，並不能完全一概而論。

要從官方管道得知耗電量資料，其實記憶體比CPU與GPU容易許多，只是閱讀數據需要一些門檻而已。如果是CPU或GPU的情況，原廠頂多只會給你TDP（熱設計功耗）數字，筆者不曉得已經看過幾次「TDP不等於實際耗電量」的相關爭辯了。而DRAM具體來說，你只要先到製造晶片的半導體廠商網站，例如Samsung、Hynix、Micron等等，尋找記憶體顆粒的datasheet（技術文件），再從內文找到「IDD Specification」或類似的字眼，就能得知記憶體在不同狀態下的官方耗電量數據。

▼到DRAM晶片製造商網站上，都可以找到DRAM顆粒的datasheet，內文會記載DRAM在不同狀態下的實際耗電量，算是「官方認證」比較有可靠性的數據。

如何看懂IDD數據

當你找到原廠提供的DRAM耗電量數據，馬上就會被搞昏頭，因為它不直接告訴你什麼才是工作滿載時，什麼才是閒置時的耗電量，只看到一大堆「IDD加數字」的東西。IDD是描述DRAM在不同工作狀態下的縮寫，基本上你可以找到IDD0、IDD1……直到IDD8的數據，通常DRAM的耗電量尖峰，會出現在IDD7或IDD5B的工作狀態。

既然IDD有這麼多種，哪一個才是DRAM工作滿載，哪一個才是閒置的狀態呢？一般而言，如果要計算DRAM工作時的滿載功耗，大約是最極端的尖峰狀態（IDD7或IDD5B）的50%，或是直接取IDD4R/W（IDD4讀寫）的數據。而DRAM閒置耗電量大概會落在IDD2N，而IDD3N則是閒置時最差狀況（worst case）的數字。

▼透過DRAM原廠datasheet中的IDD數據，我們可以計算出DRAM元件的耗電量，而且在不同DRAM晶片之間，數據也能互相比較。

▼IDD是描述DRAM在不同工作狀態下的縮寫，通常IDD4R/W代表讀寫時的狀態，而IDD3則是閒置狀態，通常DRAM的耗電量尖峰，會出現在IDD5或IDD7這兩個狀態當中。

電壓、時脈越低越省電

雖然前一段提到因為DRAM工作原理跟CPU、GPU都不一樣，不一定完全適用「實際耗電與時脈成正比，與電壓平方成正比」的公式，不過電壓越小、時脈越低越省電的大方向，仍然是不變的。Samsung K4B2G0846D是目前主流的DDR3顆粒，採用35nm半導體製程，單顆容量為2Gb（256MB），16顆可以組成單條4GB的記憶體模組，ThinkPad X220出廠配的原廠記憶體就是它，算是有代表性的一個顆粒。筆者實際查詢它的datasheet，並收集在不同速度、不同電壓下的官方耗電數據，畫成以下圖表。

這些數據都來自同一顆DRAM晶片，變數只有時脈與電壓兩種，類似同一顆CPU跑在不同時脈與不同電壓，所得到的不同耗電量。透過圖表我們可以得知，不論是1.5V的DDR3，或是1.35V的DDR3L規格，只要在相同電壓下，時脈越高就越耗電，越低則越省電，頂多在某些工作狀態下打平，沒有出現時脈較高，耗電量反而較低的相反現象。如果固定運作時脈，電壓較低的DDR3L也一定比DDR3還省電，都符合先前預期，得到沒有爭議的結果。

前面公式計算結果顯示，從理論上來說DDR3L-1600的耗電量跟DDR3-1333差不多。不過根據這些原廠提供的實際數據，DDR3L-1600的耗電量曲線其實比DDR3-1333還低一些，就是比較省電的意思，大概比較接近DDR3-1066的耗電量水準。不過這些數據只適用於Samsung K4B2G0846D這顆晶片，如果換成其他製程或其他廠商的DRAM顆粒，結果可能又會不一樣，沒辦法就此斷定「DDR3L-1600跟DDR3-1066一樣省電」，還是要以實際資料為主。

▼這些耗電量數據都來自同一顆DRAM晶片，變數只有時脈或電壓，類似同一顆CPU跑在不同時脈，與不同電壓的結果。可以得知在其他條件都固定時，1.35V的DDR3L會比1.5V的DDR3還要省電，而且時脈越低也越省電。（點選看大圖）

半導體製程，越先進越省電

如果排除掉晶片設計失誤，或新製程微調尚未成熟的干擾因素，半導體製程越先進，則晶片會越省電，應該已經成為全民共識與定律了。最主要的原因就是，當一顆電晶體數量與設計架構都相同的晶片，如果半導體製程越細，所生產出的晶片面積也會越小，直接帶來減少發熱面積的效果，耗電量也會跟著降低了。即使DRAM的工作原理跟CPU、GPU都不太一樣，不過仍然適用這個定律，多半耗電量會隨著製程演進而降低。

以Samsung的DDR3記憶體當例子，它在DDR3 2Gb容量的晶片當中，總共用了4種半導體製程，分別從最早期的56nm進化到下一代的46nm，再演進到目前主流的35nm製程。從圖表可以清楚看出，在這3段半導體製程更新後，晶片耗電量都明顯往下降。最新28nm製程已經箭在弦上，現在已開始少量出貨，除了IDD7與IDD5B狀態的耗電量比35nm還要高以外，其他狀態也是比35nm還省電一些（雖然幅度沒有很多）。那為什麼28nm晶片的耗電量，唯獨在IDD7與IDD5B狀態會飆高，目前還無法得知。不過之前有傳出Samsung與GF（Global Foundries）合作開發28nm製程的新聞，筆者不負責任猜測，因為加入GF的半導體製程技術，讓28nm的晶片特性跟上一代35nm不太一樣，也是一個可能性。

▼就算是同一廠商，時脈、電壓、與容量規格都相同的DRAM晶片，在不同的半導體製程下，實際耗電量也有很大差距。（點選看大圖）

晶片總數，越少越省電

如果你的筆記型電腦想安裝總容量4GB記憶體，大概有2種選擇：裝滿2條2GB模組，或是只裝1條4GB模組，不過後者會比前者省電很多，你相信嗎？其實在上一段圖表當中，細心讀者可能會注意到這個現象：同樣在35nm的製程下，單顆4Gb晶片的容量比2Gb還要大一倍，理論上耗電量也要多一倍才合理，那為什麼實際上只多了20%至25%呢？

事實上這就是DRAM的特性之一，使用適當的半導體製程製造，而且其他條件都固定，DRAM晶片的容量越大、密度越高，它的電力效率就越好。所以我們可以反過來說，在相同總容量的前提下，安裝在系統中的DRAM晶片總數越少，電力消耗就越低。雖然這個現象對有些人來說很不可思議，不過在本篇文章的主題當中，這算是重要的關鍵之一。

舉例來說，現在要安裝4GB DDR3記憶體，你可以選擇32顆1Gb容量的晶片（2條2GB模組），或是16顆2Gb容量（1條4GB模組，共16顆晶片），或是8顆4Gb容量（1條4GB模組，共8顆晶片）的配置。即使它們都是Samsung在35nm半導體製程下的產品，但是就總耗電量來說，使用8顆4Gb晶片的數字最低，大概只有16顆2Gb晶片的60%至70%。如果總容量再往上提昇到8GB，安裝1條8GB模組，當然會比2條4GB模組還省電。

如果排除掉DRAM本身的耗電量因素，系統在安裝2條記憶體後，可以啟用雙通道傳輸模式。其實在晶片組（記憶體控制器）的原廠datasheet當中，也提到系統在啟用雙通道模式後，會增加晶片組的負擔，它的耗電量也會比單通道模式多一些。

▼在相同製程、相同時脈電壓、相同總容量的前提下，安裝在系統中的DRAM晶片總數越少，電力消耗就越低。（點選看大圖）

氣溫10度至20度，最省電

雖然很少人聽過或是實際體會過，但根據筆者測試CPU的個人經驗，當CPU在散熱不良、溫度飆高的狀態下，耗電量也會跟著明顯上升。其實記憶體也是如此，它也有電力效率最佳的工作溫度，根據Micron提供的官方資料可以得知，當記憶體在氣溫攝氏10度至20度的環境下工作，實際的消耗電流最低。具體而言，記憶體在4-Bank的IDD7狀態下，氣溫10度至20度的消耗電流只有125uA左右，若是稍微提高到25度，也才微幅上升到130uA左右。

但是當氣溫提高到60度，稍微超過一般筆記型電腦的機內溫度以後，耗電量就明顯爬升到260uA，比25度時整整多出一倍，氣溫差35度就多一倍耗電量，當然非常驚人。若氣溫繼續再往上增加到80度，耗電量又會比60度再暴增61%，達到420uA的失控水準。好在一般筆記型電腦不會到達這麼熱的溫度，除非散熱系統出現嚴重故障才可能。這種環境溫度提高，造成記憶體耗電量一倍又一倍的增加方式，比不同電壓、製程、時脈等其他因素的影響，都還要明顯許多，也是筆者覺得最重要的關鍵。

但是筆記型電腦機內的散熱，主要還是取決於廠商的設計，使用者在這部份其實無能為力。如果廠商在設計時有注意到這些散熱的眉眉角角，相信對續航力也會有一定幫助。其實我們細心觀察可以發現，在大多數筆記型電腦設計當中，記憶體模組區塊的位置，多半都遠離CPU核心熱點，而且週邊都沒有明顯發熱源，基本上溫度不會飆到太高，不需要太過於煩惱。

▼根據Micron提供的圖表可以得知，當記憶體在氣溫攝氏10度至20度的環境下工作，實際的消耗電流最低。之後無論溫度提高或是降低，耗電量都會跟著攀升，特別是在高溫狀態下特別明顯。

先查資料再去買，最省電

這次站長跟筆者抱怨的重點就是，Micron DDR3L-1600的續航力竟然比Hynix DDR3-1600還要差，不但完全不能理解，甚至有被詐騙的感覺。筆者就此對症下藥，找出目前主流DDR3晶片的原廠耗電量數據，看看到底是晶片不好還是人品不好。

首先我們來看看最關鍵的兩顆晶片，Micron DDR3L-1600模組是採用D9PFJ顆粒，預設工作電壓1.35V，而Hynix DDR3-1600是H5TQ2G83BFR顆粒，預設電壓是標準的1.5V，它也是出名的超頻顆粒。再請讀者注意下面的圖表，不論在各個項目中，Micron低電壓顆粒的橘色線，總是比深綠色的Hynix還要耗電。從原廠文件中的數據可以得知，即使D9PFJ顆粒的工作電壓是1.35V，但是它的實際耗電量卻不低，甚至比它廠1.5V的標準顆粒還要耗電。剛好站長的實測步驟很嚴謹精確，讓它完全反應在測試結果上。

從圖表可以再看出，目前最省電的顆粒是Samsung K4B2G0846D，它正好是ThinkPad X220出廠原配記憶體的「御用」顆粒。我們總是以為原廠配的零件是雞肋，沒想到X220一出廠就配了一支最省電的記憶體，看來不能隨便虧待它了。第二省電的應該是Hynix H5TQ2G83CFR顆粒，它也是韓系廠商的產品，比站長測過的H5TQ2G83BFR新了一個世代。而日系Elpida顆粒正好在眾廠商的平均值當中，不算省電也不算耗電。

既然不同廠商之間的晶片設計，以及不同製程做出來的產品，影響耗電量的幅度竟然比表面規格還大，那我們還能參考這些資訊挑選記憶體產品嗎？筆者認為DDR3與DDR3L的標準還是可以參考，但是對極度計較記憶體耗電量的朋友來說，建議你還是先查完各家記憶體原廠datasheet，找出實際耗電量資料後，再決定下手目標，並同時搭配其他的節電要素使用，才能保證最省電。

▼在目前市售常見的DDR3記憶體當中，淺藍色的Samsung K4B2G0846D是最省電顆粒，淺綠色的Hynix H5TQ2G83CFR次之，紫色的日系Elpida顆粒正好居於中間平均值。表現最差的則是紅色的Micron D9PQZ與橘色D9PFJ，尤其是電壓1.35V的D9PFJ，實際耗電量竟然比它廠1.5V的標準顆粒還高。（點選看大圖）

記憶體要省電，各處都是關鍵

如果從短期來看，DDR3記憶體不論是2Gb、4Gb顆粒，耗電量仍然是韓廠Samsung、Hynix較占優勢。雖然上面沒有列出，但目前表現最差的是台系Nanya顆粒，美系的Micron則次之。Nanya DDR3 4Gb顆粒在IDD7尖峰狀態下，消耗電流達到330mA，就算是IDD4讀寫也有280mA，都是相當不理想的數字，不推薦用在筆記型電腦上。

從以上分析可以得知，決定記憶體實際耗電量的因素並不少，而且彼此之間又會交互影響，沒辦法單單用一個條件就去推估、概括。要是你真的糾結於此，想找目前最省電的記憶體，先查看DRAM原廠的datasheet（技術文件），鎖定特定顆粒型號後再設法去尋找，似乎是沒有捷徑的不二法門。如果不想要這麼麻煩，盡可能買單條大容量的模組，或是直接買當季新品，都可以避免買到製程較舊、較耗電的顆粒。如果目標是較舊的中古品，除非已經查到資料，確定這是你要找的顆粒，而且是原廠純正模組，這時候才值得評估是否購買，否則一般來說並不推薦購買二手品。