电巢：人人都离不开的DRAM技术介绍_dram参数

前  言

存储器应用于我们生活中的方方面面。手机或者电脑上标识的8G/128G/256G，这个G指的就是内存。但凡需要一点点信息处理能力、里面有个小CPU的电子产品，比如家里的电视、机顶盒、智能电冰箱、智能空调、扫地机器人等等，内存都是必不可少的东西。

内存芯片，对于电子产业，就像粮食一样不可或缺。今天所有的内存，除了少数容量很低的场景，都使用了同一种技术，这就是DRAM。

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存储器简介

存储器是指利用磁性材料或半导体等材料作为介质进行信息存储的器件，半导体存储器利用半导体介质贮存电荷以实现信息存储，存储与读取过程体现为电荷的贮存或释放，半导体存储是集成电路的重要分支。

图1：各存储器的比较

存储器中最重要的是半导体存储器，它指的是用半导体器件组成的存储器。最常见的半导体存储器就是U盘了，U盘内集成的是Flash芯片，存储介质为半导体。

存储芯片就是存储器的一种，也是电子信息领域的重大战略性支柱产品，是应用面最广、市场比例最高的集成电路基础性产品之一。对电子产品来说，存储芯片就像粮食一样不可或缺。它与数据相伴而生，哪里有数据，哪里就会需要存储芯片。随着大数据、物联网、人工智能、智慧产业等新兴产业的发展，存储产业的重要性与日俱增。我们这里着重讨论一种存储芯片-DRAM。

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DRAM介绍

1. DRAM的概念

DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器）是一种半导体存储器，主要的作用原理是利用电容内存储电荷的多寡来代表一个二进制比特（bit）是1或者0。DRAM根据应用设备的性质，可分为计算机（DDR）、移动（LPDDR）、图形存储器DRAM（GDDR）。按照应用类型，DDR又可以划分为PC端、服务器端、以及消费端，内存密度和传输速率为核心参数。其中LPDDR主要应用于手机端，功耗指标至关重要；GDDR主要应用于显卡等图像处理场景。

正如名称 DRAM 或动态随机存取存储器所暗示的那样，这种形式的存储器技术是一种随机存取存储器。它将每一位数据存储在存储单元内的一个小电容器上。电容器可以充电或放电，这就为电池提供了“1”或“0”两种状态。

图2：DRAM存储元的工作原理

2.DRAM的发展历史

1942年，世界上第一台电子数字计算机阿塔纳索夫-贝瑞计算机诞生，使用再生电容磁鼓存储器存储数据。

图3：阿塔纳索夫-贝瑞计算机

1946年，随机存取存储器（RAM）问世，静电记忆管能在真空管内使用静电荷存储大约4000字节数据。

1947年，延迟线存储器被用于改良雷达声波。延迟线存储器是一种可以重刷新的存储器，仅能顺序存取 。同年磁芯存储器诞生，这是随机存取存储器（RAM）的早期版本。

1951年，磁带首次被用于计算机上存储数据，在UNIVAC计算机上作为主要的I/O设备，称为UNIVACO ，这就是商用计算机史上的第一台磁带机。

1956年，世界上第一个硬盘驱动器出现在了IBM的RAMAC 305计算机中，标志着磁盘存储时代的开始。该计算机是第一台提供随机存取数据的计算机，同时还使用了磁鼓和磁芯存储器。

1965年，美国物理学家Russell发明了只读式光盘存储器（CD-ROM），1966年提交了专利申请。1982 年，索尼和飞利浦公司发布了世界上第一部商用CD音频播放器CDP-101，光盘开始普及。

1966年，DRAM被发明。IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard发明了动态随机存取 存储器（DRAM），并于1968年申请了专利。

1970年，Intel公司推出第一款商用DRAM芯片Intel 1103，彻底颠覆了磁存储技术。DRAM的出现解决了磁芯存储器体积庞大，运行速度慢，存储密度低及能耗较高等问题。

图4：Intel 1103

3.DRAM的分类

DRAM主要可以分为DDR（Double Data Rate）系列、LPDDR（Low Power Double Data Rate）系列和GDDR（Graphics Double Data Rate）系列、HBM系列。

DDR是内存模块中使输出增加一倍的技术，是目前主流的内存技术。LPDDR具有低功耗的特性，主要应用于便携设备。GDDR一般会匹配使用高性能显卡共同使用，适用于具有高带宽图形计算的领域。云计算、大数据的兴起，服务器的数据容量和处理速度在不断提高，推动了DDR技术的升级 迭代，目前DDR5已投入商业使用，一些厂家开始了DDR6的研发，GDDR6是目前最新六代技术的显存，相比目前主流的GDDR5更先进，频率更高，更有利于提升显卡性能。

图5：GDDR6

4.工作原理

DRAM在存储数据的过程中需要对于存储的信息不停的刷新。

图6：DRAM内部结构

图7：DRAM实物模组

4.1 多路寻址技术

最早、最简单也是最重要的一款DRAM 芯片是Intel 在1979 年发布的2188，这款芯片是16Kx1 DRAM 18 线DIP 封装。“16K x 1”的部分意思告诉我们这款芯片可以存储16384个bit 数据，在同一个时期可以同时进行1bit 的读取或者写入操作。

图8：管脚配置

DRAM 通过DRAM 接口把地址一分为二，然后利用两个连续的时钟周期传输地址数据。这样就达到了使用一半的针脚实现同SRAM 同样的功能的目的，这种技术被称为多路技术（multiplexing）。

图9：DRAM 芯片内部结构示意图

4.2 DRAM的读取过程和各种延时

图10：DRAM延时示意图

1)通过地址总线将行地址传输到地址引脚

2)/RAS 引脚被激活，这样行地址被放入到行地址选通电路中

3) 行地址解码器（ Row Address Decoder）选择正确的行然后送到传感放大器（ sense amps）

4)/WE 引脚被确定不被激活，所以DRAM 知道它不会进行写入操作

5)列地址通过地址总线传输到地址引脚

6)/CAS 引脚被激活，这样列地址被放入到列地址选通电路中

7)/CAS 引脚同样还具有/OE 引脚的功能，所以这个时候Dout 引脚知道需要向外输出数据。

其实DRAM 的写入的过程和读取过程是基本一样的，只要把第4 步改为/WE 引脚被激活就可以了。

在内存的读取过程中，需要我们考虑的有两个主要类型的延迟。第一类的是连续的DRAM 读操作之间的延迟。内存不可能在进行完一个读取操作之后就立刻进行第两个读取操作，因为DRAM 的读取操作包括电容器的充电和放电另外还包括把信号传送出去的时间，所以在两个读取操作中间至少留出足够的时间让内存进行这些方面的操作。

5.DRAM技术难在什么地方？

5.1 密度难度

DRAM的难度，首先就是密度问题。通过什么样的方式才能把这么多的存储单元挤在一个小晶片上呢？DRAM现在最先进的工艺大约是17纳米，而DRAM芯片上晶体管的密度，比7纳米逻辑芯片还要高。7纳米的逻辑工艺是使用极紫外（EUV）光刻机制造的，而DRAM是使用上一代深紫外（DUV）光刻机开发出来的，做到更高晶体管密度的难度可想而知。

存储芯片做到同样密度的难度比逻辑芯片小。因为存储芯片的光刻图案是千篇一律的方格子，逻辑芯片图案必须根据电路的需要千变万化。存储芯片中如果有极少数单元做坏了，还有办法替换；逻辑芯片基本上就不可能了。

另外，逻辑计算芯片在器件小型化时会产生更多的难题，它还必须保证很高的开关速度。所以为确保逻辑芯片生产工艺在14纳米以下，人们发明了FINFET以及GAA这些技术。而这两种集成电路的生产工艺早已分化，需要完全不同的产线。大部分能够制造逻辑芯片的公司是不懂得生产DRAM的。如今也只有三星一家公司，这两种工艺都做得很好。

5.2 制造出先进电容器的难度

做出DRAM中的晶体管难，做出那个电容器就更难了。电容器是两片导体中夹着一层绝缘材料（或者叫电介质），电容的大小正比于导体的面积。在存储器件小型化的情况下，每一个电容占晶片的面积已经很小了。但如果制造出的电容太小，电荷就会过早泄露掉，或者读取时信号太弱而发生错误，所以电容必须在垂直方向发展以取得更大的面积。目前DRAM的电容器有两类，一类是在晶圆上钻一个深井，更多的是在晶体管上面做一层桶形结构。

一个内存芯片中上的百亿比特中哪怕出了一个比特的错误，轻则产生不正确的计算结果，重则导致电子器件的死机、重启。每一个DRAM存储单元，都要求读写一亿亿次（10的16次方）不出错。

5.3 制造成本费用

做到高密度、高可靠性的同时，还必须低成本。成本是芯片公司的核心竞争力，关乎存亡。电路设计和生产工艺必须做到最优，产品良率必须高。制造成本费用符合企业预算也需要被考虑进来。

03 

DRAM技术

现如今，DRAM的技术发展路径是以微缩制程来提高存储密度。制程工艺进入20nm之后，制造难度大幅提升，DRAM芯片厂商对工艺的定义从具体的线宽转变为在具体制程范围内提升二或三代技术来提高存储密度。目前市场上DRAM的应用较为广泛的是2xnm和1xnm，三星、美光、海力士等龙头厂商均已开发出1znm制程的DRAM。中国DRAM技术比较落后，目前还停留在1xnm制程。

由于NAND芯片制程已经达到极限，芯片技术趋势逐步从2D转向3D，通过增加芯片堆叠层数获得更大容量。目前，三星、海力士、美光的3D NAND技术均已达到128L，长江存储仅达到64L。目前中国在存储芯片技术上仍和国际头部企业有较大差距。

日前美光宣布，已经向特定的智能手机制造商和芯片组合作伙伴运送其1β（1-beta）工艺节点生产的DRAM芯片样品。这是世界上最先进的DRAM技术，并已做好了批量生产的准备。

美光表示，将在LPDDR5X内存上采用新的工艺技术，提供最高的8.5 Gbps速率。1β工艺节点在性能、位密度和电源效率方面提供了显著的收益，而且还能降低DRAM成本，这将带来广泛的市场优势。除了移动设备外，1β工艺节点还将提供低延迟、低功耗、高性能的DRAM，从智能车辆到数据中心的应用场景中都会受益。

图11：世界上最先进的DRAM

来源：美光科技

图12：美光1βLPDDR5X：DRAM性能、密度和效率

来源：美光科技

根据观研报告网发布的《中国DRAM行业现状深度研究与投资前景分析报告（2022-2029年）》显示，目前DRAM 为存储市场中出货量及销售额最高的产品。与 SRAM 相比，DRAM 具备读写速度快的特性，相较于具有存储量大、单成本低的优势。DRAM 主要用于内存条，内存条是 CPU 与硬盘之间的桥梁，起到数据暂存的作用， 提升了 CPU 的运算速度。

图13：FLASH VS DRAM

资料来源：观研天下数据中心整理

DRAM内存是内存技术的基石之一，广泛用于多种形式的基于处理器的设备中。DRAM 允许组装相当快速和密集的内存，这适用于这些处理器和基于计算机的设备中的工作内存。缪目前DRAM 技术（连同其他存储器技术）正在不断发展以满足新设备日益苛刻的要求。DRAM行业的上游是晶圆制造商以及封装测试厂商，行业下游为智能手机、个人 PC、服务器等众多终端应用行业。

图14：DRAM行业产业链

资料来源：观研天下数据中心整理

DRAM最大的市场是在终端和云端。终端就是人们使用的产品如智能手机，而当人们用手机打开微博、微信、抖音等服务时，它就需要连接到云端的服务器，那里也需要大量的DRAM。至于原来驱动DRAM发展的笔记本电脑，今天已经退居到第三位了。

当前我国专注于DRAM存储芯片的共有三家公司：紫光南京、福建晋华、合肥长鑫。其中，紫光南京产品线覆盖标准SDR，DDR，DDR2，DDR3，DDR4和低功耗系列LPDDR2，LPDDR4，量产环节主要由力晶半导体完成，其自身尚无自产能力。而放眼全球，最有竞争力的就是三星电子、海力士和美光科技了。

图15：全球主要DRAM原厂市场份额占比情况

数据来源：Omdia、中商产业研究院整理

传统DRAM的电容都是使用“氧化矽”做为绝缘体，氧化矽的介电常数不够大（K 值不够大），因此不容易吸引（储存）电子与电洞，这使得其内部必须不停地补充电子与电洞，所以称为“动态”，只要电脑的电源关闭，电容所储存的电子与电洞就会流失，DRAM 所储存的资料也就会流失。目前业界普遍使用的是钛锆酸铅”（PZT）或“钽铋酸锶”（SBT）这种介电常数很大（K 值很大）的“铁电材料”（Ferroelectric material）来取代氧化矽，这种“非易失性”的存储器称为“铁电随机存取存储器”（Ferroelectric RAM，FRAM）。

图16：铁电随机存储器

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DRAM的未来

EUV光刻机解决的仅仅是眼下的难题，面对当下的瓶颈，DRAM厂商的长远命题是材料和架构的突破。DRAM是基于一个晶体管和一个电容器的存储单元。其扩展是在一个平面上，将每个存储单元像拼图一样拼接起来。于是3D DRAM的概念就应运而生了，它是一种将存储单元堆叠至逻辑单元上方，以实现在单位晶圆面积上产出更多产量的新型存储方式。除了晶圆的裸晶产出量增加外，使用3D堆叠技术也能因为可重复使用储存电容而有效降低 DRAM的单位成本。

NAND闪存技术率先实现了三维突破，存储单元可以有很多层，从而让存储容量快速增长。现在已经超过200层了，而DRAM仍然在试图让一层晶体管变得更拥挤。3D-NAND的发明得益于多晶硅的晶体管技术，DRAM和逻辑电路一样使用单晶硅晶体管。可惜多晶硅材料的载流子速度太慢，只能用在慢速的闪存芯片上。

图17：为什么选择3D 超级DRAM

来源：BeSang

PCRAM是首先实现3D突破的新兴存储器技术，这得益于英特尔公司开发的新材料，他们把这种技术命名为3DXPoint，后来又使用了Octane的商标。但很可惜，材料的特性决定了这种技术无法取代DRAM。并且，在大力宣传和多年投入后，英特尔似乎要放弃这种技术了。

3D-DRAM仍然是目前热门的研究课题。以氧化铟镓锌为代表的第四代半导体进入了人们的视野。这种材料有可能用来制成多层晶体管，并且速度够快而漏电极低，很适合DRAM中的角色。

图18：3D 超级DRAM

来源：BeSang

在下图中，我们可以看到逻辑工艺的接触式多晶硅间距 (contacted poly pitch：CPP) 如何随着时间的推移而扩展。在平面时代，我们看到了英特尔在 45nm 和代工厂推出的 28nm 高 k 金属栅极 (HKMG) 以及嵌入式硅锗 (eSiGe) 等创新技术，以通过应变提高沟道性能。

FinFET 由英特尔在 22nm 推出，并在 14/16nm 被代工厂采用，并在多个节点上推动了行业向前发展。三星目前正试图通过他们称为多桥的水平纳米片 (HNS) 引领行业进入GAA时代，而 HNS 应该为行业带来至少两个节点。在2nm 以后，三星预计 3D 堆叠 FET（其他人称为 CFET 或 3D FET）、IBM 和三星最近披露的 VFET、2D 材料或负电容 FET (NCFET) 中的一种或多种技术会成为候选。

图19：DRAM逻辑路线图

据介绍，随着 EUV 在 DRAM 中的应用，下一个挑战是缩小存储单元。三星预计很快将投入两层电容器。预计在本世纪后期将转向垂直存取晶体管，随后是 3D DRAM。

图20：DRAM 路线图

业界近年也开始在无电容技术方面下功夫，试图借此解决目前的技术瓶颈。关于无电容，早有Dynamic Flash Memory、VLT技术、Z-RAM等技术出现，但日前，美国和比利时的独立研究小组IMEC在2021 IEDM上展示了一款全新的无电容器DRAM，这种新型的DRAM基于IGZO（indium-gallium-zinc-oxide）可以完全兼容300mm BEOL （back-end-of-line），并具有>103s保留和无限 (>1011) 耐久性。

总  结

DRAM存储器是计算机、手机等产品的重要组成部分，也是数字基础设施不可或缺的“零件”。目前，国内DRAM存储器已经基本解决了有无的问题。下一步，要解决就是良品率提升的问题，以及产能爬坡问题。

全球前十大晶圆代工厂中，中国大陆地区厂商占据三家，中芯国际、华虹半导体、晶合集成分别占据第五、第六、第十位。对于提升DRAM技术，提升性能降低功耗是不变的宗旨，并且在融资能力、产业链配套及人才梯队等方面，希望在未来能有一家中国企业如同三星、美光一样，进入全球顶尖半导体行业中。

附：国产存储器厂家