前??言

存儲器應用于我們生活中的方方面面。手機或者電腦上標識的8G/128G/256G，這個G指的就是內(nèi)存。但凡需要一點點信息處理能力、里面有個小CPU的電子產(chǎn)品，比如家里的電視、機頂盒、智能電冰箱、智能空調(diào)、掃地機器人等等，內(nèi)存都是必不可少的東西。

內(nèi)存芯片，對于電子產(chǎn)業(yè)，就像糧食一樣不可或缺。今天所有的內(nèi)存，除了少數(shù)容量很低的場景，都使用了同一種技術(shù)，這就是DRAM。

01?

存儲器簡介

存儲器是指利用磁性材料或半導體等材料作為介質(zhì)進行信息存儲的器件，半導體存儲器利用半導體介質(zhì)貯存電荷以實現(xiàn)信息存儲，存儲與讀取過程體現(xiàn)為電荷的貯存或釋放，半導體存儲是集成電路的重要分支。

圖1：各存儲器的比較

存儲器中最重要的是半導體存儲器，它指的是用半導體器件組成的存儲器。最常見的半導體存儲器就是U盤了，U盤內(nèi)集成的是Flash芯片，存儲介質(zhì)為半導體。

存儲芯片就是存儲器的一種，也是電子信息領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)品，是應用面最廣、市場比例最高的集成電路基礎(chǔ)性產(chǎn)品之一。對電子產(chǎn)品來說，存儲芯片就像糧食一樣不可或缺。它與數(shù)據(jù)相伴而生，哪里有數(shù)據(jù)，哪里就會需要存儲芯片。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智慧產(chǎn)業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，存儲產(chǎn)業(yè)的重要性與日俱增。我們這里著重討論一種存儲芯片-DRAM。

02?

DRAM介紹

1. DRAM的概念

DRAM（Dynamic Random Access Memory，動態(tài)隨機存取存儲器）是一種半導體存儲器，主要的作用原理是利用電容內(nèi)存儲電荷的多寡來代表一個二進制比特（bit）是1或者0。DRAM根據(jù)應用設(shè)備的性質(zhì)，可分為計算機（DDR）、移動（LPDDR）、圖形存儲器DRAM（GDDR）。按照應用類型，DDR又可以劃分為PC端、服務(wù)器端、以及消費端，內(nèi)存密度和傳輸速率為核心參數(shù)。其中LPDDR主要應用于手機端，功耗指標至關(guān)重要；GDDR主要應用于顯卡等圖像處理場景。

正如名稱 DRAM 或動態(tài)隨機存取存儲器所暗示的那樣，這種形式的存儲器技術(shù)是一種隨機存取存儲器。它將每一位數(shù)據(jù)存儲在存儲單元內(nèi)的一個小電容器上。電容器可以充電或放電，這就為電池提供了“1”或“0”兩種狀態(tài)。

圖2：DRAM存儲元的工作原理

2.DRAM的發(fā)展歷史

1942年，世界上第一臺電子數(shù)字計算機阿塔納索夫-貝瑞計算機誕生，使用再生電容磁鼓存儲器存儲數(shù)據(jù)。

圖3：阿塔納索夫-貝瑞計算機

1946年，隨機存取存儲器（RAM）問世，靜電記憶管能在真空管內(nèi)使用靜電荷存儲大約4000字節(jié)數(shù)據(jù)。

1947年，延遲線存儲器被用于改良雷達聲波。延遲線存儲器是一種可以重刷新的存儲器，僅能順序存取 。同年磁芯存儲器誕生，這是隨機存取存儲器（RAM）的早期版本。

1951年，磁帶首次被用于計算機上存儲數(shù)據(jù)，在UNIVAC計算機上作為主要的I/O設(shè)備，稱為UNIVACO ，這就是商用計算機史上的第一臺磁帶機。

1956年，世界上第一個硬盤驅(qū)動器出現(xiàn)在了IBM的RAMAC 305計算機中，標志著磁盤存儲時代的開始。該計算機是第一臺提供隨機存取數(shù)據(jù)的計算機，同時還使用了磁鼓和磁芯存儲器。

1965年，美國物理學家Russell發(fā)明了只讀式光盤存儲器（CD-ROM），1966年提交了專利申請。1982 年，索尼和飛利浦公司發(fā)布了世界上第一部商用CD音頻播放器CDP-101，光盤開始普及。

1966年，DRAM被發(fā)明。IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard發(fā)明了動態(tài)隨機存取 存儲器（DRAM），并于1968年申請了專利。

1970年，Intel公司推出第一款商用DRAM芯片Intel 1103，徹底顛覆了磁存儲技術(shù)。DRAM的出現(xiàn)解決了磁芯存儲器體積龐大，運行速度慢，存儲密度低及能耗較高等問題。

圖4：Intel 1103

3.DRAM的分類

DRAM主要可以分為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是內(nèi)存模塊中使輸出增加一倍的技術(shù)，是目前主流的內(nèi)存技術(shù)。LPDDR具有低功耗的特性，主要應用于便攜設(shè)備。GDDR一般會匹配使用高性能顯卡共同使用，適用于具有高帶寬圖形計算的領(lǐng)域。云計算、大數(shù)據(jù)的興起，服務(wù)器的數(shù)據(jù)容量和處理速度在不斷提高，推動了DDR技術(shù)的升級 迭代，目前DDR5已投入商業(yè)使用，一些廠家開始了DDR6的研發(fā)，GDDR6是目前最新六代技術(shù)的顯存，相比目前主流的GDDR5更先進，頻率更高，更有利于提升顯卡性能。

圖5：GDDR6

4.工作原理

DRAM在存儲數(shù)據(jù)的過程中需要對于存儲的信息不停的刷新。

圖6：DRAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7：DRAM實物模組

4.1 多路尋址技術(shù)

最早、最簡單也是最重要的一款DRAM 芯片是Intel 在1979 年發(fā)布的2188，這款芯片是16Kx1 DRAM 18 線DIP 封裝。“16K x 1”的部分意思告訴我們這款芯片可以存儲16384個bit 數(shù)據(jù)，在同一個時期可以同時進行1bit 的讀取或者寫入操作。

圖8：管腳配置

DRAM 通過DRAM 接口把地址一分為二，然后利用兩個連續(xù)的時鐘周期傳輸?shù)刂窋?shù)據(jù)。這樣就達到了使用一半的針腳實現(xiàn)同SRAM 同樣的功能的目的，這種技術(shù)被稱為多路技術(shù)（multiplexing）。

圖9：DRAM 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 DRAM的讀取過程和各種延時

圖10：DRAM延時示意圖

1)通過地址總線將行地址傳輸?shù)降刂芬_

2)/RAS 引腳被激活，這樣行地址被放入到行地址選通電路中

3) 行地址解碼器（ Row Address Decoder）選擇正確的行然后送到傳感放大器（ sense amps）

4)/WE 引腳被確定不被激活，所以DRAM 知道它不會進行寫入操作

5)列地址通過地址總線傳輸?shù)降刂芬_

6)/CAS 引腳被激活，這樣列地址被放入到列地址選通電路中

7)/CAS 引腳同樣還具有/OE 引腳的功能，所以這個時候Dout 引腳知道需要向外輸出數(shù)據(jù)。

其實DRAM 的寫入的過程和讀取過程是基本一樣的，只要把第4 步改為/WE 引腳被激活就可以了。

在內(nèi)存的讀取過程中，需要我們考慮的有兩個主要類型的延遲。第一類的是連續(xù)的DRAM 讀操作之間的延遲。內(nèi)存不可能在進行完一個讀取操作之后就立刻進行第兩個讀取操作，因為DRAM 的讀取操作包括電容器的充電和放電另外還包括把信號傳送出去的時間，所以在兩個讀取操作中間至少留出足夠的時間讓內(nèi)存進行這些方面的操作。

5.DRAM技術(shù)難在什么地方？

5.1 密度難度

DRAM的難度，首先就是密度問題。通過什么樣的方式才能把這么多的存儲單元擠在一個小晶片上呢？DRAM現(xiàn)在最先進的工藝大約是17納米，而DRAM芯片上晶體管的密度，比7納米邏輯芯片還要高。7納米的邏輯工藝是使用極紫外（EUV）光刻機制造的，而DRAM是使用上一代深紫外（DUV）光刻機開發(fā)出來的，做到更高晶體管密度的難度可想而知。

存儲芯片做到同樣密度的難度比邏輯芯片小。因為存儲芯片的光刻圖案是千篇一律的方格子，邏輯芯片圖案必須根據(jù)電路的需要千變?nèi)f化。存儲芯片中如果有極少數(shù)單元做壞了，還有辦法替換；邏輯芯片基本上就不可能了。

另外，邏輯計算芯片在器件小型化時會產(chǎn)生更多的難題，它還必須保證很高的開關(guān)速度。所以為確保邏輯芯片生產(chǎn)工藝在14納米以下，人們發(fā)明了FINFET以及GAA這些技術(shù)。而這兩種集成電路的生產(chǎn)工藝早已分化，需要完全不同的產(chǎn)線。大部分能夠制造邏輯芯片的公司是不懂得生產(chǎn)DRAM的。如今也只有三星一家公司，這兩種工藝都做得很好。

5.2 制造出先進電容器的難度

做出DRAM中的晶體管難，做出那個電容器就更難了。電容器是兩片導體中夾著一層絕緣材料（或者叫電介質(zhì)），電容的大小正比于導體的面積。在存儲器件小型化的情況下，每一個電容占晶片的面積已經(jīng)很小了。但如果制造出的電容太小，電荷就會過早泄露掉，或者讀取時信號太弱而發(fā)生錯誤，所以電容必須在垂直方向發(fā)展以取得更大的面積。目前DRAM的電容器有兩類，一類是在晶圓上鉆一個深井，更多的是在晶體管上面做一層桶形結(jié)構(gòu)。

一個內(nèi)存芯片中上的百億比特中哪怕出了一個比特的錯誤，輕則產(chǎn)生不正確的計算結(jié)果，重則導致電子器件的死機、重啟。每一個DRAM存儲單元，都要求讀寫一億億次（10的16次方）不出錯。

5.3 制造成本費用

做到高密度、高可靠性的同時，還必須低成本。成本是芯片公司的核心競爭力，關(guān)乎存亡。電路設(shè)計和生產(chǎn)工藝必須做到最優(yōu)，產(chǎn)品良率必須高。制造成本費用符合企業(yè)預算也需要被考慮進來。

03?

DRAM技術(shù)

現(xiàn)如今，DRAM的技術(shù)發(fā)展路徑是以微縮制程來提高存儲密度。制程工藝進入20nm之后，制造難度大幅提升，DRAM芯片廠商對工藝的定義從具體的線寬轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰唧w制程范圍內(nèi)提升二或三代技術(shù)來提高存儲密度。目前市場上DRAM的應用較為廣泛的是2xnm和1xnm，三星、美光、海力士等龍頭廠商均已開發(fā)出1znm制程的DRAM。中國DRAM技術(shù)比較落后，目前還停留在1xnm制程。

由于NAND芯片制程已經(jīng)達到極限，芯片技術(shù)趨勢逐步從2D轉(zhuǎn)向3D，通過增加芯片堆疊層數(shù)獲得更大容量。目前，三星、海力士、美光的3D NAND技術(shù)均已達到128L，長江存儲僅達到64L。目前中國在存儲芯片技術(shù)上仍和國際頭部企業(yè)有較大差距。

日前美光宣布，已經(jīng)向特定的智能手機制造商和芯片組合作伙伴運送其1β（1-beta）工藝節(jié)點生產(chǎn)的DRAM芯片樣品。這是世界上最先進的DRAM技術(shù)，并已做好了批量生產(chǎn)的準備。

美光表示，將在LPDDR5X內(nèi)存上采用新的工藝技術(shù)，提供最高的8.5 Gbps速率。1β工藝節(jié)點在性能、位密度和電源效率方面提供了顯著的收益，而且還能降低DRAM成本，這將帶來廣泛的市場優(yōu)勢。除了移動設(shè)備外，1β工藝節(jié)點還將提供低延遲、低功耗、高性能的DRAM，從智能車輛到數(shù)據(jù)中心的應用場景中都會受益。

圖11：世界上最先進的DRAM

來源：美光科技

圖12：美光1βLPDDR5X：DRAM性能、密度和效率

來源：美光科技

根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國DRAM行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與投資前景分析報告（2022-2029年）》顯示，目前DRAM 為存儲市場中出貨量及銷售額最高的產(chǎn)品。與 SRAM 相比，DRAM 具備讀寫速度快的特性，相較于具有存儲量大、單成本低的優(yōu)勢。DRAM 主要用于內(nèi)存條，內(nèi)存條是 CPU 與硬盤之間的橋梁，起到數(shù)據(jù)暫存的作用， 提升了 CPU 的運算速度。

圖13：FLASH VS DRAM

資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

DRAM內(nèi)存是內(nèi)存技術(shù)的基石之一，廣泛用于多種形式的基于處理器的設(shè)備中。DRAM 允許組裝相當快速和密集的內(nèi)存，這適用于這些處理器和基于計算機的設(shè)備中的工作內(nèi)存?？娔壳癉RAM 技術(shù)（連同其他存儲器技術(shù)）正在不斷發(fā)展以滿足新設(shè)備日益苛刻的要求。DRAM行業(yè)的上游是晶圓制造商以及封裝測試廠商，行業(yè)下游為智能手機、個人 PC、服務(wù)器等眾多終端應用行業(yè)。

圖14：DRAM行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

DRAM最大的市場是在終端和云端。終端就是人們使用的產(chǎn)品如智能手機，而當人們用手機打開微博、微信、抖音等服務(wù)時，它就需要連接到云端的服務(wù)器，那里也需要大量的DRAM。至于原來驅(qū)動DRAM發(fā)展的筆記本電腦，今天已經(jīng)退居到第三位了。

當前我國專注于DRAM存儲芯片的共有三家公司：紫光南京、福建晉華、合肥長鑫。其中，紫光南京產(chǎn)品線覆蓋標準SDR，DDR，DDR2，DDR3，DDR4和低功耗系列LPDDR2，LPDDR4，量產(chǎn)環(huán)節(jié)主要由力晶半導體完成，其自身尚無自產(chǎn)能力。而放眼全球，最有競爭力的就是三星電子、海力士和美光科技了。

圖15：全球主要DRAM原廠市場份額占比情況

數(shù)據(jù)來源：Omdia、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

傳統(tǒng)DRAM的電容都是使用“氧化矽”做為絕緣體，氧化矽的介電常數(shù)不夠大（K 值不夠大），因此不容易吸引（儲存）電子與電洞，這使得其內(nèi)部必須不停地補充電子與電洞，所以稱為“動態(tài)”，只要電腦的電源關(guān)閉，電容所儲存的電子與電洞就會流失，DRAM 所儲存的資料也就會流失。目前業(yè)界普遍使用的是鈦鋯酸鉛”（PZT）或“鉭鉍酸鍶”（SBT）這種介電常數(shù)很大（K 值很大）的“鐵電材料”（Ferroelectric material）來取代氧化矽，這種“非易失性”的存儲器稱為“鐵電隨機存取存儲器”（Ferroelectric RAM，F(xiàn)RAM）。

圖16：鐵電隨機存儲器

04?

DRAM的未來

EUV光刻機解決的僅僅是眼下的難題，面對當下的瓶頸，DRAM廠商的長遠命題是材料和架構(gòu)的突破。DRAM是基于一個晶體管和一個電容器的存儲單元。其擴展是在一個平面上，將每個存儲單元像拼圖一樣拼接起來。于是3D DRAM的概念就應運而生了，它是一種將存儲單元堆疊至邏輯單元上方，以實現(xiàn)在單位晶圓面積上產(chǎn)出更多產(chǎn)量的新型存儲方式。除了晶圓的裸晶產(chǎn)出量增加外，使用3D堆疊技術(shù)也能因為可重復使用儲存電容而有效降低 DRAM的單位成本。

NAND閃存技術(shù)率先實現(xiàn)了三維突破，存儲單元可以有很多層，從而讓存儲容量快速增長?，F(xiàn)在已經(jīng)超過200層了，而DRAM仍然在試圖讓一層晶體管變得更擁擠。3D-NAND的發(fā)明得益于多晶硅的晶體管技術(shù)，DRAM和邏輯電路一樣使用單晶硅晶體管。可惜多晶硅材料的載流子速度太慢，只能用在慢速的閃存芯片上。

圖17：為什么選擇3D 超級DRAM

來源：BeSang

PCRAM是首先實現(xiàn)3D突破的新興存儲器技術(shù)，這得益于英特爾公司開發(fā)的新材料，他們把這種技術(shù)命名為3DXPoint，后來又使用了Octane的商標。但很可惜，材料的特性決定了這種技術(shù)無法取代DRAM。并且，在大力宣傳和多年投入后，英特爾似乎要放棄這種技術(shù)了。

3D-DRAM仍然是目前熱門的研究課題。以氧化銦鎵鋅為代表的第四代半導體進入了人們的視野。這種材料有可能用來制成多層晶體管，并且速度夠快而漏電極低，很適合DRAM中的角色。

圖18：3D 超級DRAM

來源：BeSang

在下圖中，我們可以看到邏輯工藝的接觸式多晶硅間距 (contacted poly pitch：CPP) 如何隨著時間的推移而擴展。在平面時代，我們看到了英特爾在 45nm 和代工廠推出的 28nm 高 k 金屬柵極 (HKMG) 以及嵌入式硅鍺 (eSiGe) 等創(chuàng)新技術(shù)，以通過應變提高溝道性能。

FinFET 由英特爾在 22nm 推出，并在 14/16nm 被代工廠采用，并在多個節(jié)點上推動了行業(yè)向前發(fā)展。三星目前正試圖通過他們稱為多橋的水平納米片 (HNS) 引領(lǐng)行業(yè)進入GAA時代，而 HNS 應該為行業(yè)帶來至少兩個節(jié)點。在2nm 以后，三星預計 3D 堆疊 FET（其他人稱為 CFET 或 3D FET）、IBM 和三星最近披露的 VFET、2D 材料或負電容 FET (NCFET) 中的一種或多種技術(shù)會成為候選。

圖19：DRAM邏輯路線圖

據(jù)介紹，隨著 EUV 在 DRAM 中的應用，下一個挑戰(zhàn)是縮小存儲單元。三星預計很快將投入兩層電容器。預計在本世紀后期將轉(zhuǎn)向垂直存取晶體管，隨后是 3D DRAM。

圖20：DRAM 路線圖

業(yè)界近年也開始在無電容技術(shù)方面下功夫，試圖借此解決目前的技術(shù)瓶頸。關(guān)于無電容，早有Dynamic Flash Memory、VLT技術(shù)、Z-RAM等技術(shù)出現(xiàn)，但日前，美國和比利時的獨立研究小組IMEC在2021 IEDM上展示了一款全新的無電容器DRAM，這種新型的DRAM基于IGZO（indium-gallium-zinc-oxide）可以完全兼容300mm BEOL （back-end-of-line），并具有>103s保留和無限 (>1011) 耐久性。

總? 結(jié)

DRAM存儲器是計算機、手機等產(chǎn)品的重要組成部分，也是數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的“零件”。目前，國內(nèi)DRAM存儲器已經(jīng)基本解決了有無的問題。下一步，要解決就是良品率提升的問題，以及產(chǎn)能爬坡問題。

全球前十大晶圓代工廠中，中國大陸地區(qū)廠商占據(jù)三家，中芯國際、華虹半導體、晶合集成分別占據(jù)第五、第六、第十位。對于提升DRAM技術(shù)，提升性能降低功耗是不變的宗旨，并且在融資能力、產(chǎn)業(yè)鏈配套及人才梯隊等方面，希望在未來能有一家中國企業(yè)如同三星、美光一樣，進入全球頂尖半導體行業(yè)中。

附：國產(chǎn)存儲器廠家

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-486014.html

到了這里，關(guān)于電巢：人人都離不開的DRAM技術(shù)介紹的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！