介绍一下DRAM｜物理学博士

杜文章 · 发表于物理海洋学专业 2022-12-11 02:35:39

　　DRAM这种技术，已经是现代人离不开的了。相信您是通过手机、PAD或电脑来阅读这篇文章的。您可能看到过自己手机配置是8G/128G，前面那个8G说的就是手机的内存。您的笔记本电脑可能配备了8-32G的内存。所有的电子产品，但凡需要一点点信息处理能力、里面有个小CPU的，都需要内存。您家里的电视、机顶盒、智能电冰箱、智能空调、扫地机器人，都需要内存。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，都使用同一种技术，这就是DRAM。

　　我们这个世界，对DRAM的需求是相当大的，光是一个手机市场就不得了。字母“G”是一个很大的单位，代表10亿Byte。也就是说，您的一台小小的智能手机，就需要能存80亿个Byte，比全世界的人口还要多。而手机已经非常普及，差不多全世界人手一个了。

　　DRAM这四个字母，其中RAM就是内存的意思。RAM是Random Access Memory的缩写，意思是随机读写存储器。内存芯片执行的任务很简单，就是存储信息；CPU可以随便给出一个地址，它必须能够非常快速地（通常在10纳秒左右，一亿分之一秒）在这个地址存入或取出数据。您手机上后面的那个128G，指的是闪存存储，它不具备快速随机读写能力，不能够用来直接支持CPU的计算，只能用来长期保存信息。

　　那么这个“D”是什么意思呢？我们下面来解释。

　　DRAM的基本原理

　　常见的信息存储单位有Byte和bit（比特）两种，1Byte=8bit。

　　比特是最小的信息单位，也就是‘0’和‘1’两种可能性二选一。在DRAM中，每一个比特需要一个存储单元来存储。您的8GB手机中，有640亿个DRAM存储单元。

　　这个存储单元是由一个电容器和一个晶体管组成，信息以电荷的形式存储在电容器上。

　　如上图，晶体管在这里是作为开关使用的。当我们把控制信号加上一个高电压，开关就打开了。此时我们可以在输入端加一个高电压，导致一部分电荷存储到电容器上，代表‘1’；或者加一个0电压，把电容器上的电荷放干净，代表‘0’。然后，我们把控制信号变成0电压或者稍微负一点儿的电压，开关就关上了，电荷被锁在里面，信息就保存下来了。就好像给气球打气然后结扎起来。

　　你可能会说：这也太简单了吧？说实话，DRAM的基本原理的确很简单。但使用起来，还是有些麻烦。

　　首先我们读取数据时需要检测电容器上的电压，此时只能把开关再打开。打开开关时，电容器上的电荷自然都跑掉了，这种特性叫破坏性读取。就好像我们想知道气球是圆的还是瘪的，但眼睛看不见，只能松开系住它的绳子用耳朵听。DRAM必须在完成检测后，根据读取的结果，重新把电容器上的电荷充满或放空。好在，工程师们发明了一个聪明的电路，让这个过程自动地、高速地完成。

　　其次，任何阀门都无法不漏气，一个气球到第二天，很可能会漏掉一半气。我们DRAM这个气球只有不到20纳米（一亿分之2米），这点儿微薄的容量，即便极小的漏气，也足以瞬间把它放空。自DRAM在1966年被发明的50多年来，虽然业界持续不断地改进那个晶体管，减少漏电，DRAM中的电荷也撑不到1秒钟。所以每隔几十毫秒，DRAM芯片必须做一件事：自刷新。就是把趁着漏电的影响还不足以改变结果，把所有单元的数据读出来，再写回去。DRAM中的D是英文Dynamic（动态）的缩写，因为DRAM需要自己不断地运动。DRAM的中文大名是“动态随机存储器”，这个名字太拗口，大家不爱用，还是喜欢英文缩写。

　　读到这里你可能会觉得，这个DRAM，不仅简单而且土气。

　　我相信，这项技术刚被发明出来的时候，一定有很多人觉得它太土气。但时间太久远，难以考证了。您手机里的128G，用的是一种叫NAND闪存的技术。这是1987年发明的，业界的老人们还记得，当年不少专家嫌它简单土气（NAND闪存坏块和错误率很高），告诉自己的公司，这种技术没有前途，不值得投入研发。然而，他！们！都！错！了！

　　简单土气，才可以10亿、100亿地复制，低成本地制造。低成本，才可以在市场上取得胜利。

　　DRAM的存储单元，还必须排成一个阵列，加上一些外围电路，成为一个芯片。所有各种内存和存储都是需要排成阵列。

　　就像上图所示意的，在同一行里，把控制接口连成一条线，叫字线；在同一列里，把输入输出端连成一条线，叫位线。如果要选择写入到某一个存储单元，就打开它所在的那条字线，给它所在的位线加上高电压或低电压就可以了。一个阵列，通常都有一千行、一千列或更多，百万级的存储单元。一块芯片，则有大量的阵列。

　　还有一点儿麻烦：一个字线打开，这一行上的存储单元全部会丢失记忆，所以DRAM必须整行一千到几千个单元一起读写。不过现代的CPU基本都适应了这种操作方式，会把整行DRAM数据放进自己的缓存（Cache）里。既然必须也能够同时读写大量存储单元，那么高速地把这些比特从芯片中输入输出，就能够提高整个产品的性能。过去几十年，虽然DRAM的工作原理没有过变化，但为了提高输入输出速度，接口技术进行了一代又一代的改进。您购买电脑时可能会看到DDR3、DDR4这样的词汇，这就是DRAM接口技术的标准。另外，手机使用的DRAM要求有所不同，可以牺牲一点儿性能但必须省电，DRAM芯片会按这个要求去优化。手机使用的DRAM往往使用LPDDR3\4这样的标准，“LP”就是低功耗的意思。

　　DRAM市场

　　DRAM的市场有多大？不妨看看下面这张图：

　　我们可以看到，全球DRAM的市场好的时候可以高达近千亿美元。不过波动很大，有周期性。要知道2021年全球芯片的市场总额也就是约5500亿美元，包含着成千上万种芯片，DRAM这一种芯片就有近1000亿，它的重要性可想而知。

　　DRAM都用在什么地方呢？看上图，最大的市场是在终端和云端。终端就是您手里的智能手机，当你用手机打开微博、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发展的个人电脑，今天已经退居到第三位了。

　　那么大的一个市场，那么简单土气的技术，都有谁做得好呢？看下图：

　　吃惊吗？世界上做DRAM的国家，基本上只有两个：韩国和美国。三家公司：韩国的三星和海力士，美国的美光，就像三国演义那样三分天下。其实DRAM何尝没有过东汉末年群雄竞起的时代，但经过半个多世纪的血雨腥风，基本只剩下这三家了。作为科技强国的日本，曾经辉煌的DRAM产业现在一家不剩；欧洲有那么多发达国家，今天没有任何一个能够生产DRAM。

　　集成电路行业有一个特点，一个行业基本只有最强的三家公司能够赚钱。老大可以大块吃肉，老二老三分剩下的，其他人能有点儿汤喝就不错了。DRAM的老大是三星，接近一半的市场份额，大半的行业利润，就像三国时的曹魏。海力士和美光就像孙吴和蜀汉。三星的产线，简直等于印钞机。

　　三家以外的其他人里，有着中国台湾和中国大陆的厂家。值得一提的是，经过几年的奋斗，中国大陆实现了DRAM零的突破，建立了自主研发能力。不过马上引来了美国人的封锁。

　　讲到这里，要夸夸DRAM的老大三星。要说世界上哪家公司最有狼性，那就是中国的华为、韩国的三星了。狼性的公司对客户可一点儿也没有狼性。笔者曾作为国内一家大手机厂代表团的一员访问三星，那一路的欢迎标语、会场的精心布置，让人极度舒服。晚宴上，各个销售经理纷纷要求关照，端起深水炸弹一口闷。人家是对客户像春天一样的温暖，对工作像夏天一样的火热；但对供应商像严冬一样残酷剥削压迫，对竞争对手像秋风扫落叶力求一个不剩。

　　三星是在1983年建成首个芯片厂开始进行DRAM生产的，在这个行业不算早。当时它是从美光和日本夏普引进的技术。但它有韩国政府做靠山，敢投钱做研发、对人才敢给高薪，它使用逆周期投资战略打败了所有对手。所谓逆周期投资，就是趁着产业低迷，大家都不赚钱的时候，加大投资建产线，同时打价格战。对于竞争对手，这是趁你病要你命；而行业好转的时候，你没产能我有！

　　DRAM难在什么地方？

　　这种简单土气的技术有什么难的？为什么地球上只有少数几家公司能做？两个字：密度。

　　一块指甲盖大小的硅晶片上，通常有80-160亿个存储单元；也就是1-2GB。您手机里的8GB，还需要好几个晶片磨到极薄，叠在一起封装在一个壳子里。DRAM的难度，首先就在于把这么多的存储单元挤在一个小晶片上。

　　每个存储单元首先要有一个晶体管。你可能听说过，逻辑计算芯片（如CPU、手机主控芯片等等）现在最先进的工艺是7纳米。DRAM现在最先进的工艺大约是17纳米，但你可能不知道DRAM芯片上晶体管的密度，比7纳米逻辑芯片还要高。

　　用xx微米、xx纳米代表集成电路工艺水平，原意是晶体管中栅极的宽度。但逻辑芯片的14纳米、7纳米早已沦为一个商标，只要代工厂想到办法把芯片的总体密度提高一代，他们就把这个数字减小一级。DRAM工艺的标定要更诚实一些。

　　并且，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。

　　公平地讲，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。

　　晶体管密度变高，尺寸变小，带来的一个问题，就是之前提到过的漏电。如下图左所示：晶体管（这种晶体管叫场效应管）的栅极是负责打开和关上导电沟道。栅极太窄这个闸门就关不严实，导致存储在电容器中的信息过早丢失。所以DRAM产业发展了下图右中的埋入式栅极，可以在宽度很小、占面积很小的情况下制造一个很长的沟道，大幅度降低漏电。这个重要的发明对DRAM存储单元的小型化作了很大的贡献。

　　逻辑计算芯片在器件小型化时有更多的难题，它还必须保证很高的开关速度。所以逻辑芯片生产工艺在14纳米以下发明了FINFET以及GAA这些技术。这两种集成电路的生产工艺早已分化，已经走得很远，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。世界上也只有三星一家公司，两种工艺都做得很好。

　　做出DRAM中的晶体管难，做出那个电容器就更难了。请回忆一下您的中学物理，电容器是两片导体夹着一层绝缘材料（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，但电容如果太小，电荷就会过早泄露掉，或者读取时信号太弱发生错误。电容必须在垂直方向发展以取得更大的面积。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。

　　现代DRAM电容器高度和直径的比达到几十比一，像个烟囱。看上图左：为了取得更大的电容面积，要把烟囱的外壁和内壁都用上。上图右是横截面，深蓝和浅蓝代表电容两极的导电材料，肉色代表电介质。

　　想象一下：在指甲盖大小的一块地方，雕刻上百亿个非常细高、壳薄的烟囱，不能弄碎、不能倒；再在烟囱的外壁和内壁涂上电介质，厚度必需均匀；再填上另外的导电材料。想象一下这有多难！

　　这上百亿个存储单元还必须高度可靠。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，重则导致手机、计算机的死机、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。

　　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。

　　读到这里，你就明白世界上为什么只有三家公司能够做好DRAM。真是：天下英雄谁敌手？曹刘！

　　DRAM的未来

　　这项快60岁的技术，发展到今天这样的程度，再往前进步是非常困难的。业界曾经断定，DRAM工艺走到20纳米就到头了，绝对不能再改进了。然而后来又有了19、18、17纳米，现在业界还在规划一步步向着10纳米前进。工程师们总能想到办法。

　　但这毕竟只是小步前进，不是摩尔定律那样两年翻番、从28到14到7纳米那样的速度了。

　　很多年来，各种有可能取代DRAM的内存技术都被研究了。比如考虑到那个电容器太难做，就有一种技术用一种铁磁结构作为信息存储介质叫MRAM，还有一种技术用一块铁电材料作为存储介质叫FeRAM。但要超越这么高的密度，谈何容易？

　　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。

　　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。各国都在投入研究，去年，中科院微电子所的刘明院士发表了一种很酷的结构，在业界引起了不小的震动。

　　虽然讲弯道超车、换道超车人里面忽悠的不少，但DRAM这条道路恐怕早晚要换掉的。我们已经进入了大数据时代，视频应用、物联网、人工智能造成数据量爆炸，闪存的容量快速增长，DRAM的容量如蜗牛般地前进，拖了新时代技术的后腿。

　　等这条康庄大道走到尽头的时候，业界也许又要进入三国演义那样英雄辈出的乱世了。让我们希望，未来的新三国中，能至少有一个中国厂家。

　　本文于2022年10月27日发表于微信公众号物理学博士看天下《介绍一下DRAM》，风云之声授权转载

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