DRAM內存技術的基本原理是什麼？_風聞

撰文 | 物理學博士

DRAM這種技術，已經是現代人離不開的了。相信您是通過手機、PAD或電腦來閲讀這篇文章的。您可能看到過自己手機配置是8G/128G，前面那個8G説的就是手機的內存。您的筆記本電腦可能配備了8-32G的內存。所有的電子產品，但凡需要一點點信息處理能力、裏面有個小CPU的，都需要內存。您家裏的電視、機頂盒、智能電冰箱、智能空調、掃地機器人，都需要內存。內存芯片，對於電子產業，就像糧食一樣不可或缺。今天所有的內存，除了少數容量很低的場景，都使用同一種技術，這就是DRAM。

我們這個世界，對DRAM的需求是相當大的，光是一個手機市場就不得了。字母“G”是一個很大的單位，代表10億Byte。也就是説，您的一台小小的智能手機，就需要能存80億個Byte，比全世界的人口還要多。而手機已經非常普及，差不多全世界人手一個了。

DRAM這四個字母，其中RAM就是內存的意思。RAM是Random Access Memory的縮寫，意思是隨機讀寫存儲器。內存芯片執行的任務很簡單，就是存儲信息；CPU可以隨便給出一個地址，它必須能夠非常快速地（通常在10納秒左右，一億分之一秒）在這個地址存入或取出數據。您手機上後面的那個128G，指的是閃存存儲，它不具備快速隨機讀寫能力，不能夠用來直接支持CPU的計算，只能用來長期保存信息。

那麼這個“D”是什麼意思呢？我們下面來解釋。

DRAM的基本原理

常見的信息存儲單位有Byte和bit（比特）兩種，1Byte=8bit。

比特是最小的信息單位，也就是‘0’和‘1’兩種可能性二選一。在DRAM中，每一個比特需要一個存儲單元來存儲。您的8GB手機中，有640億個DRAM存儲單元。

這個存儲單元是由一個電容器和一個晶體管組成，信息以電荷的形式存儲在電容器上。

如上圖，晶體管在這裏是作為開關使用的。當我們把控制信號加上一個高電壓，開關就打開了。此時我們可以在輸入端加一個高電壓，導致一部分電荷存儲到電容器上，代表‘1’；或者加一個0電壓，把電容器上的電荷放乾淨，代表‘0’。然後，我們把控制信號變成0電壓或者稍微負一點兒的電壓，開關就關上了，電荷被鎖在裏面，信息就保存下來了。就好像給氣球打氣然後結紮起來。

你可能會説：這也太簡單了吧？説實話，DRAM的基本原理的確很簡單。但使用起來，還是有些麻煩。

首先我們讀取數據時需要檢測電容器上的電壓，此時只能把開關再打開。打開開關時，電容器上的電荷自然都跑掉了，這種特性叫破壞性讀取。就好像我們想知道氣球是圓的還是癟的，但眼睛看不見，只能鬆開繫住它的繩子用耳朵聽。DRAM必須在完成檢測後，根據讀取的結果，重新把電容器上的電荷充滿或放空。好在，工程師們發明了一個聰明的電路，讓這個過程自動地、高速地完成。

其次，任何閥門都無法不漏氣，一個氣球到第二天，很可能會漏掉一半氣。我們DRAM這個氣球只有不到20納米（一億分之2米），這點兒微薄的容量，即便極小的漏氣，也足以瞬間把它放空。自DRAM在1966年被髮明的50多年來，雖然業界持續不斷地改進那個晶體管，減少漏電，DRAM中的電荷也撐不到1秒鐘。所以每隔幾十毫秒，DRAM芯片必須做一件事：自刷新。就是把趁着漏電的影響還不足以改變結果，把所有單元的數據讀出來，再寫回去。DRAM中的’D’是英文Dynamic（動態）的縮寫，因為DRAM需要自己不斷地運動。DRAM的中文大名是“動態隨機存儲器”，這個名字太拗口，大家不愛用，還是喜歡英文縮寫。

讀到這裏你可能會覺得，這個DRAM，不僅簡單而且土氣。

我相信，這項技術剛被髮明出來的時候，一定有很多人覺得它太土氣。但時間太久遠，難以考證了。您手機裏的128G，用的是一種叫NAND閃存的技術。這是1987年發明的，業界的老人們還記得，當年不少專家嫌它簡單土氣（NAND閃存壞塊和錯誤率很高），告訴自己的公司，這種技術沒有前途，不值得投入研發。然而，他！們！都！錯！了！

簡單土氣，才可以10億、100億地複製，低成本地製造。低成本，才可以在市場上取得勝利。

DRAM的存儲單元，還必須排成一個陣列，加上一些外圍電路，成為一個芯片。所有各種內存和存儲都是需要排成陣列。

就像上圖所示意的，在同一行裏，把控制接口連城一條線，叫字線；在同一列裏，把輸入輸出端連成一條線，叫位線。如果要選擇寫入到某一個存儲單元，就打開它所在的那條字線，給它所在的位線加上高電壓或低電壓就可以了。一個陣列，通常都有一千行、一千列或更多，百萬級的存儲單元。一塊芯片，則有大量的陣列。

還有一點兒麻煩：一個字線打開，這一行上的存儲單元全部會丟失記憶，所以DRAM必須整行一千到幾千個單元一起讀寫。不過現代的CPU基本都適應了這種操作方式，會把整行DRAM數據放進自己的緩存（Cache）裏。既然必須也能夠同時讀寫大量存儲單元，那麼高速地把這些比特從芯片中輸入輸出，就能夠提高整個產品的性能。過去幾十年，雖然DRAM的工作原理沒有過變化，但為了提高輸入輸出速度，接口技術進行了一代又一代的改進。您購買電腦時可能會看到DDR3、DDR4這樣的詞彙，這就是DRAM接口技術的標準。另外，手機使用的DRAM要求有所不同，可以犧牲一點兒性能但必須省電，DRAM芯片會按這個要求去優化。手機使用的DRAM往往使用LPDDR3\4這樣的標準，“LP”就是低功耗的意思。

DRAM市場

DRAM的市場有多大？不妨看看下面這張圖：

我們可以看到，全球DRAM的市場好的時候可以高達近千億美元。不過波動很大，有週期性。要知道2021年全球芯片的市場總額也就是約5500億美元，包含着成千上萬種芯片，DRAM這一種芯片就有近1000億，它的重要性可想而知。

DRAM都用在什麼地方呢？看上圖，最大的市場是在終端和雲端。終端就是您手裏的智能手機，當你用手機打開微博、微信、抖音等服務時，它就需要連接到雲端的服務器，那裏也需要大量的DRAM。至於原來驅動DRAM發展的個人電腦，今天已經退居到第三位了。

那麼大的一個市場，那麼簡單土氣的技術，都有誰做得好呢？看下圖：

吃驚嗎？世界上做DRAM的國家，基本上只有兩個：韓國和美國。三家公司：韓國的三星和海力士，美國的美光，就像三國演義那樣三分天下。其實DRAM何嘗沒有過東漢末年羣雄競起的時代，但經過半個多世紀的血雨腥風，基本只剩下這三家了。作為科技強國的日本，曾經輝煌的DRAM產業現在一家不剩；歐洲有那麼多發達國家，今天沒有任何一個能夠生產DRAM。

集成電路行業有一個特點，一個行業基本只有最強的三家公司能夠賺錢。老大可以大塊吃肉，老二老三分剩下的，其他人能有點兒湯喝就不錯了。DRAM的老大是三星，接近一半的市場份額，大半的行業利潤，就像三國時的曹魏。海力士和美光就像孫吳和蜀漢。三星的產線，簡直等於印鈔機。

三家以外的其他人裏，有着中國台灣和中國大陸的廠家。值得一提的是，經過幾年的奮鬥，中國大陸實現了DRAM零的突破，建立了自主研發能力。不過馬上引來了美國人的封鎖。

講到這裏，要誇誇DRAM的老大三星。要説世界上哪家公司最有狼性，那就是中國的華為、韓國的三星了。狼性的公司對客户可一點兒也沒有狼性。筆者曾作為國內一家大手機廠代表團的一員訪問三星，那一路的歡迎標語、會場的精心佈置，讓人極度舒服。晚宴上，各個銷售經理紛紛要求關照，端起深水炸彈一口悶。人家是對客户像春天一樣的温暖，對工作像夏天一樣的火熱；但對供應商像嚴冬一樣殘酷剝削壓迫，對競爭對手像秋風掃落葉力求一個不剩。

三星是在1983年建成首個芯片廠開始進行DRAM生產的，在這個行業不算早。當時它是從美光和日本夏普引進的技術。但它有韓國政府做靠山，敢投錢做研發、對人才敢給高薪，它使用逆週期投資戰略打敗了所有對手。所謂逆週期投資，就是趁着產業低迷，大家都不賺錢的時候，加大投資建產線，同時打價格戰。對於競爭對手，這是趁你病要你命；而行業好轉的時候，你沒產能我有！

DRAM難在什麼地方？

這種簡單土氣的技術有什麼難的？為什麼地球上只有少數幾家公司能做？兩個字：密度。

一塊指甲蓋大小的硅晶片上，通常有80-160億個存儲單元；也就是1-2GB。您手機裏的8GB，還需要好幾個晶片磨到極薄，疊在一起封裝在一個殼子裏。DRAM的難度，首先就在於把這麼多的存儲單元擠在一個小晶片上。

每個存儲單元首先要有一個晶體管。你可能聽説過，邏輯計算芯片（如CPU、手機主控芯片等等）現在最先進的工藝是7納米。DRAM現在最先進的工藝大約是17納米，但你可能不知道DRAM芯片上晶體管的密度，比7納米邏輯芯片還要高。

用xx微米、xx納米代表集成電路工藝水平，原意是晶體管中柵極的寬度。但邏輯芯片的14納米、7納米早已淪為一個商標，只要代工廠想到辦法把芯片的總體密度提高一代，他們就把這個數字減小一級。DRAM工藝的標定要更誠實一些。

並且，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）光刻機開發出來的，做到更高晶體管密度的難度可想而知。

公平地講，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電路的需要千變萬化。存儲芯片中如果有極少數單元做壞了，還有辦法替換；邏輯芯片基本上就不可能了。

晶體管密度變高，尺寸變小，帶來的一個問題，就是之前提到過的漏電。如下圖左所示：晶體管（這種晶體管叫場效應管）的柵極是負責打開和關上導電溝道。柵極太窄這個閘門就關不嚴實，導致存儲在電容器中的信息過早丟失。所以DRAM產業發展了下圖右中的埋入式柵極，可以在寬度很小、佔面積很小的情況下製造一個很長的溝道，大幅度降低漏電。這個重要的發明對DRAM存儲單元的小型化作了很大的貢獻。

邏輯計算芯片在器件小型化時有更多的難題，它還必須保證很高的開關速度。所以邏輯芯片生產工藝在14納米以下發明瞭FINFET以及GAA這些技術。這兩種集成電路的生產工藝早已分化，已經走得很遠，需要完全不同的產線。大部分能夠製造邏輯芯片的公司是不懂得生產DRAM的。世界上也只有三星一家公司，兩種工藝都做得很好。

做出DRAM中的晶體管難，做出那個電容器就更難了。請回憶一下您的中學物理，電容器是兩片導體夾着一層絕緣材料（或者叫電介質），電容的大小正比於導體的面積。在存儲器件小型化的情況下，每一個電容佔晶片的面積已經很小，但電容如果太小，電荷就會過早泄露掉，或者讀取時信號太弱發生錯誤。電容必須在垂直方向發展以取得更大的面積。DRAM的電容器有兩類，一類是在晶圓上鑽一個深井，更多的是在晶體管上面做一層桶形結構。

現代DRAM電容器高度和直徑的比達到幾十比一，像個煙囱。看上圖左：為了取得更大的電容面積，要把煙囱的外壁和內壁都用上。上圖右是橫截面，深藍和淺藍代表電容兩極的導電材料，肉色代表電介質。

想象一下：在指甲蓋大小的一塊地方，雕刻上百億個非常細高、殼薄的煙囱，不能弄碎、不能倒；再在煙囱的外壁和內壁塗上電介質，厚度必需均勻；再填上另外的導電材料。想象一下這有多難！

這上百億個存儲單元還必須高度可靠。一個內存芯片中上的百億比特中哪怕出了一個比特的錯誤，輕則產生不正確的計算結果，重則導致手機、計算機的死機、重啓。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。

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，關乎存亡。電路設計和生產工藝必須做到最優，產品良率必須高。

讀到這裏，你就明白世界上為什麼只有三家公司能夠做好DRAM。真是：天下英雄誰敵手？曹劉！

DRAM的未來

這項快60歲的技術，發展到今天這樣的程度，再往前進步是非常困難的。業界曾經斷定，DRAM工藝走到20納米就到頭了，絕對不能再改進了。然而後來又有了19、18、17納米，現在業界還在規劃一步步向着10納米前進。工程師們總能想到辦法。

但這畢竟只是小步前進，不是摩爾定律那樣兩年翻番、從28到14到7納米那樣的速度了。

很多年來，各種有可能取代DRAM的內存技術都被研究了。比如考慮到那個電容器太難做，就有一種技術用一種鐵磁結構作為信息存儲介質叫MRAM，還有一種技術用一塊鐵電材料作為存儲介質叫FeRAM。但要超越這麼高的密度，談何容易？

NAND閃存技術率先實現了三維突破，存儲單元可以有很多層，從而讓存儲容量快速增長。現在已經超過200層了，而DRAM仍然在試圖讓一層晶體管變得更擁擠。3D-NAND的發明得益於多晶硅的晶體管技術，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。

PCRAM是首先實現3D突破的新興存儲器技術，這得益於英特爾公司開發的新材料，他們把這種技術命名為3DXPoint，後來又使用了Octane的商標。但很可惜，材料的特性決定了這種技術無法取代DRAM。並且，在大力宣傳和多年投入後，英特爾似乎要放棄這種技術了。

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製成多層晶體管，並且速度夠快而漏電極低，很適合DRAM中的角色。各國都在投入研究，去年，中科院微電子所的劉明院士發表了一種很酷的結構，在業界引起了不小的震動。

雖然講彎道超車、換道超車人裏面忽悠的不少，但DRAM這條道路恐怕早晚要換掉的。我們已經進入了大數據時代，視頻應用、物聯網、人工智能造成數據量爆炸，閃存的容量快速增長，DRAM的容量如蝸牛般地前進，拖了新時代技術的後腿。

等這條康莊大道走到盡頭的時候，業界也許又要進入三國演義那樣英雄輩出的亂世了。讓我們希望，未來的新三國中，能至少有一箇中國廠家。

本文經授權轉載自微信公眾號“物理博士看天下”，原題目為《介紹一下DRAM》。

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