DRAM的范式轉(zhuǎn)變歷程

本文總結(jié)和更新了DRAM的產(chǎn)品、發(fā)展和技術(shù)趨勢。

DRAM制造技術(shù)進(jìn)入10nm世代（不到20nm世代）已經(jīng)過去五年了。過去五年，DRAM技術(shù)和產(chǎn)品格局發(fā)生了巨大變化。因此，本文總結(jié)和更新了DRAM的產(chǎn)品、發(fā)展和技術(shù)趨勢。

DRAM 并不是小型化背后的驅(qū)動力

在半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展中，DRAM在2000年之前一直是小型化的推動力。他們也被稱為“流程驅(qū)動者”。然而，到了2000年代，情況開始發(fā)生變化。NAND閃存（當(dāng)時的平面存儲器）積極推動了制造技術(shù)的小型化。微細(xì)加工的主導(dǎo)地位將被NAND閃存取代。

最新的開發(fā)成果（原型芯片）在ISSCC（每年二月在美國舊金山舉行）上展示，ISSCC是半導(dǎo)體研發(fā)界最知名的電路技術(shù)國際會議。2009年至2011年，DRAM的技術(shù)節(jié)點（最小加工尺寸）為56nm至44nm，而NAND閃存（平面型）約為其一半，為32nm至21nm。

DRAM 和 NAND 閃存的技術(shù)節(jié)點（僅限平面）。

一直處于小型化前沿的NAND閃存在2015年左右達(dá)到極限，之后放棄了加工尺寸的小型化，轉(zhuǎn)而采用三維層壓。NAND閃存的小型化幾乎已經(jīng)停止，從2010年代后半段開始，DRAM將再次推動小型化。

在半導(dǎo)體邏輯中，“技術(shù)節(jié)點名稱”與物理尺寸不同

然而，在2000年之前，DRAM正在推動整個半導(dǎo)體（半導(dǎo)體存儲器和半導(dǎo)體邏輯）的小型化，而在2010年代末到2020年代初，DRAM推動半導(dǎo)體邏輯小型化的進(jìn)程變得緩慢。主要有兩個原因。

第一個是半導(dǎo)體邏輯中晶體管的三維化。隨著MOSFET從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿SFinFET，曾經(jīng)作為小型化指標(biāo)的柵極長度（或溝道長度）不再具有任何定義意義。相反，小型化程度主要由標(biāo)準(zhǔn)單元（邏輯單元的最小單位）的柵極節(jié)距和最小布線節(jié)距決定（嚴(yán)格來說是兩者的乘積）?！?nm”、“5nm”等數(shù)值，作為尖端邏輯的“技術(shù)節(jié)點名稱”只是一個標(biāo)簽，在硅芯片中并不存在。

半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 (IRDS) 2017 版。從上方預(yù)測邏輯、DRAM 和 NAND 閃存的壽命和尺寸?？梢钥吹?，找不到半導(dǎo)體邏輯技術(shù)節(jié)點名稱（紅框）對應(yīng)的維度。

另一個問題是半導(dǎo)體邏輯和DRAM的器件和工藝技術(shù)已經(jīng)變得截然不同。每一代半導(dǎo)體邏輯制造工藝都逐漸改變了晶體管的基本技術(shù)，有時甚至是顯著改變。其中包括應(yīng)變硅、HKMG（高介電常數(shù)金屬柵極）、FinFET 和 COAG（有源柵極上的接觸）。對于多層布線，銅（Cu）布線和低介電常數(shù)層間絕緣膜的開發(fā)和全面采用。

DRAM“技術(shù)節(jié)點名稱”反映實際物理尺寸

DRAM的“技術(shù)負(fù)載名稱”與邏輯不同，但更接近其實際尺寸。DRAM技術(shù)節(jié)點名稱通常使用符號而不是具體數(shù)字來表示。技術(shù)節(jié)點用符號表示，例如 30nm 代的“D3z”和 20nm 代的“D2x”。

D2x估計在28nm左右，D2y估計在25nm左右，D2z估計在22nm左右。雖然各DRAM廠商技術(shù)節(jié)點符號對應(yīng)的數(shù)值略有差異，但并無大的差異。

主要 DRAM 技術(shù)節(jié)點名稱與設(shè)計規(guī)則 (D/R) 之間的關(guān)系?？梢钥闯?，主要DRAM制造商的

技術(shù)節(jié)點名稱與實際設(shè)計規(guī)則之間幾乎沒有差異。來源：TechInsights

技術(shù)節(jié)點名稱對應(yīng)的維度存在于存儲單元陣列的有源區(qū)域（單元選擇晶體管區(qū)域）。有源區(qū)域規(guī)則排列，排列的一半間距代表技術(shù)節(jié)點名稱。換句話說，在 D1x 代（也稱為 18nm 代或 1Xnm 代）DRAM 硅芯片中，單元晶體管以約 36nm 的間距布置。

根據(jù)半導(dǎo)體芯片分析服務(wù)公司TechInsights發(fā)布的預(yù)估，2018年12月，三大DRAM公司的D1x代（1Xnm代，半間距）最小尺寸分別為三星電子18nm、SK海力士17.5nm、美光為17.5nm，技術(shù)為19nm。幾乎沒有區(qū)別。

DRAM芯片的基本架構(gòu)

在DRAM制造過程中，許多DRAM芯片被制造在硅晶圓上。從硅晶圓上切下來的單個DRAM芯片被分為存儲單元陣列（通常由偶數(shù)個子陣列組成）和外圍電路（外圍）區(qū)域。

存儲單元陣列，即DRAM的存儲區(qū)域，邏輯上形狀像一個二維矩陣。由多行和多列組成的矩陣的交集（方格）是一個存儲單元，行號和列號是指定存儲單元（棋盤的方格）的地址。

這里，行號被稱為“行地址”并且列號被稱為“列地址”。存儲單元陣列區(qū)域分為“存儲單元”和“核心”。存儲單元是存儲信號的區(qū)域，由1個晶體管（MOS FET）和1個電容器（單元電容器）組成。核心是從存儲單元陣列中選擇目標(biāo)存儲單元并讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的電路。“字線解碼器”選擇單元晶體管的柵極（字線），“位線解碼器”選擇源極（位線），以及放大用于讀取和讀取的信號的“讀出放大器（S/A）”。寫入數(shù)據(jù)、各部分的互連（布線）等。

外圍電路（peripheral）由控制電路和輸入輸出電路組成?？刂齐娐犯鶕?jù)從外部輸入的命令和地址來操作DRAM內(nèi)部的電路。輸入/輸出電路負(fù)責(zé)輸入（寫入）和輸出（讀?。?shù)據(jù)。

解釋 DRAM 基本架構(gòu)的圖。來源：三星

左上是硅片照片（實際直徑估計為300毫米）。左下角是 DRAM 硅芯片的照片。外圍電路、輸入/輸出焊盤和行解碼器位于硅芯片中心的左側(cè)和右側(cè)，列解碼器位于中心的上方和下方，存儲單元陣列（“子陣列”）位于硅芯片的硅芯片中心的上方和下方。剩余的頂部、底部、左側(cè)和右側(cè)（方形部分）。）被布置。該圖的右下角表示存儲單元陣列（子陣列）的基本結(jié)構(gòu)。將一個存儲單元放置在紅色字線 (WL) 和黃色位線 (BL) 的交叉點處。字線的末端連接到子字線驅(qū)動器(SWD)，并且位線的末端連接到讀出放大器(S/A)。該圖的右上方顯示了每個部分與硅芯片面積的比率。存儲單元占50%-55%，核心（解碼器、驅(qū)動器、讀出放大器、互連）占25%-30%，外圍設(shè)備（控制電路和輸入/輸出電路）占20%左右。

通過在電容器中存儲電荷來存儲邏輯值

一個 DRAM 存儲單元由一個晶體管（縮寫為“T”）和一個電容器（縮寫為“C”）組成。它在半導(dǎo)體存儲器技術(shù)界通常被稱為“1T1C 單元”。晶體管充當(dāng)選擇開關(guān)。也稱為“選擇晶體管”。在讀或?qū)懖僮髦校挥谟勺志€譯碼器和位線譯碼器選擇的字線和位線交叉處的“選擇晶體管”被導(dǎo)通。

存儲單元電容器（功能與電子元件的電容器相同）存儲信號電荷。也稱為“單元電容器”。如果電容器存儲一定量的電荷，則存儲單元的邏輯值為“高”（或1）。相反，如果僅存儲少于一定量的電荷，則存儲單元的邏輯值將為“低(或0)”。

DRAM 存儲單元電路的示例（左）和使用電子顯微鏡觀察到的存儲單元的截面圖像（右）。

在左邊的電路圖中，選擇晶體管（通常是n溝道MOSFET）的柵極是字線（紅色：WL），源極是位線（黃色：WL）。選擇晶體管的漏極通過單元電容器連接到板電極。在右側(cè)的截面觀察圖中，紅色標(biāo)記為“WL”的部分是選擇晶體管（字線）的柵極，BLC是位線觸點，SNC是存儲節(jié)點觸點。SNC 上方連接有一個電容器（圖中的“Cap”）。SNC 字母左側(cè)的黃色字母“BL”表示位線。

DRAM存儲單元的基本操作和刷新

當(dāng)向 DRAM 寫入數(shù)據(jù)時，解碼器打開指定地址處的選擇晶體管，輸入緩沖器接收外部數(shù)據(jù)，然后通過讀出放大器將其轉(zhuǎn)換為電流，對單元電容器進(jìn)行充電。

充電后，隨著時間的推移，由于電容器放電，寫入的數(shù)據(jù)（電荷）會丟失。因此，有必要定期重寫數(shù)據(jù)。該操作稱為“刷新”。2000 年之前，DRAM 由外部內(nèi)存控制器在適當(dāng)?shù)臅r間刷新。最近，很多產(chǎn)品內(nèi)部都實現(xiàn)了自動刷新操作。

讀取數(shù)據(jù)時，選擇晶體管導(dǎo)通，單元電容器中的電荷作為電流通過位線。位線電流被讀出放大器(S/A)放大為電壓。電壓信號通過輸出緩沖器發(fā)送到外部。

在讀取操作期間要記住的一件事是，單元電容器上的電荷會因讀取操作而丟失。因此，讀出放大器立即恢復(fù)(新寫入)讀取的數(shù)據(jù)。

2000年代，DRAM存儲容量擴(kuò)張步伐迅速放緩。

2000年之前，DRAM存儲容量迅速擴(kuò)張，尤其是在20世紀(jì)70年代和80年代。半導(dǎo)體存儲器行業(yè)稱之為“三年翻兩番”，三年內(nèi)將存儲容量提高四倍的下一代DRAM商業(yè)化已成為半標(biāo)準(zhǔn)做法。盡管主流用戶已經(jīng)從大型機(jī)（1970年代）到工作站（1980年代）再到個人電腦（PC）（1990年代），但情況依然如故：他們期望DRAM制造商在三年內(nèi)將開發(fā)速度翻兩番。

這里我們將從國際會議 ISSCC（每年 2 月舉行）上介紹的硅芯片概述開始，了解 DRAM 的發(fā)展?fàn)顩r。首先是最大存儲容量。20世紀(jì)90年代前半期，產(chǎn)能增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“3年4倍（1年1.59倍）”。它從1990年的16Mbit迅速擴(kuò)展到1995年的1Gbit?！?年64次（1年2.3次）”是一個令人難以置信的快節(jié)奏。

然而，1995年后，存儲容量擴(kuò)張的步伐突然放緩。直到 1999 年，最大容量仍保持在 1Gbit。之后在256Mbit、512Mbit、1Gbit、2Gbit、4Gbit之間來回切換。向下一代 4Gbit 的過渡是緩慢的。隨著2014年和2016年8Gbit硅芯片的發(fā)布，我們現(xiàn)在可以清楚地說，容量的增加比1Gbit一代已經(jīng)進(jìn)步了約1.5代。事實上，產(chǎn)能繼續(xù)以 DRAM 發(fā)展史上從未見過的速度擴(kuò)張，20 年內(nèi)增長了 8 倍（1 年內(nèi)增長了 1.11 倍）。

DRAM 最大存儲容量（每個硅芯片）的變化（1990-2014 年）。可以看出，從1996年到2012年，增產(chǎn)并沒有太大進(jìn)展（每年擴(kuò)張1.11倍）。

DRAM開發(fā)的范式轉(zhuǎn)變

從20世紀(jì)90年代末到2010年代初的20年間，DRAM的發(fā)展發(fā)生了什么？總的來說，可以說開發(fā)方向發(fā)生了很大變化。DRAM開發(fā)的方向從大容量，走向高速化。

DRAM數(shù)據(jù)傳輸速度的推移。

為了高速化，在動作定時控制中采用時鐘同步式。最初，為了與傳統(tǒng)的DRAM（無時鐘異步式DRAM）區(qū)別，被稱為同步DRAM（SDRAM）。現(xiàn)在，如果簡單地記述DRAM，則意味著同步式（或者不知道是同步式還是異步式）。嚴(yán)格來說，DDR、LPDDR、GDDR等DRAM的表述為“SDRAM”是正確的，在產(chǎn)品目錄和學(xué)會論文等中也有“SDRAM”的表述。

SDRAM的下一代標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格是出于高速化的強(qiáng)烈意識而制定的。最初的SDRAM以與時鐘相同的速度輸入輸出數(shù)據(jù)。此時的時鐘頻率為133MHz.SDRAM的下一代產(chǎn)品成為能夠以時鐘速度的2倍輸入輸出數(shù)據(jù)的規(guī)格。這就是所謂的“雙數(shù)據(jù)速率（DDR）SDRAM”。時鐘頻率提高到200MHz，數(shù)據(jù)的輸入輸出速度是時鐘的2倍，即400MT/s/輸入輸出引腳（這里T（transfer）是傳輸次數(shù)的意思）。一次傳輸中發(fā)送接收1比特等于bit/秒）。

DDR系列的SDRAM之后，每代數(shù)據(jù)的輸入輸出速度都會提高一倍。在國際學(xué)會ISSCC上發(fā)表的DDR類SDRAM的數(shù)據(jù)傳輸速度在2003年至2012年的9年間提高了4.4倍。

圖形DRAM也采用DDR，積極推進(jìn)高速化。這就是“GDDR（圖形DDR）SGRAM（同步圖形RAM）”。GDDR類SGRAM的高速化正在迅速推進(jìn)。在國際學(xué)會ISSCC上發(fā)表的GDDR系SGRAM的數(shù)據(jù)傳輸速度在2004年至2010年的6年間增加了4.4倍。年增長率為1.28倍。

隨著移動電話終端和智能手機(jī)等的普及，開發(fā)了低功耗版SDRAM。最初被稱為“移動DRAM”，但后來以“LP（Low Power）DDR SDRAM”的名稱進(jìn)行開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化。2009年，國際學(xué)會ISSCC首次公開了LPDDR系的試制硅芯片。由海力士半導(dǎo)體（Hynix Semiconductor）開發(fā)的1Gbit芯片，數(shù)據(jù)傳輸速度為1.066Gbps/pin。到2012年，LPDDR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度提高了1.5倍（年速率為1.14倍）。

DRAM開發(fā)動向的范式轉(zhuǎn)變。

通過引入時鐘同步式設(shè)計來實現(xiàn)高速化、不同用途的產(chǎn)品開發(fā)，以及考慮不同領(lǐng)域的安裝形態(tài)（封裝和模塊）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的制定等是2000年代以后的DRAM開發(fā)策略。大容量化的主要部分將由NAND閃存承擔(dān)。2005年，根據(jù)ISSCC，NAND閃存的存儲密度超過了DRAM的存儲密度?？梢哉f，這是“大容量為NAND閃存，高速為DRAM”的角色分擔(dān)越來越強(qiáng)的時代。