DRAM的过去将来以及技术原理

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DRAM的过去将来以及技术原理
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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,把控制接口连城一条线,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。

来源:微信公众号《物理博士看天下》,谢谢!

所有的伟大,都源于一个勇敢的开始!
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