DRAM内存技术的基本原理是什么？

撰文 | 物理学博士

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。

本文经授权转载自微信公众号“物理博士看天下”，原题目为《介绍一下DRAM》。

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V-NAND到底是个啥？三星970EVO Plus强悍性能的背后

当我们在聊固态硬盘的时候，我们到底在聊些什么？经历了十数年的行业发展后，固态硬盘的技术规范和产品形态上逐步实现了统一，各家产品的差异已然上升到了内部架构和核心组件方面的技术代差上了。

简单剖析，固态硬盘产品的内核无外乎三大组件，用于调控整体存储功能和特殊机制的“大脑”即主控芯片，产品内部制作成本最高、担当存储重任的闪存颗粒，以及部分产品上用于产品支撑的缓存颗粒。

至于重要性而言，一举打破存储行业格局，让固态硬盘走入千家万户的存储介质，即闪存颗粒部分，可以说是区别固态硬盘好坏的最重要的内核组件。今天，笔者就以业界知名的三星970EVO Plus为实例，简单聊下关于闪存颗粒的技术和功能演变。

01 关于NAND闪存：单位电荷数Bit的变迁

NAND闪存，按照业界一般的理解， 本质上是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器，其中非易失性的突出特点，使得这种基于通断电存储的介质能够长久的保存数据，最终使得NAND闪存颗粒走向了前台；其实，熟悉闪存的朋友，可能还听过另一个词，即Dram颗粒，即动态随机存取存储器，同样是基于通断电的特性，只不过DRAM芯片的每次存储数据的过程中需要对于存储信息不停的刷新，无法实现长久存储，因而错过了这次“C位出道”的时机。

三星原厂NAND闪存颗粒

NAND闪存工作的原理是通过单位NAND内部电荷数Bit的通电和放电，实现对数据的存储。基于无机械结构的电荷存储优势，NAND闪存技术能够提供包括高性能、稳定、耐摔耐磕碰、一体成型故障率低等多种特点，迅速成为了各家存储厂商研发的重点。

因而，为了进一步提升NAND闪存容量，满足用户对于大容量存储的需求，在以三星、东芝、Intel等领先的NAND原厂推进下，研发出了不同电荷数Bit的多种NAND颗粒，即为SLC(1bit）、MLC（2bit）、TLC(3bit)、QLC(4bit)以及处于实验阶段即将量产的PLC（5bit）等类型。

不同颗粒类型的bit数分布

可随着单位电荷数Bit的堆叠，带来了两个后果，一是单位电荷Bit的增加对于半导体工艺制程的要求越来越高，从50nm制程一路升级到14/15/16nm制程，半导体制程工艺越来越无法满足更多单位电荷数Bit的堆叠了；二是单位电荷数Bit的堆叠，会在狭小的NAND闪存内部产生大量的干扰电流，严重影响闪存产品的性能和寿命。

02 三星V-NAND技术：从平面到垂直的创新性探索

为了解决单位堆叠的带来的电荷干扰问题以及半导体工艺的瓶颈，三星创新性的提出了在原有制程的基础上将NAND闪存以3D堆叠的形式，封装在NAND闪存之中，一方面解决了在平面的狭小空间内多个电荷数排列产生的电子干扰问题，保证了产品的质量和性能；

全球首款V-NAND技术产品

更为重要的是，解决了工艺制程无法推进容量提升的瓶颈，用3D堆叠替代2D平面排列，让NAND闪存以垂直的形式进行排列，进而提升了总体的容量。

V-NAND和普通2D NAND

朴素的理解就是，此前的NAND闪存就像在单位面积的地基上盖平房，平房的容积是恒定的，要想提升入住人口，只能无下限的降低单位容积率，其后果就是制造工艺和电磁干扰；

而V-NAND技术诞生之后，2D的平房变成了3D垂直的楼房，理论上只要高度不限制，单位面积的地基上的可利用容积几乎等同于无限，即避免了制程工艺的瓶颈又解决了电磁干扰的问题。

01 V-NAND技术是三星970EVO Plus强劲性能的有力支撑

三星V-NAND技术从2013年引入市场，便引发了全行业的关注，从初代的32层（即在单位面积上的堆叠层数）到后续的64层，直到9X层，根据公开消息，三星V-NAND技术或将提升到200+层堆叠，最大限度的提升单位闪存的利用率。

而笔者手中这款三星970EVO Plus便是采用三星全新V-NAND技术研发的旗舰级产品，基于V-NANDND技术在容量和稳定性上巨大优势，搭配着三星自研的Phoenix主控，使得三星970EVO Plus的性能实现了超越。

根据官方提供的数据，三星970EVO Plus最大读取性能达到了3500MB/S，最大写入性能也达到了3300MB/S，几乎达到了消费级固态硬盘的巅峰水准。作为一款推出了数年的旗舰级固态硬盘，在即将踏入存储新纪元的当下，依旧没有任何一款同级别的PCIE3.0固态能够在性能上实现对970EVO Plus的绝对超越。

实测性能

这背后的原因，无外乎三星在V-NAND技术上的近十年的积累，以及在此基础上进行的主控配对和优化。

多说一句，随着PCIE4.0时代的来临，三星也将在新世代推出旗舰级980PRO固态硬盘，进而延续PCIE3.0时代的行业地位，可以预见的是，980PRO固态硬盘依旧会在V-NAND堆叠、主控性能方面实现大跨越的升级，至于三星970EVO Plus则还是会成为PCIE3.0世代下的王者存在。

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