【第一回】DRAM江湖标签：芯片之王

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作者：二马路的冰

排版：jacky

出品：SOlab

深度好文，2380字=15分钟阅读

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人类存储信息演变之路

甲骨文是人类最早期的信息存储方式之一。甲骨文也称“殷墟文字”，记录了大量殷商时代的王室占卜之辞，是中国古代文明中已知的、最早的、成体系的信息存储载体。信息存储的介质是龟甲和兽骨。

甲骨文存储了殷商王室的占卜记录信息图片来源：CCTV

到了唐朝，传说工匠可以在一粒大米上雕刻出一首唐诗，这意味着信息存储密度得到了大幅度提高，即单位面积可以容纳更多的信息。今天，读者搜一下淘宝或者京东网上，也可以找到许多米雕饰品的广告。

微雕技术图片来源：Google

现代文明中，在DRAM问世之前，人们存储数据的方法包括打孔卡、打孔纸带、磁带、磁鼓、磁芯，等等。1725年，打孔卡和打孔纸带问世，这是最早的机械化信息存储形式。

最早的数据存储介质：打孔卡图片来源：知乎

进入现代社会后，按照存储介质的不同，数字存储主要分为光学存储、磁性存储和半导体存储三类。

➢1928年磁带问世，磁性存储时代开始。

➢1949年，美国哈佛大学实验室的王安博士发明了磁芯存储器。

➢1956年，IBM公司购买了磁芯存储器专利，广泛应用于数据存储。

➢1970年，一种基于芯片工艺制成的、被称为DRAM的半导体存储器问世，人类进入半导体存储时代。

磁芯存储器是DRAM问世之前的主要数据存储载体图片来源：百度

随着物联网、人工智能、5G等产业的发展，人类社会已经步入数字经济时代。大数据以爆炸式速度蔓延至金融服务、智能制造、医疗保健以及媒体娱乐等行业，改变了人类社会的生产和生活方式。

图片来源：Google

据国际数据公司（IDC）测算，2020年，全球数据量达到了60ZB（泽字节，简称ZB，1ZB等于10万亿亿bit，相当于2.5万亿首mp3歌曲）。《数字中国发展报告（2021年）》指出，2021年，我国数据量达到6.6ZB，全球占比9.9%，位居世界第二。

据预测，2025年，全球数据总量到将达到175ZB，中国数据量将增至48.65ZB，全球占比上升到27.8%，对GDP增长贡献率为1.5~1.8%。海量数据的存储自然离不开半导体存储器。

大数据以爆炸式速度蔓延至各行各业图片来源：CCTV

DRAM芯片成王之路？

半导体产品的分类如下图所示。

半导体产品的分类图片来源：尚普研究院

➢其中，半导体存储器主要包括DRAM、NAND Flash和NOR Flash三个相对独立、各司其职的类别，占据最大半导体产品市场份额。

➢其中DRAM和NAND Flash占据半导体存储器市场份额的约98%，NOR Flash占据半导体存储器市场份额约为1%，其余的半导体存储器（SRAM、MRAM等）市场份额约为1%。

图片来源：Google

DRAM英文全称为Dynamic Random Access Memory，中文名为动态随机存取存储器，广泛应用于个人电脑、服务器和手机等的内存，主要被用来当作这些设备的主要存储器，被喻为连接中央处理器（CPU）的“数据高速公路”，CPU从DRAM中读取指令。

当然，CPU要与DRAM进行紧密接触，比如，通过封装层叠技术（package-on-package），将DRAM直接堆叠在CPU上面，以减少两者连接之间的电阻，从而降低功耗。

DRAM示意图图片来源：三星电子

DRAM约占芯片市场份额的1520%，一直稳居芯片市场份额的头把交椅，是最大宗的单一芯片产品。据估计，1970年至今，DRAM的累计销售额已经超过1万亿美元。

值得注意的是，这个累计销售额没有考虑到50多年来通货膨胀引起的美元贬值因素。2021年全球芯片市场份额是5500亿美元, 其中DRAM占芯片市场份额为17.5%，达961亿美元。作为参考，美国波音公司的全年营收为622.86亿美元。

图片来源：Google

DRAM的功能是暂存正在运行的各种程序和数据。下图表示的是2021年问世的第5代双倍数据速率DRAM模组，即DDR5内存。

DRAM模组商采用的DDR5内存，单颗芯片容量64GBit 图片来源：金士顿官网

DRAM是一种易失性存储器。其原理较为简单，基本存储单元由一个晶体管加一个电容组成，即所谓的 1T1C 架构。1T指的是1个晶体管，1C指的是1个电容。晶体管1T可以视为一个开关，当然，这个开关不是人为手动去控制的，而是用一个工作电压去控制的，频率可以做到每秒几万次。

毫无疑问，工作电压越小，DRAM的功耗就越低。电容1C可以视为存储容量为1bit的二进制信息，即0和1。

具体来说，充放电后电荷的多少，即电势的高低，分别对应二进制数据0和1。字线与晶体管栅极相连，以控制往电容的通道；位线与晶体管源极相连，以读取位元格内储存的电荷，或在写入时提供电压。

DRAM中的存储单元结构原理图片来源：芯光社

DRAM基本架构简单明了，因此设计比较简单，远远没有逻辑芯片的设计那么复杂。

其基本原理是将单个存储单元像拼图一样拼接起来，排列成二维矩阵阵列，可以视为增大存储容量，从而在2D平面上实现高性能、高密度和高质量的存储功能。

由于采用狭小的电容存储形式，电流会泄漏至电容或从电容中流出，所以信息只能保持很短的时间，必须隔一段时间（通常64毫秒）进行充电以保持晶体管的电势，这个充电的动作叫做刷新，以供 CPU 读写和处理。这也是为何DRAM的名字中含有“动态”的原因。作为对比，U盘使用的是非易失性存储器NAND闪存，断电情况下信息可以长久保存。