張瑋

摘要：隨著科學技術的進步，計算機內存經歷了從SDRAM到DDR4的快速發(fā)展，深入到人類工作和生活的方方面面，盡管其基本原理和內核結構始終沒變，但其容量、速率和功耗都有了巨大的提高，技術難度和生產工藝難度也越來越大。隨著越來越多的研究者加入，新一代的DDR5即將面世，提供了更高的速率和更低的功耗。該文介紹了內存的基本原理、當前產品的特征和下一代內存DDR5的新特征。

關鍵詞：內存;SDRAM;DDR4;DDR5

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）35-0224-02

1 內存的基本原理

內存全稱為DDR SDRAM （Double Data Rate SDRAM），SDRAM的全稱為Synchronous Dynamic Random Access Memory。DDR是在原有的SDRAM的基礎上改進而來。DDR其作用是用于暫時存放CPU中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲器交換的數據。它支持高速讀寫，而且理論上可以讀寫無限次，使用壽命可達十年以上。

圖1是DDR的一個基本存儲單元，圖中的Cell Capacitor是一個用來存儲電荷的電容。當里面的電荷電壓為VDD時，對應讀出來的數據為“1”;當里面的電荷電壓為0時，對應讀出來的數據為“0”。由于電容里的電荷會泄露，所以需要不斷地對它充電，也叫刷新。Control Transistor是三極管，用來控制Cell Capacitor的打開與關閉。當要訪問一個存儲單元時，Wordline為高電平，這時三極管導通，通過Digitline就可以讀出或寫入這個存儲單元Cell Capacitor了。內存雖然經歷了SDRAM到DDR4的升級變遷，但基本的存儲單元一直沒變，基本存儲原理也一直沒變。DDR的內核還是SDRAM，其內核速率還是133MHz，DDR4內核提高到了266MHz，但LPDDR4內核還是保持在133MHz，它通過16倍的預讀取來達到2133MHz的傳輸速率。

2 內存的種類和特征

從幾十年前的第一代SDRAM到今天的DDR4，內存在容量、速度和功耗上取得了巨大的進步。內存產品與計算機和手機一起，經歷了幾次更新?lián)Q代，容量從64MB升級到了今天的16GB，速率從133MHz升級到了今天的2133MHz，單位功耗降低了80%以上。主要產品包括以下幾種：

SDRAM - Synchronous DRAM

DDR - Double Data Rate SDRAM

DDR2 - 第二代DDR

DDR3 - 第三代DDR

DDR4 - 第四代DDR

LPDDR - Low Power DDR

LPDDR2 - 第二代low Power DDR

LPDDR3 - 第三代low Power DDR

LPDDR4 - 第四代low Power DDR

這幾種內存的主要特征如表1：

由于應用場景不同，這幾種DDR目前都還在生產和銷售。目前大部分電腦都是用DDR4，超極本和平板電腦由于要省電主要用LPDDR4，低端的產品還在用LPDDR3 。中高端手機都用LPDDR4，低端手機還在用LPDDR3，還在研發(fā)中的下一代5G手機會采用LPDDR5。可見，在手機上，內存無論在速度或功耗上都已經全面趕超電腦了，這得益于其龐大的市場，傳統(tǒng)的電腦市場在日益萎縮，但以手機為代表的移動計算市場在迅猛發(fā)展。

內存市場已經被三大寡頭壟斷，韓國三星占46%的份額，韓國海力士占27%的份額，美國美光占23%的份額，剩余4%的份額歸臺灣的一些小廠。國內有一些廠商開始投資建廠，想進入內存市場。但內存行業(yè)在過去幾十年里面積累的大量專利和工藝經驗成了巨大的進入壁壘，國內廠商很難在短時間里攻克這些難關。

3 下一代內存趨勢及實現

目前，全球的DRAM芯片主要集中于三星、SK Hynix及美光等公司手中，2017年6月，負責計算機內存技術標準的組織JEDEC固態(tài)技術協(xié)會（ Solid State Technology Association）宣稱，下一代內存標準DDR5將亮相，并預計在2018年完成最終的標準制定。

2018年7月17日三星宣布成功開發(fā)出業(yè)內首款LPDDR5內存芯片，基于10nm級（10-20nm）工藝。據悉，該LPDDR5內存芯片單顆容量8GB（1GB），8GB容量的模組原型也做出并完成功能驗證。這顆業(yè)內首枚LPDDR5芯片具有極佳的性能，其內存速度（針腳帶寬）最高達3200MHz，是LPDDR4 內存速度（針腳帶寬）2133MHz的1.5倍，每秒可以傳送51.2GB數據。與此同時，功耗比LPDDR4降低高達30%，從設計的角度分析來看，主要是得益于動態(tài)調節(jié)電壓、避免無效消耗、深度睡眠等技術加入。

2018年10月，Cadence和美光公布了自己的DDR5內存研發(fā)進度，兩家公司已經開始研發(fā)16GB DDR5產品，并計劃在2019年年底之前實現量產目標。

LPDDR5與LPDDR4的主要差別，見表2。

LPDDR5高達3.2GHz的頻率是通過增加預讀取倍數來實現的，而功耗大幅降低是由于多方面的原因，從LPDDR5降低功耗的措施來分析，主要有2種。

3.1 I/O端口降低功耗

LPDDR5的VDDQ在有終結電阻的時候從LPDDR4的0.6V降到了0.5V，沒有終結電阻時降到了0.3V，這可以降低大概20%的功耗。

3.2 低頻工作時降低功耗

研究人員經過統(tǒng)計LPDDR4的工作情況得出了一個結論，內存大概45%的時間都工作在低頻范圍，30%的時間工作在中頻范圍，只有25%的時間工作再高頻范圍。所以，要想降低內存的功耗，降低低頻時的功耗是重中之重。

在高頻時，降低功耗主要通過降低VDDQ來實現。而在低頻時，降低功耗要通過以下幾種方法組合來實現：

1） 動態(tài)電壓頻率切換內核（Dynamic Voltage Frequency Scaling Core， 即DVFSC）

LPDDR5供電電路可以分為兩類，一類是給存儲單元（memory cell）供電的穩(wěn)定電壓，另一類是給接口電路和邏輯電路供電的可變電壓。當工作在低頻時，可變電壓電路切換到低壓供電電路，這樣就可以進一步降低功耗。

2） 動態(tài)電壓頻率切換數據接口（Dynamic Voltage Frequency Scaling DQ， 即DVFS DQ）

高頻時，提高VDDQ到0.5V，啟用終結電阻以提高信號質量。低頻時，降低VDDQ到0.3V，停用終結電阻以降低功耗。

3） 減少信號傳輸

a） 命令地址信號（CA）在上升沿和下降沿都采樣，這樣可以降低命令地址信號的時鐘頻率。

b） 低頻時采用單端始終而不是差分時鐘，這樣可以減少一個時鐘信號。

4） 數據和命令地址采用分開的時鐘

高速數據時鐘只有在數據開始傳輸時才啟用，而在傳輸命令和地址信號時采用低速命令時鐘，這樣也可以降低部分功耗。

4 我國的現狀

內存行業(yè)是我國的一塊短板，是進出口貿易差的最大“黑洞”，目前及未來幾年，我國內存行業(yè)主要以進口國外品牌為主。隨著美國的信用打折，喚醒了國人的危機意識，國內企業(yè)在國家的大力扶持下，“中國芯”會加快發(fā)展的腳步，內存產品在技術以及質量上與國外差距將越來越小。

5 結束語

如果把CPU比喻為電子產品的心臟，那么內存就是電子產品的血液。在個人電腦、手機、云計算、人工智能、無人駕駛、電視等消費類電子、航空航天、現代武器裝備等等各行各業(yè)，內存都是最重要的器件之一和價格最貴重的器件之一。內存從工藝、速率和功耗這三個維度還在遵循摩爾定律，不斷更新升級。技術設計難度、工藝難度和專利的壁壘越來越高，新的廠家很難進入這個市場。內存的戰(zhàn)略地位絕對不亞于石油，中國是全球最大的內存消費市場，2017年進口了889億美元的內存，遠超石油進口。中國內存產業(yè)的發(fā)展道路還長，任重道遠，需要數代人的努力奮斗。

參考文獻：

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[通聯(lián)編輯：光文玲]