張瑋

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)內(nèi)存經(jīng)歷了從SDRAM到DDR4的快速發(fā)展，深入到人類(lèi)工作和生活的方方面面，盡管其基本原理和內(nèi)核結(jié)構(gòu)始終沒(méi)變，但其容量、速率和功耗都有了巨大的提高，技術(shù)難度和生產(chǎn)工藝難度也越來(lái)越大。隨著越來(lái)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(nèi)存的基本原理、當(dāng)前產(chǎn)品的特征和下一代內(nèi)存DDR5的新特征。

關(guān)鍵詞：內(nèi)存;SDRAM;DDR4;DDR5

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）35-0224-02

1 內(nèi)存的基本原理

內(nèi)存全稱(chēng)為DDR SDRAM （Double Data Rate SDRAM），SDRAM的全稱(chēng)為Synchronous Dynamic Random Access Memory。DDR是在原有的SDRAM的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。DDR其作用是用于暫時(shí)存放CPU中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，以及與硬盤(pán)等外部存儲(chǔ)器交換的數(shù)據(jù)。它支持高速讀寫(xiě)，而且理論上可以讀寫(xiě)無(wú)限次，使用壽命可達(dá)十年以上。

圖1是DDR的一個(gè)基本存儲(chǔ)單元，圖中的Cell Capacitor是一個(gè)用來(lái)存儲(chǔ)電荷的電容。當(dāng)里面的電荷電壓為VDD時(shí)，對(duì)應(yīng)讀出來(lái)的數(shù)據(jù)為“1”;當(dāng)里面的電荷電壓為0時(shí)，對(duì)應(yīng)讀出來(lái)的數(shù)據(jù)為“0”。由于電容里的電荷會(huì)泄露，所以需要不斷地對(duì)它充電，也叫刷新。Control Transistor是三極管，用來(lái)控制Cell Capacitor的打開(kāi)與關(guān)閉。當(dāng)要訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)存儲(chǔ)單元時(shí)，Wordline為高電平，這時(shí)三極管導(dǎo)通，通過(guò)Digitline就可以讀出或?qū)懭脒@個(gè)存儲(chǔ)單元Cell Capacitor了。內(nèi)存雖然經(jīng)歷了SDRAM到DDR4的升級(jí)變遷，但基本的存儲(chǔ)單元一直沒(méi)變，基本存儲(chǔ)原理也一直沒(méi)變。DDR的內(nèi)核還是SDRAM，其內(nèi)核速率還是133MHz，DDR4內(nèi)核提高到了266MHz，但LPDDR4內(nèi)核還是保持在133MHz，它通過(guò)16倍的預(yù)讀取來(lái)達(dá)到2133MHz的傳輸速率。

2 內(nèi)存的種類(lèi)和特征

從幾十年前的第一代SDRAM到今天的DDR4，內(nèi)存在容量、速度和功耗上取得了巨大的進(jìn)步。內(nèi)存產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)和手機(jī)一起，經(jīng)歷了幾次更新?lián)Q代，容量從64MB升級(jí)到了今天的16GB，速率從133MHz升級(jí)到了今天的2133MHz，單位功耗降低了80%以上。主要產(chǎn)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(nèi)存的主要特征如表1：

由于應(yīng)用場(chǎng)景不同，這幾種DDR目前都還在生產(chǎn)和銷(xiāo)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(chǎn)品還在用LPDDR3 。中高端手機(jī)都用LPDDR4，低端手機(jī)還在用LPDDR3，還在研發(fā)中的下一代5G手機(jī)會(huì)采用LPDDR5?？梢?jiàn)，在手機(jī)上，內(nèi)存無(wú)論在速度或功耗上都已經(jīng)全面趕超電腦了，這得益于其龐大的市場(chǎng)，傳統(tǒng)的電腦市場(chǎng)在日益萎縮，但以手機(jī)為代表的移動(dòng)計(jì)算市場(chǎng)在迅猛發(fā)展。

內(nèi)存市場(chǎng)已經(jīng)被三大寡頭壟斷，韓國(guó)三星占46%的份額，韓國(guó)海力士占27%的份額，美國(guó)美光占23%的份額，剩余4%的份額歸臺(tái)灣的一些小廠(chǎng)。國(guó)內(nèi)有一些廠(chǎng)商開(kāi)始投資建廠(chǎng)，想進(jìn)入內(nèi)存市場(chǎng)。但內(nèi)存行業(yè)在過(guò)去幾十年里面積累的大量專(zhuān)利和工藝經(jīng)驗(yàn)成了巨大的進(jìn)入壁壘，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商很難在短時(shí)間里攻克這些難關(guān)。

3 下一代內(nèi)存趨勢(shì)及實(shí)現(xiàn)

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(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)內(nèi)存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的組織JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)（ Solid State Technology Association）宣稱(chēng)，下一代內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)DDR5將亮相，并預(yù)計(jì)在2018年完成最終的標(biāo)準(zhǔn)制定。

2018年7月17日三星宣布成功開(kāi)發(fā)出業(yè)內(nèi)首款LPDDR5內(nèi)存芯片，基于10nm級(jí)（10-20nm）工藝。據(jù)悉，該LPDDR5內(nèi)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(yàn)證。這顆業(yè)內(nèi)首枚LPDDR5芯片具有極佳的性能，其內(nèi)存速度（針腳帶寬）最高達(dá)3200MHz，是LPDDR4 內(nèi)存速度（針腳帶寬）2133MHz的1.5倍，每秒可以傳送51.2GB數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，功耗比LPDDR4降低高達(dá)30%，從設(shè)計(jì)的角度分析來(lái)看，主要是得益于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓、避免無(wú)效消耗、深度睡眠等技術(shù)加入。

2018年10月，Cadence和美光公布了自己的DDR5內(nèi)存研發(fā)進(jìn)度，兩家公司已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)16GB DDR5產(chǎn)品，并計(jì)劃在2019年年底之前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)目標(biāo)。

LPDDR5與LPDDR4的主要差別，見(jiàn)表2。

LPDDR5高達(dá)3.2GHz的頻率是通過(guò)增加預(yù)讀取倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(lái)分析，主要有2種。

3.1 I/O端口降低功耗

LPDDR5的VDDQ在有終結(jié)電阻的時(shí)候從LPDDR4的0.6V降到了0.5V，沒(méi)有終結(jié)電阻時(shí)降到了0.3V，這可以降低大概20%的功耗。

3.2 低頻工作時(shí)降低功耗

研究人員經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)LPDDR4的工作情況得出了一個(gè)結(jié)論，內(nèi)存大概45%的時(shí)間都工作在低頻范圍，30%的時(shí)間工作在中頻范圍，只有25%的時(shí)間工作再高頻范圍。所以，要想降低內(nèi)存的功耗，降低低頻時(shí)的功耗是重中之重。

在高頻時(shí)，降低功耗主要通過(guò)降低VDDQ來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在低頻時(shí)，降低功耗要通過(guò)以下幾種方法組合來(lái)實(shí)現(xiàn)：

1） 動(dòng)態(tài)電壓頻率切換內(nèi)核（Dynamic Voltage Frequency Scaling Core， 即DVFSC）

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

2） 動(dòng)態(tài)電壓頻率切換數(shù)據(jù)接口（Dynamic Voltage Frequency Scaling DQ， 即DVFS DQ）

高頻時(shí)，提高VDDQ到0.5V，啟用終結(jié)電阻以提高信號(hào)質(zhì)量。低頻時(shí)，降低VDDQ到0.3V，停用終結(jié)電阻以降低功耗。

3） 減少信號(hào)傳輸

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

b） 低頻時(shí)采用單端始終而不是差分時(shí)鐘，這樣可以減少一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

4） 數(shù)據(jù)和命令地址采用分開(kāi)的時(shí)鐘

高速數(shù)據(jù)時(shí)鐘只有在數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸時(shí)才啟用，而在傳輸命令和地址信號(hào)時(shí)采用低速命令時(shí)鐘，這樣也可以降低部分功耗。

4 我國(guó)的現(xiàn)狀

內(nèi)存行業(yè)是我國(guó)的一塊短板，是進(jìn)出口貿(mào)易差的最大“黑洞”，目前及未來(lái)幾年，我國(guó)內(nèi)存行業(yè)主要以進(jìn)口國(guó)外品牌為主。隨著美國(guó)的信用打折，喚醒了國(guó)人的危機(jī)意識(shí)，國(guó)內(nèi)企業(yè)在國(guó)家的大力扶持下，“中國(guó)芯”會(huì)加快發(fā)展的腳步，內(nèi)存產(chǎn)品在技術(shù)以及質(zhì)量上與國(guó)外差距將越來(lái)越小。

5 結(jié)束語(yǔ)

如果把CPU比喻為電子產(chǎn)品的心臟，那么內(nèi)存就是電子產(chǎn)品的血液。在個(gè)人電腦、手機(jī)、云計(jì)算、人工智能、無(wú)人駕駛、電視等消費(fèi)類(lèi)電子、航空航天、現(xiàn)代武器裝備等等各行各業(yè)，內(nèi)存都是最重要的器件之一和價(jià)格最貴重的器件之一。內(nèi)存從工藝、速率和功耗這三個(gè)維度還在遵循摩爾定律，不斷更新升級(jí)。技術(shù)設(shè)計(jì)難度、工藝難度和專(zhuān)利的壁壘越來(lái)越高，新的廠(chǎng)家很難進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。內(nèi)存的戰(zhàn)略地位絕對(duì)不亞于石油，中國(guó)是全球最大的內(nèi)存消費(fèi)市場(chǎng)，2017年進(jìn)口了889億美元的內(nèi)存，遠(yuǎn)超石油進(jìn)口。中國(guó)內(nèi)存產(chǎn)業(yè)的發(fā)展道路還長(zhǎng)，任重道遠(yuǎn)，需要數(shù)代人的努力奮斗。

參考文獻(xiàn)：

[1] R.Jacob Baker， Brian Johnson.DRAM Circuit Design： Fundamental and High-Speed Topics Brent Keeth， Feng Lin? Wiley-IEEE Press，2007，12（4）.

[2] 李業(yè)明.試析計(jì)算機(jī)內(nèi)存的優(yōu)化及管理[J].科學(xué)與財(cái)富，2015.

[3] 李文棣.計(jì)算機(jī)內(nèi)存的優(yōu)化及管理淺析[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2013.

[4] 傅金福.數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].電腦迷，2016.

[通聯(lián)編輯：光文玲]