《電子技術(shù)應(yīng)用》
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DRAM研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向
電子技術(shù)應(yīng)用
牛君怡1，孫鍇1，2
1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 集成電路學(xué)院；2.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所
摘要： 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）因其高存儲(chǔ)密度和成本效益，在現(xiàn)代大規(guī)模計(jì)算機(jī)和超高速通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。主要介紹動(dòng)態(tài)DRAM的發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展以及未來(lái)發(fā)展方向。首先，介紹了DRAM的分類、基本單元結(jié)構(gòu)、工作原理。其次，詳細(xì)介紹了DDR SDRAM的關(guān)鍵性能指標(biāo)以及專用DRAM的發(fā)展。然后，介紹了提高DRAM訪問(wèn)速度、容量與密度的創(chuàng)新DRAM架構(gòu)和技術(shù)，以及無(wú)電容存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)、3D堆疊DRAM技術(shù)以及Rowhammer安全問(wèn)題及其防御機(jī)制。最后，展望了DRAM技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向，闡述了為了應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的高速、低功耗和高可靠性的存儲(chǔ)需求，對(duì)現(xiàn)有DRAM技術(shù)的進(jìn)行深入研究和創(chuàng)新的重要性。
中圖分類號(hào)：TP333.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245701
中文引用格式： 牛君怡，孫鍇. DRAM研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(12)：21-30.
英文引用格式： Niu Junyi，Sun Kai. Research status and development direction of DRAM[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(12)：21-30.
Research status and development direction of DRAM
Niu Junyi1，Sun Kai1，2
1.School of Integrated Circuits， University of Chinese Academy of Sciences； 2.Institute of Microelectronics， Chinese Academy of Sciences
Abstract： Dynamic Random Access Memory (DRAM) is widely used in modern large-scale computers and ultra high speed communication systems due to its high storage density and cost-effectiveness. This article mainly introduces the development history, key technologies, domestic and international research progress, and future development directions of dynamic DRAM. Firstly, the classification, basic unit structure, and working principle of DRAM are introduced. Secondly, the key performance indicators of DDR SDRAM and the development of dedicated DRAM are introduced in detail. Then, innovative DRAM architectures and technologies that improve DRAM access speed, capacity, and density are introduced, as well as capacitor free storage cell structures, 3D stacked DRAM technology, and Rowhammer security issues and defense mechanisms. Finally, the future development direction of DRAM technology is discussed, and the importance of in-depth research and innovation on existing DRAM technology is emphasized to meet the growing demand for high-speed, low-power, and high reliability storage.
Key words : DRAM；non capacitive storage unit；3D DRAM；Rowhammer；2T0C DRAM

引言

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Dynamic Random Access Memory, DRAM）是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的一種存儲(chǔ)器類型。DRAM因其高存儲(chǔ)密度和較低成本的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于各種計(jì)算和電子設(shè)備中。

DRAM的基本單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容組成，晶體管則用來(lái)訪問(wèn)和控制數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入。字線用來(lái)控制晶體管的開(kāi)關(guān)，位線用來(lái)感知電容上的電荷來(lái)進(jìn)行讀取操作。然而，由于電容漏電，DRAM需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，這是與靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Static Random Access Memory, SRAM）的主要區(qū)別。DRAM的存儲(chǔ)容量由其存儲(chǔ)單元的數(shù)量決定，而訪問(wèn)速度則取決于存儲(chǔ)單元的排列方式和訪問(wèn)機(jī)制。在現(xiàn)代DRAM中，存儲(chǔ)單元通常以矩陣形式排列，通過(guò)行地址和列地址來(lái)定位特定的存儲(chǔ)單元。

在過(guò)去的幾十年中，每個(gè)芯片的存儲(chǔ)單元數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。存儲(chǔ)單元的縮放一直是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)密度快速增加的主要策略[1]，由于DRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這種出色的可擴(kuò)展性使其在存儲(chǔ)器市場(chǎng)上獲得了長(zhǎng)期的成功。尤其是受數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的需求影響，預(yù)計(jì)2032年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1 939.7億美元[2]。

目前主流DRAM產(chǎn)品目前處在10~20 nm工藝制造的階段，由于DRAM制程工藝進(jìn)入20 nm以后，制造難度越來(lái)越高，因此內(nèi)存芯片制造廠商對(duì)工藝的定義不再是具體的尺寸，而是以1x（第一代）、1y（第二代）、1z（第三代）、1a（第四代）、1b（第五代）來(lái)定義，每一代的DRAM產(chǎn)品都向著10 nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)靠近。目前，世界上領(lǐng)跑DRAM市場(chǎng)的三大廠商（三星、美光和海力士）都已經(jīng)商業(yè)化基于1a和1b技術(shù)節(jié)點(diǎn)的DRAM產(chǎn)品。而國(guó)內(nèi)DRAM廠商代表長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)于2023年11月28日發(fā)布基于18.5 nm（相當(dāng)于1x技術(shù)節(jié)點(diǎn)）工藝的LPDDR5產(chǎn)品，成為國(guó)內(nèi)首家自主研發(fā)LPDDR5的公司。

DRAM單元的縮放也帶來(lái)了許多的問(wèn)題。如果不在結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面進(jìn)行重大創(chuàng)新，DRAM的密度提升將很快遇到瓶頸，不再能夠滿足像人工智能、計(jì)算機(jī)等應(yīng)用對(duì)高速、密集存儲(chǔ)器的要求。

本文通過(guò)總結(jié)DRAM近五年的一些研究成果，探討DRAM技術(shù)的發(fā)展歷程，分析當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，展望未來(lái)的發(fā)展方向。


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作者信息：

牛君怡1，孫鍇1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 集成電路學(xué)院，北京 101408；

2.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）


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