DRAM的技术研发趋势

在2023年2月在国际学会ISSCC上，三星电子正是披露了公司研发的存储容量为24Gbit的DDR5 DRAM的概要（下图左）和硅芯片（下图右）。就在学会上发布的DRAM而言，该DRAM容量堪称最大。

自DRAM的生产技术世代进入10纳米代际（及20纳米代际以下）以来，已经过去五年。在这五年里，DRAM技术、产品情况皆出现了明显变化。虽然笔者一直在汇总一下DRAM的技术研发趋势，但其定位却发生了较大变化。本文中，笔者首先从2000年以来的DRAM技术开始回顾。

微缩化进步的牵引力不再是DRAM

业界普遍认为，在2000年之前，半导体生产技术的进步皆由DRAM的微缩化引领，甚至一度被誉为拉动工艺技术进步的“Process Driver（工艺牵引力）”。但是，进入2000年，情况却发生了变化。NAND闪存（当时的平面型存储半导体）的进步极大了带动了生产技术的微缩化发展。NAND闪存成为了微缩化加工的“牵引力主角”。

线路技术国际学会ISSCC（IEEE International Solid-State Circuits Conference，每年二月在美国旧金山举办会议）是全球半导体业界最知名单位，近期公布了其试做芯片的研发成果。2009年一2011年的技术节点（最小加工尺寸）如下，DRAM为56nm一44nm，NAND闪存（Planer型）为32nm一21nm。

DRAM和NAND闪存（仅Planer型）的技术节点（生产技术代际：2009年一2017年）。上图为笔者总结的国际学会ISSCC公布的试做芯片数据。（图片出自：pc.watch）

一度走在微缩化最前沿的NAND闪存在2015年达到极限，并放弃了加工尺寸的微缩化，改为3D堆叠。NAND闪存的微缩化几乎不再进步，2015年以后DRAM再次成为微缩化的主要驱动。

逻辑半导体的“技术节点名”与实际尺寸背离

2000年以前，主要由DRAM驱动整个半导体业界（存储半导体和逻辑半导体）的微缩化发展；但2015年一2024年DRAM却没有引领逻辑半导体微缩化发展。理由有以下两点。

其一，逻辑半导体晶体管的3D化。MOS FET结构从平面型改为3D FinFET，因此门极长度(Gate Length，或者是“沟道长度”，一直是半导体微缩化的指标)的定义将不再有意义。取而代之的是“标准单元（Standard Cell，逻辑半导体的最小单位）”的“门极间距（Gate Pitch）”和最小线宽（严密来讲，应该是二者的积）。当下最尖端逻辑半导体的“技术节点”5纳米、7纳米等数值，不过是一个标签符号，实际（硅芯片）是不存在的。

2017年版的半导体技术蓝图（IRDS）。从上至下为逻辑半导体、NAND、DRAM、NAND闪存（技术代际为笔者推测）。可以看出，找不到逻辑半导体技术节点（红框）对应的尺寸。（图片出自：pc.watch）

其二，逻辑半导体芯片·工艺技术与DRAM芯片·工艺技术的差异很大。在每一代逻辑半导体生产工艺中，晶体管的技术变化或大或小，如应变硅(Strained Silicon)、HKMG（高介电率金属门极）、FinFET、COAG（Contact Over Active Gate）等。此外，还已经研发了铜（Cu）排线、低介电率的绝缘层膜等，并全面投入应用于多层排线。

DRAM的技术节点反映了真实的物理尺寸

DRAM的技术节点名称与实际尺寸接近，且不同于逻辑半导体。DRAM的技术节点名称多以代码来表示，如30纳米代际为“D3z”、20纳米代际为“D2x”。

依据代码也不难推测出其技术节点，如“D2x”约为28纳米、“D2y”约为25纳米、“D2z”约为22纳米。虽然技术节点的代码依DRAM厂家不同而不同，但差异不大。

大型DRAM厂家的技术节点和设计规则（D/R）之间的关系。可以看出，大型DRAM厂家的技术节点名称和实际设计规则之间存在差异。出自TechInsights公司（一家提供半导体芯片解析服务的企业）于2023年8月在“闪存峰会”上公布的资料。（图片出自：pc.watch）

技术节点相当于尺寸的现象存在于存储单元阵列（Memory Cell Array）的“活跃区（Active Region，或有源区、主动区）”。“活跃区”排列准确，且间距（Pitch）的1/2（Half Pitch）即为技术节点名称。换句话说，“D1x”代际（18纳米代际、也被成为1Xnm）的DRAM硅芯片的单元晶体管以36nm间距排列。

从TechInsights公司于2018年12月的披露的数据来看，三家DRAM厂家的“D1x”代际（1Xnm、Half-pitch）的最小尺寸如下，三星电子为18纳米、SK海力士为17.5纳米、镁光科技为19纳米。三家差异不大。

DRAM芯片的基本架构

接下来笔者将介绍DRAM芯片的基本架构（Architecture）。在DRAM的制造工艺中，厂家会尽可能多地在硅晶圆上制作DRAM芯片。从硅晶圆上切出的一颗DRAM芯片通常分为“存储单元阵列区域（通常由偶数个Sub-array构成）”和“周边线路区域（Peripheral）”

“存储单元阵列”作为DRAM的存储区域，理论上应该是2维阵列形状（Matrix）。就如同象棋棋盘或者奥赛罗（Othello）黑白棋的棋盘一样，行和列的交叉点即为“存储单元（Memory Cell）”，由“行的编号”和“列的编号”锁定存储单元的范围。此处，行的编号为“行地址（Row Address）”、列的编号为“列地址（Column Address）”。

在存储单元阵列区域，又分为“存储单元”、“核（Core）”。存储单元用于存储信号，由一个晶体管（MOSFET）和一个电容（Capacitor，即Cell Capacitor）构成。核（Core）内线路如下，从存储单元阵列中选择所需存储单元，并读取、写入数据。且配有“字线解码器（Word Line Decoder，用于选择单元晶体管的门极(字线)）”、“位线解码器（Bit Line Decoder，用于选择源极（位线））”、用于放大数据读取和写入信号的“Sense Amplifier”、用于连接各部分的排线等。

周边线路（Peripheral）由控制线路和输出线路构成。控制线路主要根据外部输入的指令、地址，让DRAM内部工作。输出/输入线路负责数据的输入（写入）、输出（读取）。

上图为DRAM的基本架构说明图。左上角为硅晶圆照片（推测实际直径尺寸为300mm）。左下角为DRAM的硅芯片照片。硅芯片中心左右两侧有周边线路、输出/输入Pad点、行解码器（Row Decoder），中央的上下部分有列解码器（Column Decoder）。上图右下角是存储单元阵列（Sub-array）的基本结构。红色字线（WL）和黄色位线（WL）的交叉点上有一个存储单元。字线的端部配与副字线驱动（SWD）相连、位线的端部与读出放大器（Sense Amplifier，简称为“SA”）相连。上图右上角为各部分占硅芯片的比例。存储单元占50一55%，核（解码器、驱动器、读出放大器、相互连接部分）占25一30%，周边线路（Peripheral，控制线路和输出线路）占20%左右。在2018年的国际学会IEDM的技术讲座上，三星电子公布了其相关资料，上图出自其资料。（图片出自：pc.watch）

通过将电荷储存于电容，存储理论值

DRAM的存储单元由一个晶体管（简称为：“T”）和一个电容（简称为：“C”）构成。在存储半导体行业，普遍称之为“1T1C”。晶体管具有选择开关的作用，因此也被称为“选择晶体管”。读取/写入动作时，字线解码器和位线解码器选择的位线和字线的交叉点的“选择晶体管”成为“ON”状态。

存储单元的电容（在性能上与作为电子零部件的电容类似）主要存储电荷信号，也被称为“单元电容”。当电容存储一定容量的电荷后，存储单元的理论值为“高（或者1）”。相反，当存储的电荷不满时，存储单元的理论值为“低（或者0）”。

DRAM存储单元的线路事例（左图）、电子显微镜下观测到的存储单元断面图（右图）。左侧线路图下，选择晶体管（通常为n渠道MOSFET）的门极为字线（红色：WL）、源极为位线（黄色：WL）。选择晶体管的漏极（Drain）经由单元电容与平板（Plate）电极相连。在右侧的断面图中，红色部分（WL）为选择晶体管的门极（字线）、BLC为位线连接、SNC为存储节点连接（Storage Node Connect）。SNC上方与电容（照片中的Cap部分）相连。SNC文字左侧的黄色字“BL”为“位线”。（图片出自：pc.watch）

DRAM存储单元的基本动作和Refresh

在将数据写入DRAM时，利用解码器将指定位置的选择晶体管改为“ON状态”，同时，将读取的数据暂存于输入缓存区（Buffer），然后，利用读取放大器将数据转为电流、为单元电容充电。

充电后，随着电容的不断放电以及时间的流逝，写入的数据（电荷）会逐步消失。因此需要定期写入数据的动作。该动作被称为“Refresh”。2000年以前的DRAM而言，采用的是一个外接的存储控制器在适当的时间点实施“Refresh”。最近，大部分产品采用的是在产品内部实施“Refresh”。

读取数据时，把选择晶体管改为“ON”状态，单元电容的电荷以电流的形式流向“位线”。位线的电流利用读取放大器（S/A）以电压的形式增压，电压信号经由输出缓存区向外输出。

在读取工作中，需要注意的是单元电容的电荷可能会因为读取工作而丢失。读取放大器可以及时修复读取的数据（即重新写入）。

2000年后，DRAM存储容量增长不明显

2000年以前，尤其是上世纪70年代和80年代DRAM的存储容量增长极其明显。存储半导体行业曾有“三年四倍”的说法，即存储容量扩大了四倍的新一代DRAM会在三年后量产。主流用户虽然从20世纪70年代的Main-flame变成了80年代的Workstation和90年代的PC，但DRAM厂家并没有辜负“三年四倍”的惯例。

从国际学会ISSCC（每年二月份召开）上公布的硅芯片的概要来看DRAM的研发情况，如下，最初为最大存储容量，20世纪90年代初期，容量进步速度远超“三年四倍（甚至为1年1.59倍）”。1990年为16Mbit，在1995年为1Gbit，即“五年64倍（1年2.3倍）”。

然而，1995年以后，存储容量的增长就不再明显。1999年之前，一直保持着1Gbit的最大容量。后来，又徘徊于256Mbit和512Mbit、1Gbit、2Gbit、4Gbit。但却迟迟没有进入新一代的4Gbit。2014年和2016年公布了8Gbit的硅芯片，可以说终于从1Gbit进步了1.5个代际。其实，进步速度为“20年8倍”（1年1.11倍），可以说是DRAM研发历史上容量进步最慢的一次。

DRAM最大存储容量（单个硅芯片）（1990年一2014年）。此图为笔者汇总自国际学会ISSCC披露的数据。可以看出，1996年~2012年期间，容量进步不明显（年度扩大率为1.11倍）。（图片出自：pc.watch）

DRAM研发的“颠覆性转换”

1995年~2014年期间的20年中，DRAM研发又发生了什么呢？粗略来讲，研发方向发生了很大变化。甚至可以说是“颠覆性转换（Paradigm Shift）”，即DRAM的研发方不再是扩大容量，而是提升速度。

DRAM数据传输速度（单个输入/输出Pin）的推移表（2000年一2012年）。笔者汇总自国际学会ISSCC披露的数据。上述三个系列的年度容量扩大速度均超多1.11倍。（图片出自：pc.watch）

为了提升存储速度，采用“时钟（Clock）同步”的方式控制动作时间。最初，为了与传统的DRAM（Clock-less式非同步DRAM）区分，称之为“SDRAM（S：Synchronous）”。如今，大家看到“DRAM”一般就默认为“同步式”（或者不去刻意区分同步还是非同步）。严格来讲，DRAM（如DDR、LPDDR、GDDR等）应该被记为“SDRAM”，因此在企业的产品目录、学会论文中一般会记录为“SDRAM”。

可以看出，SDRAM的新一代标准式样是有意强调其速度之快而做成的。最初的SDRAM是以时钟速度输入/输出速度的。此时的时钟频率为133MHz。新一代SDRAM可以以两倍时钟速度输入/输出数据，即“DDR（Double Data Rate） SDRAM”。时钟频率高达200MHz，数据的输入/输出速度是时钟的两倍，即400MT/s的输入/输出Pin（此处T=Transfer，即传输次数，即一次传输接收/发送1bit，bit/秒）。

近年来，每一代DDR系列SDRAM的数据输入/输出速度都较前一代提升两倍。在国际学会ISSCC上公布的DDR系列SDRAM的数据传输速度如下，自2003年至2012年，9年内提升到4.4倍，即1.18倍/年。

Graphics DRAM（显存）也采用DDR，并积极提升传输速度，即G（Graphics）DDR、SGRAM(Synchronous Graphics RAM)。GDDR系列的SGRAM的传输速度正不断攀升。国际学会ISSCC上披露的GDDR系列SGRAM的数据传输速度如下，2004年至2010年期间的六年内，增长至4.4倍，即1.28倍/年。

随着智能手机的普及，开始研发低功耗版的SDRAM。最初被称为“Mobile DRAM”，后来基于“LP（Low Power）DDR SDRAM”的名称研发逐步步入正轨。2009年国际学会ISSCC上首次披露LPDDR系列的试做版硅芯片。当时的Hynix 半导体公司研发的1Gbit芯片的数据传输速度为1.066Gbps/pin。即在2012年之前，LPDDR系列的数据传输速度提升至1.5倍（1.14倍/年）。

DRAM研发方向出现“颠覆性转变”（2000年一2014年）。1995年一2004年(或至2014年)期间的10年（或20年）内，发生了诸多变化。（图片出自：pc.watch）

2000年以后的DRAM研发战略方向主要如下，高速化（通过导入时钟同步式的设计）、依据产品应用方向进行研发、依据应用方向确定封装（Packing 或Module）标准。NAND闪存是大容量的“主角”。2005年，在ISSCC上披露了NAND闪存存储密度超过DRAM的信息。可以说，如今已经步入了“NAND闪存容量大、DRAM速度高”的时代。

审核编辑：刘清