DRAM(动态随机存储器)的原理及芯片实现

半导体工艺与设备 2023-04-25 07:00

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什么是DRAM？

DRAM（动态随机存储器）在日常生活中还有一个亲切称呼叫内存条，利用电容储存电荷多少来存储数据，需要定时刷新电路克服电容漏电问题，读写速度比SRAM慢，常用于容量大的主存储器，如计算机、智能手机、服务器内存等。

DRAM内部结构

DRAM实物模组

DRAM历史与发展：早期存储器的发展史

1942年，世界上第一台电子数字计算机ATANASOFF-BERRY COMPUTER（ABC）诞生，使用再生电容磁鼓存储器存储数据。

1946年，随机存取存储器（RAM）问世，静电记忆管能在真空管内使用静电荷存储大约4000字节数据。

1947年，延迟线存储器被用于改良雷达声波。延迟线存储器是一种可以重刷新的存储器，仅能顺序存取。同年磁芯存储器诞生，这是随机存取存储器（RAM）的早期版本。

1951年，磁带首次被用于计算机上存储数据，在UNIVAC计算机上作为主要的I/O设备，称为UNIVACO ，这就是商用计算机史上的第一台磁带机。

1956年，世界上第一个硬盘驱动器出现在了IBM的RAMAC 305计算机中，标志着磁盘存储时代的开始。该计算机是第一台提供随机存取数据的计算机，同时还使用了磁鼓和磁芯存储器。

1965年，美国物理学家Russell发明了只读式光盘存储器（CD-ROM），1966年提交了专利申请。 1982 年，索尼和飞利浦公司发布了世界上第一部商用CD音频播放器CDP-101，光盘开始普及。

1966年，DRAM被发明。IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard发明了动态随机存取存储器（DRAM），并于1968年申请了专利。

1970年，Intel公司推出第一款商用DRAM芯片Intel 1103，彻底颠覆了磁存储技术。DRAM的出现解决了磁芯存储器体积庞大，运行速度慢，存储密度低及能耗较高等问题。

DRAM分类

DRAM主要可以分为DDR（Double Data Rate）系列、LPDDR（Low Power Double Data Rate）系列和GDDR（Graphics Double Data Rate）系列、HBM系列。

DDR是内存模块中使输出增加一倍的技术，是目前主流的内存技术。LPDDR具有低功耗的特性，主要应用于便携设备。GDDR一般会匹配使用高性能显卡共同使用，适用于具有高带宽图形计算的领域。

云计算、大数据的兴起，服务器的数据容量和处理速度在不断提高，推动了DDR技术的升级迭代，目前市场上主流技术规范为DDR4和LPDDR4，DDR5技术即将进入商用领域。

DRAM未来技术及制程

DRAM从2D架构转向3D架构是未来的主要趋势之一。3D DRAM是将存储单元（Cell）堆叠至逻辑单元上方以实现在单位晶圆面积上产出上更多的产量,这里主要通过改变电容设计实现，从平面电容到深槽电容再到堆叠电容，相较于普通的平面DRAM，3D DRAM可以有效降低 DRAM的单位成本。

其他发展路径：采用铁电材料的设计电容（ferro capacitor）以延长DRAM位元格储存电荷的时间延长。具有改善DRAM的资料保存时间（retention time），减小刷新的负担、快速开启或关闭低功耗模式、实现更低的备用功耗，以及进一步推动DRAM的规模化等优点。使用低漏电流沉积的薄膜晶体管（thin-film transistor），例如氧化铟镓锌，来取代DRAM位元格内的硅基晶体管，以大幅降低储存单元的面积。

DRAM存储单元电路蚀刻剖面演变

DRAM存储单元结构

内存芯片基本单元结构（DRAM Memory Cell Circuit)

WL(X)：字节线(Word Line)，X地址寻址线（Row Address）；

BL(Y)：比特线（Bit Line),Y地址寻址线（Column Address)和数据出入输出线(Data In/Out);

Transistor : 金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管开关;

Capacitor: 电荷储能单元即电容。

备注：内存芯片中每个单元都有以字节线和比特线组合的独立地址。以2016年主流4GB单面8芯片内存条为例，每粒内存芯片有4G个独立地址。

DRAM存储单元电路读写原理

存储单元电路

DRAM芯片工作原理

最早、最简单也是最重要的一款DRAM 芯片是Intel 在1979 年发布的2188，这款芯片是16Kx1 DRAM 18 线DIP 封装。“16K x 1”的部分意思告诉我们这款芯片可以存储16384个bit 数据，在同一个时期可以同时进行1bit 的读取或者写入操作。

DRAM2188芯片引脚图

2188内部架构

DRAM2188内部有/RAS(Row Address Strobe：行地址脉冲选通器)引脚控制的行地址门闩线路（Row Address Latch）和由/CAS(Column Address Strobe：列地址脉冲选通器)引脚控制的列地址门闩线路（ColumnAddress Latch）。

存储（读取）流程图

1)通过地址总线将行地址传输到地址引脚
2)/RAS 引脚被激活，这样行地址被放入到行地址选通电路中
3) 行地址解码器（ Row Address Decoder）选择正确的形式然后送到传感放大器（ sense amps）
4)/WE 引脚被确定不被激活，所以DRAM 知道它不会进行写入操作
5)列地址通过地址总线传输到地址引脚
6)/CAS 引脚被激活，这样列地址被放入到列地址选通电路中
7)/CAS 引脚同样还具有/OE 引脚的功能，所以这个时候Dout 引脚知道需要向外输出数据。
8) /RAS 和/CAS 都不被激活，这样就可以进行下一个周期的数据操作了。
其实DRAM 写入的过程和读取过程是基本一样的，所以如果你真的理解了上面的过程就能知道写入过程了，所以这里就不赘述了。（只要把第4 步改为/WE 引脚被激活就可以了）。

DRAM存储单元电路的半导体芯片实现