聊聊DRAM的原理、結(jié)構(gòu)、工藝挑戰(zhàn)、未來發(fā)展

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-09-19 10:38:36 909

1. DRAM的基本概念

DRAM（Dynamic Random-Access Memory）是一種存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備中。

圖：存儲(chǔ)芯片分類

與SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）不同，DRAM需要周期性地刷新來保持存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，這就是“動(dòng)態(tài)”的含義。每個(gè)DRAM單元由一個(gè)電容器和一個(gè)晶體管組成。

圖：DRAM和SRAM優(yōu)劣勢對比

圖：利用DRAM做成的內(nèi)存條

2. DRAM單元結(jié)構(gòu)

每個(gè)DRAM存儲(chǔ)單元主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：

電容器：用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，電容器可以充電（表示“1”）或放電（表示“0”）。

晶體管：作為開關(guān)，用于控制電容器的充放電狀態(tài)，從而讀寫數(shù)據(jù)。

圖：DRAM單元結(jié)構(gòu)

3. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理

寫入數(shù)據(jù)：當(dāng)需要寫入數(shù)據(jù)時(shí)，電路會(huì)通過晶體管控制電容器的充放電狀態(tài)，將“1”或“0”寫入存儲(chǔ)單元。

讀取數(shù)據(jù)：讀取操作時(shí)，通過控制晶體管，將電容器中的電荷狀態(tài)（電壓）讀出，判斷是“1”還是“0”。

圖：DRAM結(jié)構(gòu)

4. 刷新操作

由于電容器存在漏電現(xiàn)象，電荷會(huì)逐漸消散。因此，DRAM需要定期刷新（通常每隔幾毫秒）來重新充電，從而保持?jǐn)?shù)據(jù)的正確性。這一操作由專用的刷新電路完成。

5. DRAM的工藝挑戰(zhàn)

工藝縮減：隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小（如從38nm到19nm再到更小節(jié)點(diǎn)），每個(gè)存儲(chǔ)單元的尺寸大幅減小，這給晶體管和電容器的制造帶來了巨大的挑戰(zhàn)。需要精確控制蝕刻、氧化、摻雜等工藝步驟，以確保單元的可靠性和性能。

設(shè)計(jì)規(guī)則縮減：設(shè)計(jì)規(guī)則的縮減要求更嚴(yán)格的布局和布線，以避免干擾和信號(hào)完整性問題。

漏電控制：工藝優(yōu)化中，特別關(guān)注晶體管的漏電控制，以提高DRAM的效率和可靠性。

圖：多次曝光工藝流程

6. DRAM的可靠性和性能優(yōu)化

可靠性：通過優(yōu)化工藝參數(shù)（如離子注入條件、熱處理時(shí)間）和改進(jìn)電路設(shè)計(jì)，減少電容器漏電和晶體管的亞閾值電流，從而提升DRAM的可靠性。

性能：不斷優(yōu)化晶體管特性（如閾值電壓調(diào)整）和電容器材料（如高K介質(zhì)的應(yīng)用），提高DRAM的存儲(chǔ)速度和能效比。

7. 未來的發(fā)展趨勢

3D DRAM是一種通過堆疊多個(gè)存儲(chǔ)層和使用垂直互聯(lián)技術(shù)來增加存儲(chǔ)密度和性能的先進(jìn)DRAM技術(shù)。

隨著3D集成技術(shù)的發(fā)展，DRAM正在從二維平面結(jié)構(gòu)向三維堆疊結(jié)構(gòu)演進(jìn)，能夠在有限的面積內(nèi)集成更多的存儲(chǔ)單元，提高存儲(chǔ)密度。此外，低功耗和高速度將是未來DRAM技術(shù)發(fā)展的重要方向。

圖片來源：Samsung

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