計算機內存及發展趨勢

張瑋

摘要：隨著科學技術的進步，計算機內存經歷了從SDRAM到DDR4的快速發展，深入到人類工作和生活的方方面面，盡管其基本原理和內核結構始終沒變，但其容量、速率和功耗都有了巨大的提高，技術難度和生產工藝難度也越來越大。隨著越來越多的研究者加入，新一代的DDR5即將面世，提供了更高的速率和更低的功耗。該文介紹了內存的基本原理、當前產品的特征和下一代內存DDR5的新特征。

關鍵詞：內存;SDRAM;DDR4;DDR5

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）35-0224-02

1 內存的基本原理

內存全稱為DDR SDRAM （Double Data Rate SDRAM），SDRAM的全稱為Synchronous Dynamic Random Access Memory。DDR是在原有的SDRAM的基礎上改進而來。DDR其作用是用于暫時存放CPU中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲器交換的數據。它支持高速讀寫，而且理論上可以讀寫無限次，使用壽命可達十年以上。

圖1是DDR的一個基本存儲單元，圖中的Cell Capacitor是一個用來存儲電荷的電容。當里面的電荷電壓為VDD時，對應讀出來的數據為“1”;當里面的電荷電壓為0時，對應讀出來的數據為“0”。由于電容里的電荷會泄露，所以需要不斷地對它充電，也叫刷新。Control Transistor是三極管，用來控制Cell Capacitor的打開與關閉。當要訪問一個存儲單元時，Wordline為高電平，這時三極管導通，通過Digitline就可以讀出或寫入這個存儲單元Cell Capacitor了。內存雖然經歷了SDRAM到DDR4的升級變遷，但基本的存儲單元一直沒變，基本存儲原理也一直沒變。DDR的內核還是SDRAM，其內核速率還是133MHz，DDR4內核提高到了266MHz，但LPDDR4內核還是保持在133MHz，它通過16倍的預讀取來達到2133MHz的傳輸速率。

2 內存的種類和特征

從幾十年前的第一代SDRAM到今天的DDR4，內存在容量、速度和功耗上取得了巨大的進步。內存產品與計算機和手機一起，經歷了幾次更新換代，容量從64MB升級到了今天的16GB，速率從133MHz升級到了今天的2133MHz，單位功耗降低了80%以上。主要產品包括以下幾種：

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

這幾種內存的主要特征如表1：

由于應用場景不同，這幾種DDR目前都還在生產和銷售。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，低端的產品還在用LPDDR3 。中高端手機都用LPDDR4，低端手機還在用LPDDR3，還在研發中的下一代5G手機會采用LPDDR5。可見，在手機上，內存無論在速度或功耗上都已經全面趕超電腦了，這得益于其龐大的市場，傳統的電腦市場在日益萎縮，但以手機為代表的移動計算市場在迅猛發展。

內存市場已經被三大寡頭壟斷，韓國三星占46%的份額，韓國海力士占27%的份額，美國美光占23%的份額，剩余4%的份額歸臺灣的一些小廠。國內有一些廠商開始投資建廠，想進入內存市場。但內存行業在過去幾十年里面積累的大量專利和工藝經驗成了巨大的進入壁壘，國內廠商很難在短時間里攻克這些難關。

3 下一代內存趨勢及實現

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，負責計算機內存技術標準的組織JEDEC固態技術協會（ Solid State Technology Association）宣稱，下一代內存標準DDR5將亮相，并預計在2018年完成最終的標準制定。

2018年7月17日三星宣布成功開發出業內首款LPDDR5內存芯片，基于10nm級（10-20nm）工藝。據悉，該LPDDR5內存芯片單顆容量8GB（1GB），8GB容量的模組原型也做出并完成功能驗證。這顆業內首枚LPDDR5芯片具有極佳的性能，其內存速度（針腳帶寬）最高達3200MHz，是LPDDR4 內存速度（針腳帶寬）2133MHz的1.5倍，每秒可以傳送51.2GB數據。與此同時，功耗比LPDDR4降低高達30%，從設計的角度分析來看，主要是得益于動態調節電壓、避免無效消耗、深度睡眠等技術加入。

2018年10月，Cadence和美光公布了自己的DDR5內存研發進度，兩家公司已經開始研發16GB DDR5產品，并計劃在2019年年底之前實現量產目標。

LPDDR5與LPDDR4的主要差別，見表2。

LPDDR5高達3.2GHz的頻率是通過增加預讀取倍數來實現的，而功耗大幅降低是由于多方面的原因，從LPDDR5降低功耗的措施來分析，主要有2種。

3.1 I/O端口降低功耗

LPDDR5的VDDQ在有終結電阻的時候從LPDDR4的0.6V降到了0.5V，沒有終結電阻時降到了0.3V，這可以降低大概20%的功耗。

3.2 低頻工作時降低功耗

研究人員經過統計LPDDR4的工作情況得出了一個結論，內存大概45%的時間都工作在低頻范圍，30%的時間工作在中頻范圍，只有25%的時間工作再高頻范圍。所以，要想降低內存的功耗，降低低頻時的功耗是重中之重。

在高頻時，降低功耗主要通過降低VDDQ來實現。而在低頻時，降低功耗要通過以下幾種方法組合來實現：

1） 動態電壓頻率切換內核（Dynamic Voltage Frequency Scaling Core， 即DVFSC）

LPDDR5供電電路可以分為兩類，一類是給存儲單元（memory cell）供電的穩定電壓，另一類是給接口電路和邏輯電路供電的可變電壓。當工作在低頻時，可變電壓電路切換到低壓供電電路，這樣就可以進一步降低功耗。

2） 動態電壓頻率切換數據接口（Dynamic Voltage Frequency Scaling DQ， 即DVFS DQ）

高頻時，提高VDDQ到0.5V，啟用終結電阻以提高信號質量。低頻時，降低VDDQ到0.3V，停用終結電阻以降低功耗。

3） 減少信號傳輸

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

b） 低頻時采用單端始終而不是差分時鐘，這樣可以減少一個時鐘信號。

4） 數據和命令地址采用分開的時鐘

高速數據時鐘只有在數據開始傳輸時才啟用，而在傳輸命令和地址信號時采用低速命令時鐘，這樣也可以降低部分功耗。

4 我國的現狀

內存行業是我國的一塊短板，是進出口貿易差的最大“黑洞”，目前及未來幾年，我國內存行業主要以進口國外品牌為主。隨著美國的信用打折，喚醒了國人的危機意識，國內企業在國家的大力扶持下，“中國芯”會加快發展的腳步，內存產品在技術以及質量上與國外差距將越來越小。

5 結束語

如果把CPU比喻為電子產品的心臟，那么內存就是電子產品的血液。在個人電腦、手機、云計算、人工智能、無人駕駛、電視等消費類電子、航空航天、現代武器裝備等等各行各業，內存都是最重要的器件之一和價格最貴重的器件之一。內存從工藝、速率和功耗這三個維度還在遵循摩爾定律，不斷更新升級。技術設計難度、工藝難度和專利的壁壘越來越高，新的廠家很難進入這個市場。內存的戰略地位絕對不亞于石油，中國是全球最大的內存消費市場，2017年進口了889億美元的內存，遠超石油進口。中國內存產業的發展道路還長，任重道遠，需要數代人的努力奮斗。

參考文獻：

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[通聯編輯：光文玲]