计算机内存及发展趋势

张玮

摘要：随着科学技术的进步，计算机内存经历了从SDRAM到DDR4的快速发展，深入到人类工作和生活的方方面面，尽管其基本原理和内核结构始终没变，但其容量、速率和功耗都有了巨大的提高，技术难度和生产工艺难度也越来越大。随着越来越多的研究者加入，新一代的DDR5即将面世，提供了更高的速率和更低的功耗。该文介绍了内存的基本原理、当前产品的特征和下一代内存DDR5的新特征。

关键词：内存;SDRAM;DDR4;DDR5

中图分类号：TP393      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2018）35-0224-02

1 内存的基本原理

内存全称为DDR SDRAM （Double Data Rate SDRAM），SDRAM的全称为Synchronous Dynamic Random Access Memory。DDR是在原有的SDRAM的基础上改进而来。DDR其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。它支持高速读写，而且理论上可以读写无限次，使用寿命可达十年以上。

图1是DDR的一个基本存储单元，图中的Cell Capacitor是一个用来存储电荷的电容。当里面的电荷电压为VDD时，对应读出来的数据为“1”;当里面的电荷电压为0时，对应读出来的数据为“0”。由于电容里的电荷会泄露，所以需要不断地对它充电，也叫刷新。Control Transistor是三极管，用来控制Cell Capacitor的打开与关闭。当要访问一个存储单元时，Wordline为高电平，这时三极管导通，通过Digitline就可以读出或写入这个存储单元Cell Capacitor了。内存虽然经历了SDRAM到DDR4的升级变迁，但基本的存储单元一直没变，基本存储原理也一直没变。DDR的内核还是SDRAM，其内核速率还是133MHz，DDR4内核提高到了266MHz，但LPDDR4内核还是保持在133MHz，它通过16倍的预读取来达到2133MHz的传输速率。

2 内存的种类和特征

从几十年前的第一代SDRAM到今天的DDR4，内存在容量、速度和功耗上取得了巨大的进步。内存产品与计算机和手机一起，经历了几次更新换代，容量从64MB升级到了今天的16GB，速率从133MHz升级到了今天的2133MHz，单位功耗降低了80%以上。主要产品包括以下几种：

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

这几种内存的主要特征如表1：

由于应用场景不同，这几种DDR目前都还在生产和销售。目前大部分电脑都是用DDR4，超极本和平板电脑由于要省电主要用LPDDR4，低端的产品还在用LPDDR3 。中高端手机都用LPDDR4，低端手机还在用LPDDR3，还在研发中的下一代5G手机会采用LPDDR5。可见，在手机上，内存无论在速度或功耗上都已经全面赶超电脑了，这得益于其庞大的市场，传统的电脑市场在日益萎缩，但以手机为代表的移动计算市场在迅猛发展。

内存市场已经被三大寡头垄断，韩国三星占46%的份额，韩国海力士占27%的份额，美国美光占23%的份额，剩余4%的份额归台湾的一些小厂。国内有一些厂商开始投资建厂，想进入内存市场。但内存行业在过去几十年里面积累的大量专利和工艺经验成了巨大的进入壁垒，国内厂商很难在短时间里攻克这些难关。

3 下一代内存趋势及实现

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，负责计算机内存技术标准的组织JEDEC固态技术协会（ Solid State Technology Association）宣称，下一代内存标准DDR5将亮相，并预计在2018年完成最终的标准制定。

2018年7月17日三星宣布成功开发出业内首款LPDDR5内存芯片，基于10nm级（10-20nm）工艺。据悉，该LPDDR5内存芯片单颗容量8GB（1GB），8GB容量的模组原型也做出并完成功能验证。这颗业内首枚LPDDR5芯片具有极佳的性能，其内存速度（针脚带宽）最高達3200MHz，是LPDDR4 内存速度（针脚带宽）2133MHz的1.5倍，每秒可以传送51.2GB数据。与此同时，功耗比LPDDR4降低高达30%，从设计的角度分析来看，主要是得益于动态调节电压、避免无效消耗、深度睡眠等技术加入。

2018年10月，Cadence和美光公布了自己的DDR5内存研发进度，两家公司已经开始研发16GB DDR5产品，并计划在2019年年底之前实现量产目标。

LPDDR5与LPDDR4的主要差别，见表2。

LPDDR5高达3.2GHz的频率是通过增加预读取倍数来实现的，而功耗大幅降低是由于多方面的原因，从LPDDR5降低功耗的措施来分析，主要有2种。

3.1 I/O端口降低功耗

LPDDR5的VDDQ在有终结电阻的时候从LPDDR4的0.6V降到了0.5V，没有终结电阻时降到了0.3V，这可以降低大概20%的功耗。

3.2 低频工作时降低功耗

研究人员经过统计LPDDR4的工作情况得出了一个结论，内存大概45%的时间都工作在低频范围，30%的时间工作在中频范围，只有25%的时间工作再高频范围。所以，要想降低内存的功耗，降低低频时的功耗是重中之重。

在高频时，降低功耗主要通过降低VDDQ来实现。而在低频时，降低功耗要通过以下几种方法组合来实现：

1） 动态电压频率切换内核（Dynamic Voltage Frequency Scaling Core， 即DVFSC）

LPDDR5供电电路可以分为两类，一类是给存储单元（memory cell）供电的稳定电压，另一类是给接口电路和逻辑电路供电的可变电压。当工作在低频时，可变电压电路切换到低压供电电路，这样就可以进一步降低功耗。

2） 动态电压频率切换数据接口（Dynamic Voltage Frequency Scaling DQ， 即DVFS DQ）

高频时，提高VDDQ到0.5V，启用终结电阻以提高信号质量。低频时，降低VDDQ到0.3V，停用终结电阻以降低功耗。

3） 减少信号传输

a） 命令地址信号（CA）在上升沿和下降沿都采样，这样可以降低命令地址信号的时钟频率。

b） 低频时采用单端始终而不是差分时钟，这样可以减少一个时钟信号。

4） 数据和命令地址采用分开的时钟

高速数据时钟只有在数据开始传输时才启用，而在传输命令和地址信号时采用低速命令时钟，这样也可以降低部分功耗。

4 我国的现状

内存行业是我国的一块短板，是进出口贸易差的最大“黑洞”，目前及未来几年，我国内存行业主要以进口国外品牌为主。随着美国的信用打折，唤醒了国人的危机意识，国内企业在国家的大力扶持下，“中国芯”会加快发展的脚步，内存产品在技术以及质量上与国外差距将越来越小。

5 结束语

如果把CPU比喻为电子产品的心脏，那么内存就是电子产品的血液。在个人电脑、手机、云计算、人工智能、無人驾驶、电视等消费类电子、航空航天、现代武器装备等等各行各业，内存都是最重要的器件之一和价格最贵重的器件之一。内存从工艺、速率和功耗这三个维度还在遵循摩尔定律，不断更新升级。技术设计难度、工艺难度和专利的壁垒越来越高，新的厂家很难进入这个市场。内存的战略地位绝对不亚于石油，中国是全球最大的内存消费市场，2017年进口了889亿美元的内存，远超石油进口。中国内存产业的发展道路还长，任重道远，需要数代人的努力奋斗。

参考文献：

[1] R.Jacob Baker， Brian Johnson.DRAM Circuit Design： Fundamental and High-Speed Topics Brent Keeth， Feng Lin  Wiley-IEEE Press，2007，12（4）.

[2] 李业明.试析计算机内存的优化及管理[J].科学与财富，2015.

[3] 李文棣.计算机内存的优化及管理浅析[J].网络安全技术与应用，2013.

[4] 傅金福.数据库技术的发展现状及趋势[J].电脑迷，2016.

[通联编辑：光文玲]