内存技术的历史

的作者“金杰范”

来自“金杰范”（ID：金杰范）

“内存的故事”主要是三年前写的。 利用这个假期，对近年来的存储器行业写一个简短而无聊的鸟瞰图。

内存中的当前问题是什么？

内存不是一个好名字。 它的主要用途有两个：程序运行空间（DRAM等）和存储数据空间（NAND等）。 进入3D时代后，

nand基本上没有上限，所以让我们结束。 在此阶段，

的主要问题是DRAM：单位价格的容量缓慢增加，并且速度跟不上CPU。 这个问题在商业领域尤其明显，例如数据中心，高性能计算和运营商网络。 此外，由于消耗每个时钟周期中的小电容器，DRAM消耗太多能量。

电荷对于商业用户来说是一大笔费用。 在移动设备上，DRAM也是电池的敌人。 在

的历史中，DRAM只能不断增加延迟以增加带宽，那么如何增加缓存呢？ 问题在于，SRAM与CPU一样昂贵，并且只有六个晶体管可以存储一位。 Intel Xeon处理器的缓存仅是DRAM的千分之一。 拥有24个内核的

通用无敌IBM Power 9 CPU为120MB L3，其裸片尺寸成本接近700mm2，是苹果A13处理器的七倍！ 在Power9中，L2 / L3占100 m

以上的存储区域。 主要问题是对容量速度和功耗的日益增长的需求无法满足DRAM的技术瓶颈。 由于DRAM本身的局限性，

ddr5

的技术进步非常痛苦。 从DDR3到DDR4的小进步花了五年时间。 自DDR4的第一个版本于2012年发布以来，尚未发布DDR4。

dram标准由JEDEC jc-42工作组开发。 尽管有表决机制，但DRAM的节奏始终由Intel主导。

的原因很简单：英特尔确定PC路线图：CPU或北桥芯片确定何时支持新的标准内存。

受益于半导体技术的进步。 ddr5的内核电压从DDR4的1.2V降至1.1V，这有望节省20％的功耗。

ddr5可以再次将系统通道数加倍。 图：mircon

ddr5的突发长度和预取从DDR4的8N增加到16N，因此当时钟频率恒定时，带宽增加了一倍。 为了控制由高速引起的各种信号干扰和抖动问题，ddr5还引入了内核时钟的各种优化调整。 全新的模内ECC功能也适合服务器。

，但是这些也将带来更多的设计，测试和兼容性挑战，需要对CPU（包括内存控制器）进行巨大的更换，目前可能要等到2022年。

lpddr5

低功耗lpddr5单独取出，因为自lpddr4起它已与标准DDR分离。 尽管lpddr5和ddr5使用了许多新技术，但是

的重点却大不相同。 Lpddr5是功耗第一速度第二，而ddr5则是追求速度第一功耗第二。

因为lpddr4已经是16N的预读，所以lpddr5主要依靠库组访问来提高速度。 它追求超低功耗，因此电源电压和核心电压均低于ddr5。

x86的技术进步被英特尔放慢了速度，但在移动领域却有所不同。

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的激烈竞争和年度旗舰产品的发布使每家公司不断争夺最新技术。

lpddr5是一个示例。 小米

小米10率先使用lpddr5确实是一件大事，这表明了高通公司的激进产品战略。 一加八和三星S20今年基本上定下了高端基调。

华为正面临更为尴尬的局面，因为美光是美国公司，目前是lpddr5的主要供应商。 三星估计它将优先考虑自己，而海力士似乎更关注标准的ddr5。 在lpddr5供应困难的情况下，华为在产品规划方面为下一代麒麟提供支持是一个两难选择。

hbm

是绕过DRAM传统IO增强模式演变的极佳解决方案，适用于急需高带宽的应用程序，例如游戏和高性能计算。

图：amd

hbm直接和处理器封装的方式不再受芯片引脚的限制，突破了IO带宽的瓶颈。 此外，DRAM和CPU / GPU的紧密物理位置使速度进一步提高。 在

的维度上，HBM还使整个系统的设计成为可能。 目前

，hbm2在很大程度上是gddr6的竞争对手。 但是根据最新消息，Xbox series X和Sony ps5仍选择gddr6，可能是因为hbm2的成本很高。 但是，从长远来看，DRAM仍具有强劲的3D需求。 因为2D接近制造中的上限（昂贵的10nm瓶颈）。

nvdimm

现在很流行云计算虚拟机和各种内存数据库，并且服务器渴望大容量内存。 但是，由于难以进一步降低DRAM成本，因此如何以低成本配置大容量存储器成为问题。 提出了与

和

混合的nvdimm。

nvdimm-f直接使用NAND颗粒而不是DRAM来制造内存模块，这非常便宜，但是速度太慢，无法突破系统对DRAM总容量的访问限制。

nvdimm-n是通过将NAND添加到内存模块来防止服务器由于意外电源故障而丢失内存数据的DRAM图像存储。 但是NAND无法扩展内存并占用一些通道带宽。

JEDEC nvdimm-n示意图

最终解决方案是nvdimm-p，它可以提供1t内存等大容量，并可以用NAND，RRAM，MRAM等各种新芯片替代DRAM。

尚未 看到了JEDEC nvdimm-p的标准。 但是，英特尔发布了基于3d-xpoint的辛烷值DIMM，其平台支持对竞争对手来说是一个巨大的优势，也是一个很大的门槛。

3d-xpoint和其他NV存储器

3d-xpoint是一个非常有趣的话题，声称速度是NAND的1000倍。

英特尔和微米始终对3d-xpoint的技术原理保密，甚至根本没有透露它。 最初，它应该是3D的，后来它却被认为是相变存储器（PCM）或RRAM。

市场也没有看到有人剥离此芯片来进行内部分析。

直到一个文件，让我们看看当代的爱迪生斯坦福·奥夫辛斯基是其发明者。 清算人认为，在奥夫辛斯基去世后，英特尔和美光公司在公司的破产程序中隐藏了重要信息。 在将

和微米分离之后，英特尔的3d-xpoint将转移到大连工厂进行独家生产。 我不知道将来还会有更多的八卦。

3d xpoint技术在服务器领域具有巨大的增长潜力，但是如何降低制造成本是关键。

mram，fram和其他NV存储器在物联网，汽车和工业中寻求机会。

mram工艺类似于传统的MOS半导体工艺，有助于扩大生产并降低成本，并最终有机会在某些嵌入式应用中替换某些SRAM或DRAM。 比

更快的PCM和RRAM是否可以代替NAND？ 似乎短期内不会实现，因为存储数据的速度要求通常不是很高，并且3D NAND低成本容量的爆炸过于成功。

图：比较用于3D NAND的不同存储器

3D nand

的成本和速度，单个单元的减少变得毫无意义，因此不再需要最先进的半导体制造技术。 Hynix最近表示，未来3D NAND可以堆叠800层。 在建立

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的过程中，减少了光刻链接的数量，同时大大增加了沉积和蚀刻过程的数量，蚀刻之王潘林成为最大的赢家。

的另一个作用是DRAM和NAND的生产线和容量不再灵活互补。

蚀刻多达100层以下的楼梯并蚀刻长孔非常具有挑战性。 楼梯连接到位线，长孔是著名的电荷陷阱。

请记住，英飞凌/奇梦达是第一个利用以色列赛芬公司的技术批量生产电荷陷阱闪存的公司。 但是那时，这项技术还不成熟，其书写寿命仅为浮栅的1/10。 吉姆·汉迪（Jim Handy）表示，刻蚀电荷陷阱中的孔的过程来自沟槽技术。

在60年的历史记忆中曾提到，IBM，英飞凌，东芝和AMD在半导体技术的早期就结盟。 后来，奇梦达利用战trench赢得了最后的胜利。 但是电荷陷阱蚀刻技术仍在继续：AMD的后代Spansion在NOR闪存中使用了它，而东芝则制造了领先的BICS 3D NAND。 现在，

是唯一坚持采用浮动门技术的公司。 我的理解是FG的每一层都需要光刻，这种工艺的复杂性将导致其竞争力的丧失，并且退出市场可能是不可避免的。

有趣的是，几天前长江存储发布了128层分层技术，该技术将存储阵列和控制电路分开。 这可以大大减少开发和创新周期，但是对批量生产的挑战并不小。 具体的技术细节并不多。 如果是晶圆对晶圆的键合，即使不考虑键合良率，最终产品的良率也是两个晶圆的良率乘以的关系。

3d NAND的延续和ddr5标准的困难生产是赶上目前开始的中国存储器行业的很好机会。

很高兴看到长兴存储已经开始批量生产主流DDR4，并且其在知识产权和专利方面的远见卓识也令人赞叹。 扎实而雄心勃勃的

可能是内存行业的唯一方法。

参考阅读：

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