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DRAM研究現狀與發展方向

電子技術應用

牛君怡1，孫鍇1，2

1.中國科學院大學集成電路學院；2.中國科學院微電子研究所

摘要： 動態隨機存取存儲器（DRAM）因其高存儲密度和成本效益，在現代大規模計算機和超高速通信系統中得到廣泛應用。主要介紹動態DRAM的發展歷程、關鍵技術、國內外研究進展以及未來發展方向。首先，介紹了DRAM的分類、基本單元結構、工作原理。其次，詳細介紹了DDR SDRAM的關鍵性能指標以及專用DRAM的發展。然后，介紹了提高DRAM訪問速度、容量與密度的創新DRAM架構和技術，以及無電容存儲單元結構、3D堆疊DRAM技術以及Rowhammer安全問題及其防御機制。最后，展望了DRAM技術的未來發展方向，闡述了為了應對日益增長的高速、低功耗和高可靠性的存儲需求，對現有DRAM技術的進行深入研究和創新的重要性。

關鍵詞： DRAM 無電容存儲單元 3DDRAM Rowhammer 2T0CDRAM

中圖分類號：TP333.8 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245701
中文引用格式： 牛君怡，孫鍇. DRAM研究現狀與發展方向[J]. 電子技術應用，2024，50(12)：21-30.
英文引用格式： Niu Junyi，Sun Kai. Research status and development direction of DRAM[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(12)：21-30.

Research status and development direction of DRAM

Niu Junyi1，Sun Kai1，2

1.School of Integrated Circuits， University of Chinese Academy of Sciences； 2.Institute of Microelectronics， Chinese Academy of Sciences

Abstract： Dynamic Random Access Memory (DRAM) is widely used in modern large-scale computers and ultra high speed communication systems due to its high storage density and cost-effectiveness. This article mainly introduces the development history, key technologies, domestic and international research progress, and future development directions of dynamic DRAM. Firstly, the classification, basic unit structure, and working principle of DRAM are introduced. Secondly, the key performance indicators of DDR SDRAM and the development of dedicated DRAM are introduced in detail. Then, innovative DRAM architectures and technologies that improve DRAM access speed, capacity, and density are introduced, as well as capacitor free storage cell structures, 3D stacked DRAM technology, and Rowhammer security issues and defense mechanisms. Finally, the future development direction of DRAM technology is discussed, and the importance of in-depth research and innovation on existing DRAM technology is emphasized to meet the growing demand for high-speed, low-power, and high reliability storage.

Key words : DRAM；non capacitive storage unit；3D DRAM；Rowhammer；2T0C DRAM

引言

動態隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory, DRAM）是現代計算機系統中廣泛使用的一種存儲器類型。DRAM因其高存儲密度和較低成本的優點，應用于各種計算和電子設備中。

DRAM的基本單元由一個晶體管和一個電容組成，晶體管則用來訪問和控制數據的讀取和寫入。字線用來控制晶體管的開關，位線用來感知電容上的電荷來進行讀取操作。然而，由于電容漏電，DRAM需要定期刷新以保持數據的完整性，這是與靜態隨機存儲器（Static Random Access Memory, SRAM）的主要區別。DRAM的存儲容量由其存儲單元的數量決定，而訪問速度則取決于存儲單元的排列方式和訪問機制。在現代DRAM中，存儲單元通常以矩陣形式排列，通過行地址和列地址來定位特定的存儲單元。

在過去的幾十年中，每個芯片的存儲單元數量呈指數增長。存儲單元的縮放一直是實現存儲密度快速增加的主要策略[1]，由于DRAM存儲單元結構簡單，這種出色的可擴展性使其在存儲器市場上獲得了長期的成功。尤其是受數據中心領域的需求影響，預計2032年市場規模將達到1 939.7億美元[2]。

目前主流DRAM產品目前處在10~20 nm工藝制造的階段，由于DRAM制程工藝進入20 nm以后，制造難度越來越高，因此內存芯片制造廠商對工藝的定義不再是具體的尺寸，而是以1x（第一代）、1y（第二代）、1z（第三代）、1a（第四代）、1b（第五代）來定義，每一代的DRAM產品都向著10 nm的技術節點靠近。目前，世界上領跑DRAM市場的三大廠商（三星、美光和海力士）都已經商業化基于1a和1b技術節點的DRAM產品。而國內DRAM廠商代表長鑫存儲于2023年11月28日發布基于18.5 nm（相當于1x技術節點）工藝的LPDDR5產品，成為國內首家自主研發LPDDR5的公司。

DRAM單元的縮放也帶來了許多的問題。如果不在結構、材料、工藝等方面進行重大創新，DRAM的密度提升將很快遇到瓶頸，不再能夠滿足像人工智能、計算機等應用對高速、密集存儲器的要求。

本文通過總結DRAM近五年的一些研究成果，探討DRAM技術的發展歷程，分析當前面臨的挑戰，展望未來的發展方向。

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作者信息：

牛君怡1，孫鍇1，2

（1.中國科學院大學集成電路學院，北京 101408；

2.中國科學院微電子研究所，北京 100029）

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