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【DRAM江湖春秋】DRAM江湖标签:芯片之 王

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01、人类存储信息演变之路

甲骨文是人类最早期的信息存储方式之一。甲骨文也称“殷墟文字”,记录了大量殷商时代的王室占卜之辞,是中国古代文明中已知的、最早的、成体系的信息存储载体。信息存储的介质是龟甲和兽骨。

到了唐朝,传说工匠可以在一粒大米上雕刻出一首唐诗,这意味着信息存储密度得到了大幅度提高,即单位面积可以容纳更多的信息。今天,读者搜一下淘宝或者京东网上,也可以找到许多米雕饰品的广告。

现代文明中,在DRAM问世之前,人们存储数据的方法包括打孔卡、打孔纸带、磁带、磁鼓、磁芯,等等。1725年,打孔卡和打孔纸带问世,这是最早的机械化信息存储形式。

进入现代社会后,按照存储介质的不同,数字存储主要分为光学存储、磁性存储和半导体存储三类。

1928年磁带问世,磁性存储时代开始。

1949年,美国哈佛大学实验室的王安博士发明了磁芯存储器。

1956年,IBM公司购买了磁芯存储器专利,广泛应用于数据存储。

1970年,一种基于芯片工艺制成的、被称为DRAM的半导体存储器问世,人类进入半导体存储时代。

随着物联网、人工智能、5G等产业的发展,人类社会已经步入数字经济时代。大数据以爆炸式速度蔓延至金融服务、智能制造、医疗保健以及媒体娱乐等行业,改变了人类社会的生产和生活方式。

据国际数据公司(IDC)测算,2020年,全球数据量达到了60ZB(泽字节,简称ZB,1ZB等于10万亿亿bit,相当于2.5万亿首mp3歌曲)。《数字中国发展报告(2021年)》指出,2021年,我国数据量达到6.6ZB,全球占比9.9%,位居世界*。

据预测,2025年,全球数据总量到将达到175ZB,中国数据量将增至48.65ZB,全球占比上升到27.8%,对GDP增长贡献率为1.5~1.8%。海量数据的存储自然离不开半导体存储器。

02、DRAM芯片成王之路?

半导体产品的分类如下图所示

其中,半导体存储器主要包括DRAM、NAND Flash和NOR Flash三个相对独立、各司其职的类别,占据*半导体产品市场份额。

其中DRAM和NAND Flash占据半导体存储器市场份额的约98%,NOR Flash占据半导体存储器市场份额约为1%,其余的半导体存储器(SRAM、MRAM等)市场份额约为1%。

DRAM英文全称为Dynamic Random Access Memory,中文名为动态随机存取存储器,广泛应用于个人电脑、服务器和手机等的内存,主要被用来当作这些设备的主要存储器,被喻为连接中央处理器(CPU)的“数据高速公路”,CPU从DRAM中读取指令。

当然,CPU要与DRAM进行紧密接触,比如,通过封装层叠技术(package-on-package),将DRAM直接堆叠在CPU上面,以减少两者连接之间的电阻,从而降低功耗。

DRAM约占芯片市场份额的1520%,一直稳居芯片市场份额的头把交椅,是*宗的单一芯片产品。据估计,1970年至今,DRAM的累计销售额已经超过1万亿美元。

值得注意的是,这个累计销售额没有考虑到50多年来通货膨胀引起的美元贬值因素。2021年全球芯片市场份额是5500亿美元, 其中DRAM占芯片市场份额为17.5%,达961亿美元。作为参考,美国波音公司的全年营收为622.86亿美元。

DRAM的功能是暂存正在运行的各种程序和数据。下图表示的是2021年问世的第5代双倍数据速率DRAM模组,即DDR5内存。

DRAM是一种易失性存储器。其原理较为简单,基本存储单元由一个晶体管加一个电容组成,即所谓的 1T1C 架构。1T指的是1个晶体管,1C指的是1个电容。晶体管1T可以视为一个开关,当然,这个开关不是人为手动去控制的,而是用一个工作电压去控制的,频率可以做到每秒几万次。

毫无疑问,工作电压越小,DRAM的功耗就越低。电容1C可以视为存储容量为1bit的二进制信息,即0和1。

具体来说,充放电后电荷的多少,即电势的高低,分别对应二进制数据0和1。字线与晶体管栅极相连,以控制往电容的通道;位线与晶体管源极相连,以读取位元格内储存的电荷,或在写入时提供电压。

DRAM基本架构简单明了,因此设计比较简单,远远没有逻辑芯片的设计那么复杂。

其基本原理是将单个存储单元像拼图一样拼接起来,排列成二维矩阵阵列,可以视为增大存储容量,从而在2D平面上实现高性能、高密度和高质量的存储功能。

由于采用狭小的电容存储形式,电流会泄漏至电容或从电容中流出,所以信息只能保持很短的时间,必须隔一段时间(通常64毫秒)进行充电以保持晶体管的电势,这个充电的动作叫做刷新,以供 CPU 读写和处理。这也是为何DRAM的名字中含有“动态”的原因。作为对比,U盘使用的是非易失性存储器NAND闪存,断电情况下信息可以长久保存。

消费者对DRAM的容量还是比较敏感的。比如,当初智能手机公司的操作系统通常会占用手机内存几个Gbit,也就是说,几个Gbit的智能手机内存出厂时就已经被侵占,这导致消费者实际可用的内存“缩水”,这迫使对内存需求量大的用户注册使用手机厂商的付费云存储系统。

当智能手机公司在宣传材料上不对此予以说明的时候,少数消费者据此会起诉智能手机公司。

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