• <acronym id="exyus"></acronym><acronym id="exyus"><form id="exyus"></form></acronym>
    <var id="exyus"></var>
    <input id="exyus"></input>
  • <code id="exyus"></code>

  • <acronym id="exyus"></acronym>
    <output id="exyus"></output>
  •  

    在 IC 市場中有著舉足輕重地位的 DRAM,到底有著怎樣的故事和技術原理?

    2019-08-05 13:09:58 來源: TechSugar
    標簽:

    前幾日,IC Insights發布了最新的IC產品市場排名報告。其預測今年DRAM市場銷售額將下降38%,但DRAM市場仍將在2019年再次成為所有IC產品類別中最大的,銷售額將達到620億美元。在IC市場中有著舉足輕重地位的DRAM,到底有著怎樣的故事和技術原理?

     

    DRAM發展史

    如果要追溯存儲的歷史,起碼從結繩記事開始,這樣的一篇存儲器歷史文將會變成一部波瀾壯闊的人類發展史。本文將從一個偉大公司的一名偉大的發明者說起。

     

    1932年,IBM公司的奧地利裔工程師古斯塔夫·陶斯切克(Gustav Tauschek),發明了第一種被廣泛使用的計算機存儲器——“磁鼓存儲器”。直到1950年代,磁鼓一直是大型計算機的主要存儲方式。1956年,IBM公司購買了中國人王安博士(上海人)手上的“磁芯存儲器”專利。這里的磁芯存儲一直使用至1970年代。

     


    磁鼓存儲器

     

    在DRAM被發明出來之前,科技人員利用磁帶、磁鼓、磁芯甚至打孔紙帶來存儲數據。但磁存儲的諸多缺點,使得它必定要被科技的進步所替代。

     

    那么另一位主角就要登場,他就是IBM的 羅伯特·登納德(RobertH.Dennard),他是公認的DRAM之父, 1966年,IBM托馬斯·沃森研究中心,時年34歲的羅伯特·登納德博士,提出了用金屬氧化物半導體(MOS)晶體管,來制作存儲器芯片的設想。原理是利用電容內,存儲電荷的多寡,來代表一個二進制比特(bit)是1還是0。每一個bit只需要一個晶體管加一個電容(1T/1C結構)。同年DRAM由登納德博士在IBM Thomas J. Watson研究中心研發成功。1969年加州的先進內存系統公司(Advanced Memory system.Inc)正式商業推出這款DRAM 。這項DRAM技術被出售給霍尼韋爾(Honeywell)等公司。

     


    羅伯特·登納德(RobertH.Dennard)博士

     

    1969年7月,場效應管小組推出了256bit容量的靜態隨機存儲器芯片C1101。這是世界第一個大容量SRAM存儲器。霍尼韋爾很快下達了訂單。此時英特爾站了出來,它的研究小組不斷解決生產工藝中的缺陷,于 1970 年英特爾在自己的3英寸晶圓廠成功量產劃時代的C1103。這是真正使 DRAM 的生產達到經濟規模,使得1bit只要1美分。然而C1103 只有 1k 容量,是今天內存容量的百萬分之一。

     


    C1103

     

    當時的大中型計算機上,還在使用笨重昂貴的磁芯存儲器。為了向客戶宣傳DRAM的性能優勢,英特爾開展全國范圍的營銷活動,向計算機用戶宣傳DRAM比磁芯更便宜(1bit僅需1美分)的概念。

     

    1972年,憑借1K DRAM取得的巨大成功,英特爾已成為一家擁有1000名員工,年收入超過2300萬美元的產業新貴。C1103也被業界稱為磁芯存儲器殺手,成為全球最暢銷的半導體芯片。同年IBM在新推出的S370/158大型計算機上,也開始使用DRAM內存。到1974年,英特爾占據了全球82.9%的DRAM市場份額。

     

    現在來看,70年代像一個分水嶺,王朝更替,上半場的DRAM 霸主是英特爾,然而下半場屬于莫斯泰克。值得一提的是這家公司是德州儀器 (TI) 的辭職工程師拉著幾個同事一同創立。而下文要提到的美光 (Micron)卻是由幾個莫斯泰克的離職員工所創立,后浪推前浪似乎成為他們的傳統。德州儀器是半導體和集成電路開創公司之一,至今在半導體業誕生至今半個多世紀,一直處于前 10 名,這是無與倫比的一個記錄。即使在競爭異常激烈的今天,德州儀器仍然在工業半導體、模擬器件、DLP 投影等領域遙遙領先,產品種類數以萬計。

     

    1973年石油危機爆發后,歐美經濟停滯,電腦需求放緩,影響了半導體產業。而英特爾在DRAM存儲芯片領域的份額也快速下降,此時德州儀器和日本廠商先后抓住機會加入市場。

     

    早在1970年英特爾發布C1103后,德州儀器便對其進行拆解仿制,通過逆向工程,研究DRAM存儲器工藝結構。1971年德州儀器采用重新設計的3T1C結構,推出了2K產品,1973年又推出成本更低,采用1T1C結構的4K DRAM,成為英特爾的強勁對手。

     

    莫斯泰克則更早提供了CPU和DRAM 集成的方案,并在1973年推出了針腳更少的 4K DRAM,從而一馬當先。憑借低成本,莫斯泰克逐漸在內存市場取得優勢。而英特爾此時將精力放在開發8080處理器上,在微型計算機市場取得巨大成功。1976年莫斯泰克推出了采用雙層多晶硅柵工藝的MK4116,容量提高到16K。這一產品幫助莫斯泰克擊敗英特爾,占據了全球75%的市場份額,后莫斯泰克又開發出了64K容量的MK4164。在70年代后期,一度占據了全球DRAM市場85%的份額。

     


    莫斯特克4K DRAM

     

    但是日本廠商的廉價芯片開始強勢沖擊全球市場,短短幾年時間,美國廠商牙咬碎了都撐不住了。莫斯泰克也因決策失誤等等問題,逐漸衰落,其后被收購。

     

    1978 年四個莫斯泰克的離職員工在一間昏暗的地下室里創立了美光 ,而后愛達荷州大富豪 J.R.Simplot 資助他們買了些二手設備開始著手準備自己生產 64K DRAM ,1981年莫斯泰克晶圓廠投產。

     

    Micron 64K DRAM

     

    1980年,日本VLSI聯合研發體,宣告完成為期四年的“VLSI”項目。期間申請的實用新型專利和商業專利,達到1210件和347件。研發的主要成果包括各型電子束曝光裝置,采用紫外線、X射線、電子束的各型制版復印裝置、干式蝕刻裝置等,取得了引人注目的成果。各企業的技術整合,保證了DRAM量產成功率,奠定了當時日本在DRAM市場的霸主地位。

     

     

    1983年,日本DRAM內存在美國市場的大獲成功,促使三星等韓國公司重資下注DRAM產業。三星曾嘗試從國外引進技術,連續遭到美國德州儀器、摩托羅拉、日本NEC、東芝、日立等公司的拒絕。

     

    最終,美光將64K DRAM的技術授權給了韓國三星。三星又從加州西翠克斯(CITRIX)公司買到了高速處理金屬氧化物的設計。隨后,三星分別在美國硅谷和漢城南部30公里的龍仁市器興(Giheung),設立兩個研發團隊,六個月后,三星的工程師成功掌握了量產64K DRAM的301項流程,和其中8項核心技術,順利制造出生產模組。

     

    繼三星之后,現代也通過引進國外技術,積累了核心技術能力。但仍面臨技術障礙,被迫轉向OEM代工方式,獲得技術來源。1985年前后,美國廠商節節敗退,美國德州儀器為降低制造成本,與韓國現代簽訂OEM協議,由德州儀器提供64K DRAM的工藝流程,改善產品良率。1986年,現代電子成為韓國第二家,量產64K產品的制造商(比三星慢了兩年)。

     

    至此,64K DRAM產業技術已完全成熟。

     

    1984年,日本DRAM產業進入技術爆發期。通產省電子所研制成功1M DRAM,三菱甚至公開展出4M DRAM的關鍵技術。日立生產的DRAM內存,已經開始采用1.5微米生產工藝。到1986年,光是東芝一家,每月1M DRAM的產量就超過100萬塊,瘋狂沖擊美國市場。

     

    1984年至1985年間,陷入巨額虧損的英特爾,被迫裁員7200人。1985年10月,英特爾宣布退出DRAM市場,關閉生產DRAM的七座工廠,英特爾在落日余暉下轉向別去。

     

    1985年,廣場協議的簽署和日元的升值,終于讓氣勢洶洶的日本廠商收回了手里的武士刀。日本廠商仍然占據技術優勢,但不可再用低價打壓對手,使得韓國廠商也在 80 年代末期還是獲取利潤并生存下來,美光同時也獲得了顯著的利潤。美日半導體協議的后果是,行政干預了市場,而消費者花了更貴的錢才能買到主流內存的電腦。后來由于 IBM 和惠普等內存大買家的投訴,反內存傾銷的協議在 1991 年被瓦解。

     


    廣場協議

     

    1990,三星建立了26個研發中心。1992年,三星率先攻破技術壁壘,推出世界第一個64M DRAM產品。1994年三星將研發成本提升至9億美元,到1996年,三星又開發出世界第一個1GB DRAM(DDR2)韓國三星電子的DRAM芯片出口額達到62億美元,居世界第一,現代電子以21.26億美元居第三位。

     


    三星DDR2 1G DRAM

     

    1990年,臺灣官方在美國顧問建議下,啟動了“次微米制程技術發展五年計劃”,但由于臺灣缺乏自主核心技術,只圖快進快出,靠購買技術授權、制程設備來快速擴充產能、賺快錢的經營模式。在面臨韓國、日本財閥式經濟集團的重壓時,根本不堪一擊。綜觀臺灣DRAM產業發展三十年來,最終落得一地雞毛。究其根源,在于臺灣省政府盲目聽信美國主導的自由市場經濟理論。1980年代,臺灣省政府還能在產業政策、產業技術上,對DRAM產業進行扶持。到2000年后,盡管陳水扁政府提出了“兩兆雙星”產業政策,但是對DRAM產業、液晶面板產業缺乏扶持力度,缺乏產業主導能力,導致臺灣DRAM、液晶面板產業,在小而散的錯誤道路上越走越遠,最終被韓國企業全面擊潰。

     

    1999 年是內存界的大變年,排名世界第三的韓國現代半導體與LG合并,2001年從現代集團完成拆分,將公司名改為海力士(Hynix Semiconductor Inc);同年美光完成收購德州儀器內存部門。

     

    2000年,美光的Gurtej Singh Sandhu和Trung T. Doan開始為DRAM存儲器件開發原子層薄膜。同年,美光公司的Gurtej Singh Sandhu開發了30-nm級NAND閃存,并且后來被全世界NAND閃存和RAM內存制造商廣泛采用。2000年的時候,全球內存廠商的數量仍超過 20 家,而到 00 年代末期只剩下不到 10 家。經過 1999 年的大整合,到 2001 年塵埃落定時的排名:三星、美光、海力士和英飛凌,四家握有近8成的市場份額。

     


    Micron NAND

     

    2001年DRAM價格的狂跌,導致海力士巨虧 25 億美元,無法按期歸還收購 LG 半導體 (LG Semicon) 時欠下的巨額貸款 (超過 140 億美元) 。2012年Hynix 債權人同意把約 20% 股權轉給韓國電信巨頭 SK Telecom,并改名 SK Hynix(SK海力士)。而合并后的SK Hynix 在 2017 年利潤高達 10 萬億韓元 (約 94 億美元),排名世界半導體公司第三名,僅次于三星和英特爾。

     

    而英飛凌也因2008年世界金融危機,不得已將內存部門拆分出去,其后也不了了之。

     

    至此,世界DRAM大廠只留下韓國三星、SK海力士、美國美光。數據顯示,2018年三星、SK 海力士、美光在DRAM全球市場中占比分別為 45.5%,29.1%,21.1%,總占比超過 95%,基本壟斷了整個 DRAM 市場。

     


    中國 DRAM 基礎其實并非一窮二白,而是有著近 40 年的發展歷程。但在前期很長一個階段里受限于市場、技術、產業鏈不完整等因素,沒能成功建立自己的研發-生產-銷售體系,無法與國外 IDM 大廠正面競爭。直到 2016 年以后,中國存儲才開始成規模地發展自己的 IDM 體系。

     

    國內存儲產業原為三大陣營:專注3D NAND技術的紫光集團長江存儲、集DRAM設計和生產于一身的合肥長鑫,以及福建晉華。目前國內存儲陣營處于雙足鼎立的局面,紫光、合肥長鑫分據3D NAND和DRAM兩邊技術。

     

    關于DRAM部分,今年6月30日,紫光集團宣布組建DRAM事業群,并由曾任工信部電子信息司司長的刁石京擔任事業群董事長,高啟全擔任事業群CEO。該月,日經新聞引述未具名消息人士報導,合肥長鑫已經重新設計了其DRAM芯片,以盡量減少對美國原產技術的使用。

     

    此外,從需求結構來看,中國品牌本身就有巨大的存儲器需求,他們有望在未來率先吸收國產存儲器產能。國產 DRAM 一旦量產,這些中國品牌將成為最有潛力的消費客戶。

     

    概念與原理

    RAM隨機存取存儲器主要包括“動態隨機存取存儲器”(Dynamic Random Access Memory,DRAM )和“靜態隨機存取存儲器”(Static Random-Access Memory,SRAM)兩大類。

     

    DRAM

    DRAM動態隨機存取存儲器是一種半導體存儲器,主要的作用原理是利用電容內存儲電荷的多寡來代表一個二進制比特(bit)是1還是0。由于在現實中電容會有漏電的現象,導致電位差不足而使記憶消失,因此除非電容經常周期性地充電,否則無法確保記憶長存。由于這種需要定時刷新的特性,因此被稱為“動態”存儲器。

     

    SRAM

    靜態隨機存取存儲器,所謂的“靜態”,是指這種存儲器只要保持通電,里面儲存的數據就可以恒常保持。

     


    SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)

    是指有一個同步接口的動態隨機存取內存(DRAM)。通常DRAM是有一個異步接口的,這樣它可以隨時響應控制輸入的變化。而SDRAM有一個同步接口,在響應控制輸入前會等待一個時鐘信號,這樣就能和計算機的系統總線同步。時鐘被用來驅動一個有限狀態機,對進入的指令進行管線(Pipeline)操作。DRAM采用3.3v工作電壓,帶寬64位,SDRAM將CPU與RAM通過一個相同的時鐘鎖在一起,使RAM和CPU能夠共享一個時鐘周期,以相同的速度同步工作,與 EDO內存相比速度能提高50%。SDRAM基于雙存儲體結構,內含兩個交錯的存儲陣列,當CPU從一個存儲體或陣列訪問數據時,另一個就已為讀寫數據做好了準備,通過這兩個存儲陣列的緊密切換,讀取效率就能得到成倍的提高。SDRAM不僅可用作主存,在顯示卡上的顯存方面也有廣泛應用。

     

    演進及詳細分類:

    SDRAM從發展到現在實現量產的已經經歷了五代,分別是:第一代SDR SDRAM,第二代DDR SDRAM,第三代DDR2 SDRAM,第四代DDR3 SDRAM,第五代,DDR4 SDRAM。

     

    SDR

    SDR SDRAM (single data rate synchronous DRAM):單速率同步動態隨機存儲器。采用單端(Single-Ended)時鐘信號。

     

    DDR

    即DDR SDRAM,雙倍速率同步動態隨機存儲器。DDR的標稱和SDRAM一樣采用頻率。截至2017年,DDR運行頻率主要有100MHz、133MHz、166MHz三種,由于DDR內存具有雙倍速率傳輸數據的特性,因此在DDR內存的標識上采用了工作頻率×2的方法,也就是DDR200、DDR266、DDR333和DDR400,一些內存生產廠商為了迎合發燒友的需求,還推出了更高頻率的DDR內存。其最重要的改變是在界面數據傳輸上,他在時鐘信號的上升沿與下降沿均可進行數據處理,使數據傳輸率達到SDR(Single Data Rate)SDRAM 的2倍。至于尋址與控制信號則與SDRAM相同,僅在時鐘上升沿傳送。

     

    DDR2

    DDR2為雙信道兩次同步動態隨機存取內存。DDR2內存Prefetch寬度提升至4 bit,是DDR的兩倍,即DDR2內存每個時鐘能夠以4倍外部總線的速度讀/寫數據,并且能夠以內部控制總線4倍的速度運行,也就是說,在同樣133MHz的核心頻率下,DDR的實際工作頻率為133MHz X2=266MHz,而DDR2則可以達到133MHz X4=533MHz。此外。DDR2采用FBGA封裝方式替代了傳統的TSOP方式,電氣性能與散熱性更佳。

     

    DDR3

    DDR3為雙信道三次同步動態隨機存取內存。DDR3內存Prefetch寬度從4 bit提升至8 bit,核心同頻率下數據傳輸量是DDR2的兩倍,DDR3傳輸速率介于 800~1600 MT/s之間。此外,DDR3 的規格要求將電壓控制在1.5V,較1.8V的DDR2節省約30%的功耗。DDR3也新增ASR(Automatic Self-Refresh)、SRT(Self-Refresh Temperature)等功能,讓內存在休眠時也能夠隨著溫度變化去控制對內存顆粒的充電頻率,以確保系統數據的完整性。

     

    DDR4

    首先在外觀上的改變最為明顯,DDR4的金手指部分相比原來DDR3時直直的一排,變成了首尾兩邊有一定程度的收緊。此外,DDR4功耗明顯降低,電壓達到1.2V,傳輸速度從2133 MT/s起,最高可達4266 MT/s。DDR4 新增了4 個Bank Group 數據組的設計,各個Bank Group具備獨立啟動操作讀、寫等動作特性,在同一頻率工作周期內,可以處理4 筆數據,效率明顯好過于DDR3。另外DDR4增加了DBI(Data Bus Inversion)、CRC(Cyclic Redundancy Check)、CA parity等功能,讓DDR4內存在更快速與更省電的同時亦能夠增強信號的完整性、改善數據傳輸及儲存的可靠性。

     

    相關對比:

     


    在未來,DDR5 規格也將到來,2018 年 10 月,Cadence 和鎂光公布了自己的 DDR5 內存研發進度,兩家廠商已經開始研發 16GB DDR5 產品,并計劃在 2019年底實現量產目標。DDR5的主要特性是芯片容量,而不僅僅是更高的性能和更低的功耗。DDR5 預計將帶來 4266至6400MT / s 的 I / O 速度,電源電壓降至1.1 V。與DDR4 相比,改進的 DDR5功能將使實際帶寬提高 36%,即使在 3200 MT / s 和 4800 MT / s 速度開始,與 DDR4-3200 相比,實際帶寬將高出 87%。與此同時,DDR5最重要的特性之一將是超過 16 GB 的單片芯片密度。

     
    關注與非網微信 ( ee-focus )
    限量版產業觀察、行業動態、技術大餐每日推薦
    享受快時代的精品慢閱讀
     

     

    繼續閱讀
    深知落后就要挨打的道理,韓國再投4.7萬億韓元支持半導體產業發展

    與非網8月21日訊,韓國在半導體行業的投入真的讓人覺得恐怖。

    BittWare對Eideticom進行戰略投資并拓寬基于FPGA的 NVMe加速器產品組合以將EDSFF納入其中

    Molex旗下的 BittWare 公司是一家采用FPGG技術的企業級 NVMe 存儲平臺領域領先供應商,宣布將對 Eideticom 進行戰略投資并開展協作 – 后者在高增長的新興計算存儲市場上是廣受認可的領導者。?

    集邦咨詢:2018年內存模組廠營收年增逾4成,前十大排名出爐

    根據集邦咨詢半導體研究中心(DRAMeXchange)最新全球內存模組廠排名調查顯示,盡管2018下半年整體DRAM(內存)價格反轉向下,但全年平均銷售單價仍較2017年上漲超過10%,加上出貨增加,帶動2018年全球模組市場總銷售金額達到166億美元,年增41%。

    Intel 反超三星奪回第一寶座,因內存價格大漲?

    近日,在聯通公布的5G手機信息中可以看到中興天機Axon 10 Pro和華為Mate 20 X(5G)已正式開賣,這意味著國產手機品牌已拉開5G手機的大潮。

    將計算過程移步至內存里,這家公司有什么“騷操作”?

    關于這個計算世界的一個關鍵的未來要素是移動數據。移動數據需要功率,以至于從內存中調用數據要比實際對其進行“計算”消耗更多的功率。這就是我們有緩存的原因,但即使有緩存,也需要對CPU進行廣泛的管理。對于簡單的操作,如位轉移或和操作,目標是將計算能力轉移到主DRAM本身,這樣它就不必來回穿梭。

    更多資訊
    Altium Designer 19出現內電層內縮情況的解決辦法
    Altium Designer 19出現內電層內縮情況的解決辦法

    對于AD愛好者來說,每一次的版本更新都是新功能的添加和舊功能的優化或者是移除,在新版AD19在內電層內縮pullback進行了位置變化,同時內電層改變內縮還相鄰的內縮會一起變動。

    從接口原理圖、結構設計,線纜設計詳解RJ45以太網口的EMC設計
    從接口原理圖、結構設計,線纜設計詳解RJ45以太網口的EMC設計

    RJ45以太網接口是目前應用最廣泛的通訊設備接口,以太網口的電磁兼容性能關系到通訊設備的穩定運行。

    感光電路板的制作步驟詳解
    感光電路板的制作步驟詳解

    感光電路板又叫光印線路板,是通過光線直接照射均勻涂在電路板的感光藥膜,有光照的地方的藥膜會被顯影劑溶解,沒有溶解的感光膜保留在電路板的銅皮上,不讓三氯化鐵溶液腐蝕,最后保留成為線路!

    PCB分層堆疊是如何控制EMI的?

    解決EMI問題的辦法很多,現代的EMI抑制方法包括:利用EMI抑制涂層、選用合適的EMI抑制零配件和EMI仿真設計等。本文從最基本的PCB布板出發,討論PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設計技巧。

    PCB 設計常見布線方式梳理

    在我們學習嵌入式開發的過程中,PCB布線是必不可少的。好的布線方式,輕則看著美觀、布局合理,重則可以節約生產成本,達到良好的電路性能和散熱性能,使元器件的性能達到最優。今天,小編梳理了PCB設計中常見的布線方式,希望大家看后能有所啟發。

    情网站网