新一代的DRAM將面臨哪些挑戰(zhàn)?

10月6日，全球首款DDR5 DRAM正式由SK海力士推出。這款次世代的存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)傳輸速率提升到4，800 ~ 5，600Mbps，比前一代DDR4增加了1.8倍。最大5，600Mbps的傳輸速率意味著能夠在1秒內(nèi)傳輸九部全高清（Full-HD， FHD）電影。同時(shí)，該產(chǎn)品的工作電壓由前一代的1.2V降到了1.1V，將功耗降低了20%。

與同門(mén)師弟LPDDR5發(fā)售時(shí)的萬(wàn)人追捧不同，DDR5的問(wèn)世似乎沒(méi)有激起很大的浪花。然則平靜之下，是生態(tài)鏈廠商的摩拳擦掌，未來(lái)的存儲(chǔ)器之爭(zhēng)會(huì)更加殘酷。

DRAM的新飛躍

從提出到標(biāo)準(zhǔn)落地，DDR5用了2年時(shí)間。JEDEC（電子器件工程聯(lián)合會(huì)）希望最新的標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)站在時(shí)代之巔，所有內(nèi)存密度和讀寫(xiě)速度都要比DDR4增加一倍。

因?yàn)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1225/" target="_blank">5G、人工智能引發(fā)的數(shù)據(jù)海嘯正撲面而來(lái)，CPU的核心也急劇增加，服務(wù)器處理器已經(jīng)從4核增加到64核，新一代的DRAM面臨著更多的挑戰(zhàn)。

從DDR4到DDR5，在技術(shù)上是一個(gè)巨大的飛躍。從原理上來(lái)看，DDR5是一種高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，由于其DDR的性質(zhì)，依舊可以在系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿和下降沿同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。和DDR4一樣，DDR5在內(nèi)部設(shè)計(jì)了Bank（數(shù)據(jù)塊）和Bank Group（數(shù)據(jù)組）。不過(guò)，DDR5在數(shù)據(jù)塊和數(shù)據(jù)組的配置上更為寬裕。

DDR4數(shù)據(jù)組的數(shù)量最高限制為4組，一般采用2組配置。在DDR5上，數(shù)據(jù)組的數(shù)量可以選擇2組、4組到最高8組的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同用戶的不同需求，并且還可以保證Bank數(shù)據(jù)塊的數(shù)量不變。

其次，DDR5的突發(fā)長(zhǎng)度（burst length， 簡(jiǎn)稱 BL）由2增至16，超過(guò)DDR4的8，這是實(shí)現(xiàn)內(nèi)存訪問(wèn)可用性雙倍增長(zhǎng)的另一大重要特性。

第三，DDR4在刷新期間不能進(jìn)行其他操作。DDR5具備同庫(kù)刷新功能，允許系統(tǒng)在當(dāng)前內(nèi)存庫(kù)操作期間訪問(wèn)其它內(nèi)存庫(kù)，進(jìn)而提高了內(nèi)存訪問(wèn)可用性。

DDR5在提高可擴(kuò)展性方面還有兩個(gè)特性：經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 DRAM 核心計(jì)時(shí)和晶片內(nèi)糾錯(cuò)碼。首先，雖然內(nèi)存架構(gòu)逐年擴(kuò)展，但它的代價(jià)是 DRAM 單元電容的下降和位線接觸電阻的增加。DDR5 解決了這些缺點(diǎn)，并允許通過(guò)優(yōu)化的核心計(jì)時(shí)進(jìn)行更可靠的擴(kuò)展，這對(duì)于確保有足夠的時(shí)間在 DRAM 單元中寫(xiě)入、存儲(chǔ)和檢測(cè)電荷至關(guān)重要。

另外，晶片內(nèi)糾錯(cuò)碼 （ECC） 通過(guò)輸出數(shù)據(jù)之前在讀取命令期間執(zhí)行更正，提高了數(shù)據(jù)完整性并減少了系統(tǒng)糾錯(cuò)負(fù)擔(dān)。DDR5 還引入了錯(cuò)誤檢查清理，其中 DRAM 將在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)并寫(xiě)回已更正的數(shù)據(jù)。

存儲(chǔ)器三巨頭在DDR5上可謂是你追我趕。在2018年，三星和海力士宣布開(kāi)發(fā)DDR5成功。美光則和EDA大廠Cadence開(kāi)始聯(lián)合研發(fā)DDR5。

進(jìn)入2020年，美光科技宣布基于1Znm制程技術(shù)的DDR5 RDIMM已開(kāi)始送樣。三星宣布在2021開(kāi)始量產(chǎn)DDR5。而SK海力士這次搶到了頭名，推出了首款DDR5產(chǎn)品。該產(chǎn)品為面向服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心的RDIMM形態(tài)，基于1Ynm工藝制造的16Gb顆粒，單條容量64GB。而借助TSV硅穿孔技術(shù)，SK海力士期望將單條容量提升到256GB。

供應(yīng)鏈已做好準(zhǔn)備，只待CPU就位

IDC市場(chǎng)調(diào)查顯示， 對(duì)于DDR5內(nèi)存需求將從 2020年開(kāi)始增長(zhǎng)， 預(yù)計(jì)到2021年為止將占DRAM總市場(chǎng)的25%。這一市場(chǎng)份額將逐步提升， 并在2022年達(dá)到44%。

記者詢問(wèn)了國(guó)內(nèi)多家服務(wù)器廠商，想知道何時(shí)能推出DDR5的產(chǎn)品，得到的答案是最早在明年?！斑@個(gè)主要看是要看芯片廠商的支持?！币晃粯I(yè)內(nèi)人士表示。

DRAM是系統(tǒng)中存儲(chǔ)/存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分。在層次結(jié)構(gòu)的第一層中，SRAM被集成到CPU中以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)訪問(wèn)，DRAM被用于主存儲(chǔ)器。所以，DDR5的使用必須要得到CPU的支持。

考慮到生產(chǎn)成本，服務(wù)器產(chǎn)品對(duì)存有溢價(jià)的DDR5產(chǎn)品接納度較高。作為占據(jù)服務(wù)器CPU整體出貨量90%以上的Intel，有較快的平臺(tái)導(dǎo)入規(guī)劃。預(yù)計(jì)其服務(wù)器平臺(tái)Eagle Stream會(huì)開(kāi)始正式采用DDR5，預(yù)計(jì)2021下半年度開(kāi)始做小批量的生產(chǎn)。

AMD即將問(wèn)世的Milan平臺(tái)仍沿用當(dāng)前主流解決方案DDR4，預(yù)計(jì)下一代Genoa平臺(tái)會(huì)有導(dǎo)入DDR5的規(guī)格，不過(guò)該平臺(tái)量產(chǎn)時(shí)間約為2022年，若要正式搭載DDR5，AMD的服務(wù)器存儲(chǔ)器解決方案最快2023年才會(huì)問(wèn)世。

在ARM陣營(yíng)方面，來(lái)自法國(guó)的初創(chuàng)公司SiPearl剛公布了代號(hào)“Rhea”（美洲鴕鳥(niǎo)）的處理器產(chǎn)品，采用臺(tái)積電7nm工藝制造，集成多達(dá)72個(gè)CPU核心，Mesh網(wǎng)格式布局，支持4-6個(gè)通道的DDR5內(nèi)存控制器。其發(fā)布時(shí)間定在2021年，因此對(duì)DDR5的導(dǎo)入也不會(huì)早于這個(gè)時(shí)間。

PC方面由于受制于BOM總成本，對(duì)新一代存儲(chǔ)器的規(guī)劃要到2022年才能落實(shí)，這意味著DDR5在今、明兩年都僅停留在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證階段。

據(jù)稱，英特爾 12 代酷睿 Alder Lake （ADL）混合架構(gòu)處理器會(huì)支持DDR5，但最早也要到2021年Q3。AMD的Zen4已經(jīng)規(guī)劃了對(duì)DDR5的支持，發(fā)布時(shí)間也在2021年。DDR5要全面在PC上普及，看來(lái)至少還需要2年的時(shí)間。

不過(guò)，供應(yīng)鏈相關(guān)廠商都已做好了準(zhǔn)備，如新思科技（Synopsys），瑞薩（Renesas），瀾起科技（Montage Technology），Rambus都開(kāi)始推出相關(guān)產(chǎn)品和解決方案。

這里要特別提到瀾起科技，這是國(guó)內(nèi)打入DRAM核心生態(tài)圈的唯一廠商，是全球可提供從DDR2到DDR4內(nèi)存全緩沖/半緩沖完整解決方案的主要供應(yīng)商之一

2019年瀾起科技已完成符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的DDR5第一代RCD及DB芯片工程樣片的流片，這些工程樣片于2019年下半年送樣給瀾起科技主要客戶和合作伙伴進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，瀾起科技計(jì)劃在2020年完成DDR5第一代內(nèi)存接口及其配套芯片量產(chǎn)版本芯片的研發(fā)，實(shí)際量產(chǎn)時(shí)間取決于服務(wù)器生態(tài)的成熟度。

未來(lái)的決戰(zhàn)要看EUV

了解DRAM演進(jìn)歷史的人都知道，工藝的競(jìng)爭(zhēng)是永恒的旋律。

在進(jìn)入20nm節(jié)點(diǎn)以后，三大供應(yīng)商們希望通過(guò)三代工藝去制造DRAM，這就是1Xnm，1Ynm和1Znm。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，1Xnm處于16nm和19nm之間，1Ynm規(guī)定在14nm到16nm，1Znm規(guī)定在12nm到14nm。

2019年，DRAM工藝普遍進(jìn)入到1Znm，接近10nm工藝節(jié)點(diǎn)，廠商們面臨是否選擇EUV的問(wèn)題。

從當(dāng)前的局面來(lái)看，風(fēng)格激進(jìn)的韓國(guó)雙雄（三星、SK海力士）已經(jīng)將EUV的進(jìn)入作為改進(jìn)產(chǎn)品的主要手段。

據(jù)韓國(guó)科技媒體ETNews報(bào)道，三星電子全新半導(dǎo)體工廠“平澤2號(hào)”（P2）已于今年8月開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，這座當(dāng)前世界上最大的半導(dǎo)體工廠（128900平方米，占地面積相當(dāng)于18個(gè)足球場(chǎng)）將生產(chǎn)全球首個(gè)基于EUV的移動(dòng)DRAM產(chǎn)品。

2020年3月，三星成功開(kāi)發(fā)了基于EUV光刻技術(shù)的第四代10納米級(jí)（1a）DRAM。三星還計(jì)劃在2020年下半年引入EUV光刻設(shè)備，量產(chǎn)第四代10納米級(jí)（1a）16Gb LPDDR5 DRAM。

三星估計(jì)，使用EUV工藝生產(chǎn)DDR5內(nèi)存，其12英寸D1a晶圓的生產(chǎn)效率會(huì)比舊有的D1x工藝的生產(chǎn)力提升一倍。

SK海力士將在其下一代DRAM的生產(chǎn)基地M16芯片廠批量生產(chǎn)EUV DRAM，目前已經(jīng)在園區(qū)內(nèi)安裝了兩臺(tái)EUV光刻機(jī)。一旦M16工廠的建設(shè)按計(jì)劃在今年年底完成，SK海力士將開(kāi)始在M16工廠建造與EUV光刻相關(guān)的必要設(shè)施和設(shè)備。據(jù)了解，SK海力士準(zhǔn)備將EUV導(dǎo)入1anm級(jí)DRAM的量產(chǎn)中。

相比之下，美光顯得比較謹(jǐn)慎。不過(guò)，由于同行的激進(jìn)作風(fēng)，美光也在評(píng)估EUV的導(dǎo)入時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

隨著制程工藝的提升，節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步微縮，EUV的性能和成本正在不斷優(yōu)化，DRAM將迎來(lái)EUV時(shí)代只是早晚的問(wèn)題。

不過(guò)光刻機(jī)廠商ASML估計(jì)，在DRAM芯片制造方面，每月每啟動(dòng)100，000個(gè)晶圓制造項(xiàng)目，一層就需要1.5到2個(gè)EUV系統(tǒng)，因此，DRAM制造商需要考慮根據(jù)容量和產(chǎn)能來(lái)規(guī)劃相關(guān)設(shè)備。

以EUV的引入來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的領(lǐng)先，對(duì)存儲(chǔ)器廠商來(lái)說(shuō)也是無(wú)可厚非?？紤]到DRAM產(chǎn)品的同質(zhì)性，通過(guò)引入更高制程來(lái)獲得性能差異，從而獲得市占率，是一條已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)無(wú)數(shù)次的絕招。只是這樣將促使行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)更趨白熱化，后進(jìn)者如中國(guó)國(guó)內(nèi)的DRAM廠商，如果要有所突破，勢(shì)必面臨更大的壓力。
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