DRAM存儲(chǔ)電容概述

本文主要介紹DRAM的存儲(chǔ)原理、存儲(chǔ)電容、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，后續(xù)會(huì)針對(duì)SDRAM和DDR等具體類型進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1、概述

DRAM包括：SDRAM、DDRx、SDR、LPDDRx、LPSDR、GDDR、RLDRAMx（Reduced Latency DRAM）、EDO DRAM、FPM DRAM、Mobile DRAM等等。

主存DRAM由大至小，由上往下可做以下拆分：channel→DIMM→rank→chip→bank→row/column。

2、DRAM存儲(chǔ)原理

DRAM的結(jié)構(gòu)大致分為兩種：1T1C和3T1C，詳見下圖。

1T1C（1 Transistor -1 Capacitor）的大致原理是：當(dāng)Word Line選通時(shí)，晶體管導(dǎo)通，從而可以從Bit Line上讀取存儲(chǔ)在電容上的位信息。

3T1C（3 Transistor -1 Capacitor）使用三個(gè)晶體管作為開關(guān)，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)讀取存儲(chǔ)在電容上的位信息時(shí)，不會(huì)影響電容上的電荷，從而讀后不需要對(duì)單元進(jìn)行precharge。但是由于1T1C的結(jié)構(gòu)比3T1C的結(jié)構(gòu)面積節(jié)省很多，因此現(xiàn)代DRAM中常用的還是1T1C結(jié)構(gòu)。

DRAM的信息是存儲(chǔ)在電容當(dāng)中的，而電容中的電荷會(huì)因?yàn)槁╇娏鞯拇嬖诙饾u漏掉，因此需要不斷refresh（刷新），這也是DRAM稱為動(dòng)態(tài)的原因。例如，90nm工藝下，DRAM的cell單元的電容量是30pF，它的漏電流是1fA，漏光的時(shí)間是隨著溫度的變化而變化的?，F(xiàn)在的DRAM的刷新時(shí)間一般是32ms或者64ms。

3、DRAM存儲(chǔ)電容

關(guān)于存儲(chǔ)電容在現(xiàn)代業(yè)界也沒有統(tǒng)一，存在兩大陣營(yíng)，分別是堆電容（Stacked Capacitor）與溝電容（Trench Capacitor），像三星這樣的公司使用前者。因?yàn)檫@兩種電容在任何DRAM中都是存在的而且是需要考慮到的。trench電容是存在于深入到硅下面的，而stacked電容是存在于不同的多晶硅層中間。這兩種電容分別有自己的優(yōu)缺點(diǎn)：

trench電容是深入到硅下面的，相當(dāng)于從二維到三維的拓展，可以保證在相同的電荷容量下，面積小，成本低，由于其表面平坦更易制造，使它更易集成到邏輯優(yōu)化工藝技術(shù)里。由于深入到硅下面的，在上層的邏輯電路結(jié)構(gòu)形成之前就存在，與上層電路無關(guān)，有利于電路優(yōu)化。

堆電容是在硅表面形成像高層建筑那樣的結(jié)構(gòu)，可以有效地利用芯片面積，但工藝復(fù)雜，成本較高。關(guān)于stacked電容，由于是存在不同的多晶硅層之間的，因此bitline與多晶硅之間也會(huì)存在電容，且這種電容屬于stacked電容。

溝電容（Trench Capacitor）的示意如下圖所示：


堆電容（Stacked Capacitor）的示意如下圖所示：

平面型、襯底基板深槽型、深槽型、堆疊型、電容器在位線上方堆疊型的具體示意如下圖所示：

由于每個(gè)Bitline上連著很多并聯(lián)的Bitline Capacitor，因此存儲(chǔ)電容大小遠(yuǎn)比Bitline電容小，大約只有1/10。所以當(dāng)transistor選通時(shí)，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電容上的電荷傳輸?shù)紹itline時(shí)，Bitline上的電壓變化很小，需要使用差分比較放大器（此差分比較放大器非模擬集成電路中的差放，而是通過跟參考電壓作對(duì)比）。

DRAM的行選通和列選通信號(hào)將使存儲(chǔ)電容與外界間的傳輸電路導(dǎo)通，從而可進(jìn)行放電（讀?。┖统潆姡▽懭耄?。

在高密度的DRAM中，存儲(chǔ)器的單元電容決定了讀出信號(hào)電壓、讀出速度、數(shù)據(jù)保持時(shí)間和抗軟錯(cuò)誤容限。每一個(gè)存儲(chǔ)單元堆電容或溝電容容量為fF級(jí)（一般認(rèn)為必須大于25fF）。增加單元電容的一個(gè)主要策略是增加存儲(chǔ)器單元電容器的面積和降低介質(zhì)薄膜厚度（單位為F：FeatureLength，F(xiàn)2：Feature Dimension）。

DRAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

4、L-Bank&P-Bank

4.1、邏輯BANK

在芯片的內(nèi)部，DRAM的數(shù)據(jù)是以bit為單位寫入一張大的矩陣中，每個(gè)單元我們稱為CELL，只要指定一個(gè)行（Row），再指定一個(gè)列（Column），就可以準(zhǔn)確地定位到某個(gè)CELL，這就是內(nèi)存芯片尋址的基本原理。這個(gè)陣列我們就稱為內(nèi)存芯片的BANK，也稱之為邏輯BANK（Logical BANK）。由于工藝上的原因，這個(gè)陣列不可能做得太大，所以一般內(nèi)存芯片中都是將內(nèi)存容量分成幾個(gè)陣列來制造，也就是說內(nèi)存芯片中存在多個(gè)邏輯BANK，隨著芯片容量的不斷增加，邏輯BANK數(shù)量也在不斷增加，目前從32MB到1GB的芯片基本都是4個(gè)，只有早期的16Mbit和32Mbit的芯片采用的還是2個(gè)邏輯BANK的設(shè)計(jì)，譬如三星的兩種16MB芯片：K4S161622D（512K×16Bit×2 BANK）和K4S160822DT（1M×8bit×2 BANK）。芯片組本身設(shè)計(jì)時(shí)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只允許對(duì)一個(gè)邏輯BANK進(jìn)行操作（實(shí)際上芯片的位寬就是邏輯BANK的位寬），而不是芯片組對(duì)內(nèi)存芯片內(nèi)所有邏輯BANK同時(shí)操作。邏輯BANK的地址線是通用的，只要再有一個(gè)邏輯BANK編號(hào)加以區(qū)別就可以了（BANK0到BANK3）。但是這個(gè)芯片的位寬決定了一次能從芯片內(nèi)部讀出多少數(shù)據(jù)，并不是內(nèi)存芯片里所有單元的數(shù)據(jù)一次全部能夠讀出。

每個(gè)邏輯BANK有8M個(gè)單元格（CELL），一些廠商（比如現(xiàn)代/三星）就把每個(gè)邏輯BANK的單元格數(shù)稱為數(shù)據(jù)深度（Data Depth），每個(gè)單元由8bit組成，那么一個(gè)邏輯BANK的總?cè)萘烤褪?4Mbit（8M×8bit），4個(gè)邏輯BANK就是256Mbit，因此這顆芯片的總?cè)萘烤褪?56Mbit（32MB）。

內(nèi)存芯片的容量是一般以bit為單位的?？梢愿鶕?jù)芯片上的標(biāo)識(shí)知道，這個(gè)芯片有幾個(gè)邏輯BANK，每個(gè)邏輯bank的位寬是多少，每個(gè)邏輯BANK內(nèi)有多少單元格（CELL），比如64MB和128MB內(nèi)存條常用的64Mbit的芯片就有如下三種結(jié)構(gòu)形式：

16M×4bit=4M×4bit×4banks

8M×8bit=2M×8bit×4banks

4M×16bit=1M×16bit×4banks

存儲(chǔ)單元數(shù)量=行數(shù)×列數(shù)（一個(gè)L-Bank的存儲(chǔ)單元數(shù)量）×L-Bank的數(shù)量。芯片邏輯BANK位寬目前的工藝水平只能最多做到16位，因此大家看到幾乎所有的芯片邏輯BANK位寬只可能4/8/16三者之一。以前16Mbit的芯片基本采用的單個(gè)芯片兩個(gè)邏輯BANK，但是到了64Mbit基本就都是4個(gè)邏輯BANK設(shè)計(jì)了。

4.2、物理BANK

內(nèi)存系統(tǒng)為了保證CPU正常工作，必須一次傳輸完CPU在一個(gè)傳輸周期內(nèi)所需要的數(shù)據(jù)，而CPU在一個(gè)傳輸周期能接收的數(shù)據(jù)容量就是CPU數(shù)據(jù)總線的位寬，這個(gè)位寬就稱為物理BANK的位寬。

本文主要介紹DRAM的存儲(chǔ)原理、存儲(chǔ)電容、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。后續(xù)會(huì)針對(duì)SDRAM和DDR等具體類型進(jìn)行詳細(xì)介紹。

審核編輯：劉清