DRAM經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)在處于越來(lái)越困難的狀況：PC市場(chǎng)的衰落導(dǎo)致DRAM需求減少，DRAM制程升級(jí)的的成本持續(xù)上升。于是業(yè)界正在積極尋找DRAM的替代品，但是DRAM真是一個(gè)迫不得已的選擇嗎？從目前DRAM的出貨量來(lái)看，短期之內(nèi)并不會(huì)有大的變化。但在長(zhǎng)期下去，DRAM留下的市場(chǎng)空間肯定是各路新興技術(shù)的必爭(zhēng)之地：這就是在今天這個(gè)環(huán)境下繼續(xù)深入研究DRAM的意義。
由于DRAM制程升級(jí)的速度開(kāi)始慢下來(lái)，供應(yīng)商們開(kāi)始著手于替代封裝技術(shù)和新型內(nèi)存類型與架構(gòu)。
DRAM從一開(kāi)始就是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的行業(yè)。多年來(lái)，在競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下DRAM供應(yīng)商已經(jīng)經(jīng)歷了多次繁榮和蕭條的循環(huán)。但是現(xiàn)在，該行業(yè)正面臨著一個(gè)無(wú)法看到未來(lái)的處境。
一方面，DRAM供應(yīng)商在2016年試過(guò)產(chǎn)能過(guò)剩和價(jià)格下降之間的衰退。但盡管存在不小的商業(yè)挑戰(zhàn)，美光、三星和SK海力士仍在制程升級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)中全速前進(jìn)，并希望在今年或明年突破20nm。然而隨著1xnm節(jié)點(diǎn)上的技術(shù)失去了動(dòng)力，DRAM制程升級(jí)也接近了尾聲。
DRAM制造商和他們的消費(fèi)者還面臨著其他挑戰(zhàn)。有一段時(shí)間，DRAM無(wú)法跟上當(dāng)今系統(tǒng)的寬帶需求，推進(jìn)了對(duì)替換技術(shù)的需求。為此，該行業(yè)制定了一系列的解決方案，如3D DRAM和各種下一代存儲(chǔ)器類型。
問(wèn)題是什么？在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)的OEM有充分的理由必須繼續(xù)使用二維DRAM。現(xiàn)在，仍然沒(méi)有可以在速度、密度和成本方面趕得上二維DRAM的替代技術(shù)。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備巨頭思科系統(tǒng)工程技術(shù)負(fù)責(zé)人Charles Slayman 認(rèn)為，目前有幾種候選技術(shù)，但是沒(méi)有一種可以稱得上是明確的替代方案來(lái)解決剛才的問(wèn)題。
這同樣適用于還在繼續(xù)擴(kuò)產(chǎn)的NAND閃存。Slayman認(rèn)為，閃存和DRAM會(huì)停留很長(zhǎng)一段時(shí)間，DRAM不會(huì)固步自封的，它會(huì)繼續(xù)發(fā)展，但是速度會(huì)逐漸慢下來(lái)。從工藝節(jié)點(diǎn)升級(jí)中會(huì)得到一點(diǎn)收益，盡管這點(diǎn)收益會(huì)越來(lái)越難以獲得。
不管怎樣，OEM可以通過(guò)集中途徑獲取主存儲(chǔ)器零件。為了協(xié)助OEM的生產(chǎn)，半導(dǎo)體工程已經(jīng)研究了下面幾種存儲(chǔ)技術(shù)的現(xiàn)狀——二維DRAM；3D或者堆疊式DRAM；和下一代存儲(chǔ)技術(shù)。
二維DRAM
在一個(gè)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。
SRAM被集成到處理器中做緩存。DRAM用于主存儲(chǔ)器。磁盤驅(qū)動(dòng)器和固態(tài)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器用于數(shù)據(jù)保存。
每個(gè)系統(tǒng)類型有不同的DRAM需求。例如，手機(jī)OEM需要快速、低功耗和廉價(jià)的DRAM。網(wǎng)絡(luò)方面更注重更低的延遲，對(duì)于服務(wù)器空間更重要的則是存儲(chǔ)器單位比特的成本和容量。
Howard認(rèn)為，今年DRAM市場(chǎng)可能下降20%，很少或者根本沒(méi)有出現(xiàn)好轉(zhuǎn)跡象。目前還不清楚是否會(huì)發(fā)生反彈或什么時(shí)候會(huì)發(fā)生反彈。
據(jù)其他分析師所說(shuō)，今年DRAM市場(chǎng)的資本支出預(yù)計(jì)會(huì)下降20%到30%，KLA-Tencor（科磊）企業(yè)戰(zhàn)略和市場(chǎng)營(yíng)銷的高級(jí)經(jīng)理Takuji Tada認(rèn)為，DRAM投資會(huì)隨著價(jià)格的持續(xù)疲軟而降低。
除了商業(yè)問(wèn)題，DRAM還面臨四個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)——能量功耗，帶寬，延遲和制程升級(jí)。DRAM本身是建立在一個(gè)晶體管一個(gè)電容器（1T1C）單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。單元排列成一個(gè)矩形，呈網(wǎng)狀模式。
簡(jiǎn)單的說(shuō)，對(duì)DRAM單元的晶體管施加電壓，反過(guò)來(lái)給存儲(chǔ)電容器充電，然后每比特?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在電容器中。
隨著時(shí)間的推移，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，電容器中的電荷會(huì)泄露或者放電。因此，在電容器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)必須每64毫秒就刷新一次，但這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不必要的能量功耗。
還有一些其他問(wèn)題。來(lái)自ARM公司的信息是，從2009年到2014年，手機(jī)設(shè)備中的存儲(chǔ)帶寬需求已經(jīng)增加了16倍。然而時(shí)鐘延遲和器處理器到DRAM的數(shù)據(jù)傳輸器件延遲一直保持相對(duì)恒定。
一個(gè)關(guān)鍵的延遲度量叫做tRC。思科的Slayman認(rèn)為，處理器運(yùn)行的越來(lái)越快，但從過(guò)去二十年的tRC來(lái)看，DRAM速度只增加了兩倍。所以，DRAM不是更快，但帶寬（要求）會(huì)繼續(xù)加大。
為解決此問(wèn)題，幾年前半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)了存儲(chǔ)器接口技術(shù)，叫做雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）。DDR技術(shù)每時(shí)鐘周期會(huì)傳輸兩倍的數(shù)據(jù)。
對(duì)于PC和服務(wù)器，行業(yè)正從DDR3標(biāo)準(zhǔn)往DDR4 DRAM過(guò)渡。DDR4 DRAM數(shù)據(jù)率高達(dá)25.8-GB/s，是DDR3 DRAM的兩倍。在移動(dòng)領(lǐng)域，OEM正從LPDDR3轉(zhuǎn)型至LPDDR4 DRAM。LPDDR DRAM是DRAM的低功耗版本。LPDDR4的數(shù)據(jù)率也高達(dá)25.8-GB/s。
現(xiàn)在，DDR4/LPDDR4 DRAM正在量產(chǎn)爬坡，但是這項(xiàng)技術(shù)可能不夠快。事實(shí)上，一些OEM廠商想要更快的存儲(chǔ)器和更大的帶寬。
于是呢？現(xiàn)在，在一些不起眼的角落，行業(yè)正著眼于下一代接口技術(shù)——DDR5和LPDDR5。Slayman說(shuō)：“現(xiàn)在需要DDR4的替代品，服務(wù)器和路由器的確需要大量的存儲(chǔ)器，他們也許需要類似DDR5那樣提供盡可能高的密度的解決方案。”
DDR5/LPDDR5的規(guī)格和時(shí)間尚不清楚。DDR5/LPDDR5甚至有可能永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)。實(shí)際上，DDR4/LPDDR4或者是DDR5/LPDDR5可能成為二維DRAM的終結(jié)，并且有一個(gè)更好的理由——DRAM將很快停止制程升級(jí)。
展望未來(lái)，供應(yīng)商們希望通過(guò)兩代或三代1xnm體制去升級(jí)DRAM，也被稱為1xnm，1ynm和1znm。應(yīng)用材料的硅晶系統(tǒng)事業(yè)部門存儲(chǔ)器與材料總經(jīng)理Er-Xuan Ping解釋到，1xnm處于16nm和19nm之間，1ynm規(guī)定在14nm到16nm，1znm規(guī)定在12nm到14nm。
將DRAM制程升級(jí)到1znm是有可能的，但是想超越它卻不太可能。泛林半導(dǎo)體的全球產(chǎn)品集團(tuán)首席技術(shù)官Yang Pan認(rèn)為DRAM從20nm到1xnm的過(guò)渡期要面對(duì)數(shù)種工藝和集成挑戰(zhàn)。
經(jīng)濟(jì)學(xué)在這個(gè)問(wèn)題上起著重要作用。HIS的Howard認(rèn)為DRAM還有一兩代技術(shù)，但是每次升級(jí)都需要更長(zhǎng)的時(shí)間一步步探索。隨著DRAM降到20nm以下、到達(dá)15nm范圍內(nèi)，它開(kāi)始帶來(lái)一些有趣的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。如，什么時(shí)候停止縮小尺寸會(huì)有經(jīng)濟(jì)上的意義？目前真的達(dá)到了制程升級(jí)和維護(hù)信號(hào)完整性的物理極限。
DRAM制程升級(jí)還有多遠(yuǎn)的路要走？ TechInsights的高級(jí)技術(shù)研究員Jeongdong Choe認(rèn)為下一個(gè)制程節(jié)點(diǎn)可能是18nm。而到15nm的挑戰(zhàn)性會(huì)更大。
總之，DRAM將失去動(dòng)力并在未來(lái)十年內(nèi)停止升級(jí)。應(yīng)用材料的Ping認(rèn)為十年后，人們將不會(huì)為DRAM制程升級(jí)繼續(xù)投資。在那個(gè)階段，DRAM制造商將繼續(xù)大量生產(chǎn)DRAM，但這很可能只是1xnm基礎(chǔ)上的遺留部分，在幾何圖形之上。
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