從誕生到三足鼎立格局，DRAM到底經(jīng)歷了什么？

前幾日，IC Insights發(fā)布了最新的IC產(chǎn)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(chǎn)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(shù)原理？TechSugar小編為你揭曉。

DRAM發(fā)展史

如果要追溯存儲的歷史，起碼從結(jié)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(fā)展史。本文將從一個偉大公司的一名偉大的發(fā)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(fā)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(fā)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(shù)據(jù)。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(shè)想。原理是利用電容內(nèi)，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(jié)構(gòu)）。同年DRAM由登納德博士在IBM Thomas J. Watson研究中心研發(fā)成功。1969年加州的先進內(nèi)存系統(tǒng)公司（Advanced Memory system.Inc）正式商業(yè)推出這款DRAM 。這項DRAM技術(shù)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(yīng)管小組推出了256bit容量的靜態(tài)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(chǎn)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(chǎn)劃時代的C1103。這是真正使 DRAM 的生產(chǎn)達到經(jīng)濟規(guī)模，使得1bit只要1美分。然而C1103 只有 1k 容量，是今天內(nèi)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(yōu)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(chǎn)業(yè)新貴。C1103也被業(yè)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(nèi)存。到1974年，英特爾占據(jù)了全球82.9%的DRAM市場份額。

現(xiàn)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(chuàng)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(chuàng)立，后浪推前浪似乎成為他們的傳統(tǒng)。德州儀器是半導體和集成電路開創(chuàng)公司之一，至今在半導體業(yè)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(yè)半導體、模擬器件、DLP 投影等領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先，產(chǎn)品種類數(shù)以萬計。

1973年石油危機爆發(fā)后，歐美經(jīng)濟停滯，電腦需求放緩，影響了半導體產(chǎn)業(yè)。而英特爾在DRAM存儲芯片領(lǐng)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(fā)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(jié)構(gòu)。1971年德州儀器采用重新設(shè)計的3T1C結(jié)構(gòu)，推出了2K產(chǎn)品，1973年又推出成本更低，采用1T1C結(jié)構(gòu)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(nèi)存市場取得優(yōu)勢。而英特爾此時將精力放在開發(fā)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(chǎn)品幫助莫斯泰克擊敗英特爾，占據(jù)了全球75%的市場份額，后莫斯泰克又開發(fā)出了64K容量的MK4164。在70年代后期，一度占據(jù)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(chuàng)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(shè)備開始著手準備自己生產(chǎn) 64K DRAM ，1981年莫斯泰克晶圓廠投產(chǎn)。

Micron 64K DRAM

1980年，日本VLSI聯(lián)合研發(fā)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(yè)專利，達到1210件和347件。研發(fā)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(yè)的技術(shù)整合，保證了DRAM量產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)業(yè)。三星曾嘗試從國外引進技術(shù)，連續(xù)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(shù)授權(quán)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(shè)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(shè)立兩個研發(fā)團隊，六個月后，三星的工程師成功掌握了量產(chǎn)64K DRAM的301項流程，和其中8項核心技術(shù)，順利制造出生產(chǎn)模組。

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

至此，64K DRAM產(chǎn)業(yè)技術(shù)已完全成熟。

1984年，日本DRAM產(chǎn)業(yè)進入技術(shù)爆發(fā)期。通產(chǎn)省電子所研制成功1M DRAM，三菱甚至公開展出4M DRAM的關(guān)鍵技術(shù)。日立生產(chǎn)的DRAM內(nèi)存，已經(jīng)開始采用1.5微米生產(chǎn)工藝。到1986年，光是東芝一家，每月1M DRAM的產(chǎn)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(guān)閉生產(chǎn)DRAM的七座工廠，英特爾在落日余暉下轉(zhuǎn)向別去。

1985年，廣場協(xié)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(jù)技術(shù)優(yōu)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(xié)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(nèi)存的電腦。后來由于 IBM 和惠普等內(nèi)存大買家的投訴，反內(nèi)存傾銷的協(xié)議在 1991 年被瓦解。

廣場協(xié)議

1990，三星建立了26個研發(fā)中心。1992年，三星率先攻破技術(shù)壁壘，推出世界第一個64M DRAM產(chǎn)品。1994年三星將研發(fā)成本提升至9億美元，到1996年，三星又開發(fā)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(xiàn)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(shù)發(fā)展五年計劃”，但由于臺灣缺乏自主核心技術(shù)，只圖快進快出，靠購買技術(shù)授權(quán)、制程設(shè)備來快速擴充產(chǎn)能、賺快錢的經(jīng)營模式。在面臨韓國、日本財閥式經(jīng)濟集團的重壓時，根本不堪一擊。綜觀臺灣DRAM產(chǎn)業(yè)發(fā)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(jīng)濟理論。1980年代，臺灣省政府還能在產(chǎn)業(yè)政策、產(chǎn)業(yè)技術(shù)上，對DRAM產(chǎn)業(yè)進行扶持。到2000年后，盡管陳水扁政府提出了“兩兆雙星”產(chǎn)業(yè)政策，但是對DRAM產(chǎn)業(yè)、液晶面板產(chǎn)業(yè)缺乏扶持力度，缺乏產(chǎn)業(yè)主導能力，導致臺灣DRAM、液晶面板產(chǎn)業(yè)，在小而散的錯誤道路上越走越遠，最終被韓國企業(yè)全面擊潰。

1999 年是內(nèi)存界的大變年，排名世界第三的韓國現(xiàn)代半導體與LG合并，2001年從現(xiàn)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(nèi)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(fā)原子層薄膜。同年，美光公司的Gurtej Singh Sandhu開發(fā)了30-nm級NAND閃存，并且后來被全世界NAND閃存和RAM內(nèi)存制造商廣泛采用。2000年的時候，全球內(nèi)存廠商的數(shù)量仍超過 20 家，而到 00 年代末期只剩下不到 10 家。經(jīng)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(quán)人同意把約 20% 股權(quán)轉(zhuǎn)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(nèi)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(shù)據(jù)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(chǔ)其實并非一窮二白，而是有著近 40 年的發(fā)展歷程。但在前期很長一個階段里受限于市場、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈不完整等因素，沒能成功建立自己的研發(fā)-生產(chǎn)-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(guī)模地發(fā)展自己的 IDM 體系。

國內(nèi)存儲產(chǎn)業(yè)原為三大陣營：專注3D NAND技術(shù)的紫光集團長江存儲、集DRAM設(shè)計和生產(chǎn)于一身的合肥長鑫，以及福建晉華。目前國內(nèi)存儲陣營處于雙足鼎立的局面，紫光、合肥長鑫分據(jù)3D NAND和DRAM兩邊技術(shù)。

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

此外，從需求結(jié)構(gòu)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(chǎn)存儲器產(chǎn)能。國產(chǎn) DRAM 一旦量產(chǎn)，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(tài)隨機存取存儲器”（Dynamic Random Access Memory，DRAM ）和“靜態(tài)隨機存取存儲器”（Static Random-Access Memory，SRAM）兩大類。

DRAM

DRAM動態(tài)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(nèi)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(xiàn)實中電容會有漏電的現(xiàn)象，導致電位差不足而使記憶消失，因此除非電容經(jīng)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(tài)”存儲器。

SRAM

靜態(tài)隨機存取存儲器，所謂的“靜態(tài)”，是指這種存儲器只要保持通電，里面儲存的數(shù)據(jù)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(tài)隨機存取內(nèi)存（DRAM）。通常DRAM是有一個異步接口的，這樣它可以隨時響應(yīng)控制輸入的變化。而SDRAM有一個同步接口，在響應(yīng)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(tǒng)總線同步。時鐘被用來驅(qū)動一個有限狀態(tài)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(nèi)存相比速度能提高50%。SDRAM基于雙存儲體結(jié)構(gòu)，內(nèi)含兩個交錯的存儲陣列，當CPU從一個存儲體或陣列訪問數(shù)據(jù)時，另一個就已為讀寫數(shù)據(jù)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(yīng)用。

演進及詳細分類：

SDRAM從發(fā)展到現(xiàn)在實現(xiàn)量產(chǎn)的已經(jīng)經(jīng)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(tài)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(tài)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(nèi)存具有雙倍速率傳輸數(shù)據(jù)的特性，因此在DDR內(nèi)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(nèi)存生產(chǎn)廠商為了迎合發(fā)燒友的需求，還推出了更高頻率的DDR內(nèi)存。其最重要的改變是在界面數(shù)據(jù)傳輸上，他在時鐘信號的上升沿與下降沿均可進行數(shù)據(jù)處理，使數(shù)據(jù)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(tài)隨機存取內(nèi)存。DDR2內(nèi)存Prefetch寬度提升至4 bit，是DDR的兩倍，即DDR2內(nèi)存每個時鐘能夠以4倍外部總線的速度讀/寫數(shù)據(jù)，并且能夠以內(nèi)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(tǒng)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(tài)隨機存取內(nèi)存。DDR3內(nèi)存Prefetch寬度從4 bit提升至8 bit，核心同頻率下數(shù)據(jù)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(guī)格要求將電壓控制在1.5V，較1.8V的DDR2節(jié)省約30%的功耗。DDR3也新增ASR（Automatic Self-Refresh）、SRT（Self-Refresh Temperature）等功能，讓內(nèi)存在休眠時也能夠隨著溫度變化去控制對內(nèi)存顆粒的充電頻率，以確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)組的設(shè)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(nèi)，可以處理4 筆數(shù)據(jù)，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(nèi)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(shù)據(jù)傳輸及儲存的可靠性。

相關(guān)對比：

在未來，DDR5 規(guī)格也將到來，2018 年 10 月，Cadence 和鎂光公布了自己的 DDR5 內(nèi)存研發(fā)進度，兩家廠商已經(jīng)開始研發(fā) 16GB DDR5 產(chǎn)品，并計劃在 2019年底實現(xiàn)量產(chǎn)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。