打开电脑机箱,那个细长的内存条上,密布着黑色的芯片,这些看似简单的方块里,藏着从晶体管、电容到复杂阵列的精密世界。
现代DRAM采用了经典的1T1C结构——一个晶体管加一个电容-1。电容负责存储电荷,有电荷代表“1”,没电荷就是“0”-1。

这个微小结构是DRAM低成本、高容量的基石,相比需要6个晶体管才能存储1比特的SRAM,DRAM的结构优势不言而喻-3。
晶体管则充当着开关的角色,控制着对电容的访问-3。这种设计的代价是电容电荷会缓慢泄漏,需要定期刷新,这也就是“动态”一词的由来-10。

DRAM芯片的核心秘密藏在它的基本存储单元里,简单到一个晶体管加一个电容-1。晶体管就是个电子开关,而那个小小的电容,才是真正保存数据的地方。
电容里头有电荷就表示“1”,没电荷就是“0”-1。但这个电容实在太小了,电荷动不动就会漏掉,所以得不断地给它“刷新”充电-10。
这设计妙啊,您瞅瞅,一个比特就用这么点东西存下了,所以DRAM才能做得这么密、这么便宜。不过代价就是得老惦记着给它充电,不然数据说没就没了。
光有一个单元存1比特可不够用,得把它们组织起来。DRAM用了二维网格的方式,把成千上万个单元排列成行和列-1。
每一行的单元通过字线连在一起,每一列的单元则通过位线连接-3。当要访问某个单元时,先通过行地址选中一整行,这一行的数据会被读到行缓存中-1。
然后再根据列地址,从行缓存里挑出具体需要的数据-1。这种设计大大减少了需要连的线数,想想看,要是每个单元都单独连线,那芯片上得乱成啥样。
从电容读取信号是个技术活——电容那么小,电荷变化引起的电压波动微乎其微-3。这里就轮到感测放大器出场了,它能把微弱的电压变化放大成清晰的“0”或“1”信号-3。
DRAM通常使用差分感测放大器,它需要同时比较两条位线的电压-5。因此在实际布局中,存储阵列会被分成两半,每个放大器连接一对位线-3。
有趣的是,读取过程会清空电容的电荷,造成“破坏性读出”-10。所以在读取后,必须根据放大器的数据重新给电容充电,恢复原来的值-3。
从微观单元往上走,DRAM有着严格的组织层次。多个存储阵列组成一个Bank,每个Bank可以独立工作-8。
多个Bank集成到一个芯片中,共享控制线和地址线-1。由于芯片引脚有限,单个DRAM芯片的数据位宽通常只有4到16比特-1。
为了匹配CPU的64位数据总线,需要将8个8位芯片组合成一个Rank,这些芯片协同工作,同时提供数据-1。
一个或两个Rank被组装到DIMM内存条上,插入主板的内存插槽-1。CPU还可以通过多个通道连接内存,进一步提升带宽-1。
DRAM技术一直在进化,从最初的SDRAM到现在的DDR5,传输速率提升了几十倍。关键创新之一是“预取”技术,DDR时代开始在内存内部缓存更多数据-8。
DDR4引入了存储体分组技术,多个组可以交替工作,隐藏访问延迟-8。而最新的DDR5则将64位通道拆分为两个32位子通道,进一步提高并发性-8。
除了这些标准DRAM,还有针对移动设备的LPDDR,针对显卡的GDDR等专用变体-8。每种都在功耗、带宽和延迟之间寻找最佳平衡,满足不同应用的需求。
DRAM芯片的制造是纳米级工艺的典范。存储电容必须足够大以保存电荷,又要足够小以实现高密度-5。
目前主流的DRAM单元面积约为6-8F²,其中F是工艺的最小特征尺寸-5。随着工艺进步,电容的制造越来越困难,工程师们正在研究各种新材料和新结构。
有意思的是,DRAM阵列结构也有不同设计,如开放式位线和折叠式位线结构-5。折叠式结构虽然占用面积稍大,但抗噪能力更强,已成为现代DRAM的主流选择-5。
当Tim捧着新到的DDR5内存条时,看着标签上6400MHz的数据速率,他想起十年前的DDR3 1600MHz内存。技术进步的步伐在他手中变得具体可感。
DRAM芯片结构框图里那些纵横交错的线路,最终转化为指尖下流畅的体验。电容充放电的物理现象与二进制世界在这里交汇,从晶体管开关的微观动作到数据在内存通道中的奔腾。
随着新技术的涌现,下一代DRAM或许会采用更先进的结构,但基础原理依然延续——用最小的空间存储最多的信息,用最有效的方式提供最快的访问。