手机越用越卡,刚打开的网页转眼就忘,这些日常困扰的背后,都藏着一场发生在电子元件间无声的刷新战争。

深夜,你的电脑突然重启,丢失了那份写了一半的重要文件。这个令人抓狂的瞬间,可能只是因为某个微小电容器的电荷悄然流失。

DRAM,这种构成我们电脑、手机中绝大多数内存的核心组件,就像一个永远睡不踏实的人,需要每秒被叫醒数百次,才能保持记忆-1。正是这种奇特的“健忘症”,塑造了整个数字时代的运行方式。


01 内存世界的基本法则

大多数人对内存的印象停留在“越大越好”,但很少有人知道,我们电脑和手机里大部分内存其实是一种需要不断刷新的“健忘”存储。

DRAM全称动态随机存取存储器,它的基本单元简单到令人惊讶:一个晶体管加一个电容器-1。电荷存储在电容器中代表“1”,没有电荷代表“0”。

但这个设计有一个致命缺陷——电容器会漏电,电荷会慢慢流失。数据可能在几毫秒内消失,除非有人不断刷新它们-1

这就引出了DRAM最核心的机制:刷新。专门电路需要每秒数百次地读取并重写每个存储单元,只是为了维持它们已经存储的数据-1

与它的表亲SRAM相比,DRAM显得既便宜又“难伺候”。SRAM使用4-6个晶体管构成一个存储单元,不需要刷新,速度也更快,但成本高昂且占用空间大-1

在追求性价比的消费电子世界,DRAM凭借成本优势,占据了系统内存的绝对主流地位-1。但它的“健忘症”也成为整个计算机体系必须不断适应的基础现实。

02 内存类型的演变之旅

从最早的异步DRAM到如今的DDR5,内存技术的发展就像一场永无止境的竞速赛。最早的DRAM技术使用标准内存寻址,先发送行地址再发送列地址,这种方式现在基本已经绝迹-1

然后是快页模式DRAM的出现,它比传统DRAM稍快一些-1。扩展数据输出DRAM(EDO DRAM)成为最常见的异步DRAM类型,它允许一个内存访问在另一个完成前就开始,比快页模式提升了3-5%的性能-1

同步DRAM的诞生是革命性的,它将所有信号与系统时钟同步-1。随着总线速度不断提高,又出现了双倍数据速率SDRAM,它每个时钟周期传输两次数据——在时钟信号的上升沿和下降沿都传输-1

聊到这些技术演进的花絮时,我想起一个工程师朋友曾打趣说:“DRAM的发展史就是一部与时间赛跑的历史。” 从早期DRAM的150纳秒访问时间,到如今SDRAM的个位数纳秒级别,速度提升了两个数量级-1

03 控制与刷新的艺术

管理DRAM的刷新是门精妙的艺术。逻辑电路可以用于控制DRAM的刷新,以固定的时间间隔刷新所有行-1

但如果速度是考虑因素,有各种技术可以使用。一种方法是使用选择性刷新与数据分配优化-1

选择性刷新只刷新有效的行,这样每次存储数据时,都会设置一个标志来显示数据所在的行是有效的-1。通过优化数据分配,可以减少需要刷新的行数-1

如果每个DRAM单元的数据保留时间不同,刷新周期可以根据表中保存的值而变化-1

这些控制机制构成了内存管理的隐形框架,确保数据不会因为硬件的物理限制而丢失。这种看不见的维护工作,恰恰是数字世界稳定运行的基石。

04 前沿技术的新突破

DRAM技术远未达到极限,研究人员正在探索各种突破性方案。IMEC展示了一种新颖的DRAM单元架构,使用两种铟镓锌氧化物薄膜晶体管,并且没有存储电容器-10

这种2T0C配置的DRAM单元显示保留时间超过400秒,显著降低了刷新率和功耗-10。处理IGZO-TFT的能力减少了单元面积,并为堆叠单个单元提供了可能性-10

这些突破性成果为低功耗和高密度单片3D-DRAM存储器铺平了道路-10

另一方面,长鑫存储的进展也值得关注。这家中国DRAM厂商成功量产了16nm DRAM,下一代15nm DRAM制程也在研发中-9。原本计划为DDR5产品采用17nm制程,但最终采用了更先进的16nm技术-9

长鑫存储将16nm产品定名为“G4”,与上一代G3相比,DRAM单元尺寸缩小了20%-9

05 市场需求与未来趋势

2026年的DRAM市场将如何走?市场分析师给出了明确预测:HBM在DRAM市场的份额将快速增长,这一增长将由人工智能需求驱动-6

到2025年,HBM将占DRAM市场销售额的33%,到2026年将进一步扩大至41%-6。几乎所有HBM产品都用于人工智能,特别是作为AI芯片模块的主存储器-6

2025年的主流产品将是HBM3E,到2026年,堆叠的DRAM芯片数量将从8个增加到12个-6

DDR5 6400MT/s将成为主流,三大DRAM制造商都在加紧量产“1b/1beta代”和“1c/1gamma代”-6

值得注意的是,存储芯片行业可能正加速迈入“超级周期”-6。由于担心DRAM短缺,一些领先的国际电子和服务器公司正在囤积内存,并与主要供应商洽谈签订长期供应协议-6

这与此前按季度或年度签订合同的传统形成鲜明对比-6


当三星和SK海力士致力于12nm DRAM制程的量产时,长鑫存储的16nm产品已在市场上现身-9。手机内存从LPDDR4X向LPDDR5过渡,速度翻倍的同时耗电却在降低。

DRAM花絮不仅是技术发展的边角料,它们共同勾勒出未来数字世界的基础轮廓——更智能的设备、更高效的数据处理和更加紧密的人机互动。