教授面前的那张昂贵办公桌,决定了整个书房的工作效率,而DRAM在计算机中的位置,恰恰就像这张办公桌一样关键。

眼前这台电脑,你知道它的“大脑”CPU在哪,也晓得硬盘是存东西的地方,但要是问你DRAM位于计算机体系结构的哪个位置,起什么作用,可能很多人就摸不着头脑了。

近期存储市场简直可以用“魔幻”来形容——部分内存产品价格涨幅竟高达700%,被戏称为“电子茅台”-2。这背后到底隐藏着什么秘密?


01 AI时代的新宠

AI热潮席卷全球,存储芯片需求经历着一场史诗级的爆发。集邦咨询对DRAM内存的价格预测一再上调,摩根士丹利近期的报告指出,我们正站在一个长达数年的“存储超级周期”的起点-2

市场是狂热的,但逻辑是冰冷的。在半导体产业有一句老话:“得存储者得天下。”但站在今天AI算力的风口上,这句话应该被更精准地改写为:“得DRAM者,得存储。-2

为啥DRAM如此重要?这得从它的特殊位置说起。

02 书房里的办公桌

很多行外人容易把DRAM(内存)和NAND Flash(闪存)混为一谈,觉得它们长得差不多,都是“存数据的芯片”。但它们其实完全是两个物种-2

打个比方,如果把计算机比作一个书房,CPU是那个伏案工作的“教授”,NAND(硬盘)就是靠墙的一排排巨大“书架”,而DRAM位于教授和书架之间的那张“办公桌”-2

NAND的任务是“大”。它的核心逻辑是堆叠,怎么便宜怎么来,怎么能塞下更多东西怎么来。哪怕反应慢一点也没关系,只要断电后书不丢就行-2

DRAM的任务是“快”。它是CPU这位教授思考时的“演算纸”,临时记录着思考要点。CPU处理数据的速度是光速级的,如果它每次都要转身去书架上翻书,那电脑就会卡死-2

这张“办公桌”必须以纳秒级的速度,时刻跟上CPU的节奏。这种功能上的天壤之别,决定了DRAM在计算机体系结构中不可替代的位置。

03 技术核心的微观世界

从技术角度看,DRAM的基本存储单元由单个晶体管和单个电容器组成,也就是所谓的1T1C设计-9。数据被存储在MOS晶体管源极的寄生电容C中,例如,用电容C中有电荷表示“1”,无电荷表示“0”-1

每个存储单元通过二维行列结构进行组织,看起来就像是一个庞大的城市网格系统-1。当你想要访问某个数据时,DRAM首先对行地址进行解析,选中DRAM中的一行,并通过读放大器将一行的数据读取到行缓存中-1

然后再对列地址进行解析,从行缓存中选择列地址对应的数据块进行传输-1。这个过程听起来简单,但在纳米级别的微观世界里,工程师们要解决的是极其复杂的物理问题。

DRAM的制造难度极高,这解释了为什么市场上只有少数几家厂商能够生存下来-2

04 市场格局的寡头游戏

DRAM市场是典型的寡头“修罗场”,幸存下来的只有少数几家企业——三星、SK海力士、美光以及中国的长鑫-2

为什么DRAM会形成如此极致的寡头垄断?因为在过去几十年里,DRAM的技术壁垒和资本门槛太高了,高到无数曾经辉煌的欧美日巨头都倒在了血泊中-2

活下来的,是真正的“凤毛麟角”。这也形成了一个有趣的现象:三星、SK海力士、美光三家企业都是先在DRAM领域站稳了脚跟,拥有了极深的技术护城河和现金流后,再去做NAND-2

因为DRAM的工艺更精密、容错率更低,掌握了DRAM技术的企业去做NAND,虽然也有挑战,但属于“从难到易”。反之,如果一家企业只掌握了NAND技术,想要逆流而上去做DRAM,那面临的将是指数级的难度跃迁-2

历史上,从未有过一家纯粹的NAND公司,能够成功逆袭成为DRAM巨头的先例。这不仅仅是钱的问题,更是技术基因的问题-2

05 未来的技术前沿

面对AI时代的挑战,DRAM技术也在不断创新演进。2022年,DRAM已成长为年营收近700亿美元的巨无霸市场-7

按照应用场景,DRAM已经分成标准DDR、LPDDR、GDDR三类,分别满足不同设备的功率、性能和尺寸要求-7。近年来还衍生出HBM、LPCAMM等新技术品类,驱动DRAM行业持续向前-7

而在技术前沿,佐治亚理工、圣母大学等研究机构的研究者提出了一种新型的无电容DRAM,称为2T0C设计,旨在加快AI领域的发展-9

这种新型嵌入式DRAM仅由两个晶体管制成,没有电容器。与传统DRAM不同,它可以从2T0C DRAM单元读取数据,而无需破坏数据,不必重写数据-9

这种轻松读取对于AI来说至关重要,因为神经网络每次写入至少要读取3遍-9。通过在对三个常见神经网络的模拟中,研究团队发现,八层2T0C DRAM将嵌入式存储器所需的芯片面积减少了7.3倍-9


DRAM位于半导体产业价值链顶端-2。当三星宣布其GDDR7 DRAM拥有破纪录的1.5TBps带宽时,它不只是技术参数上的突破,更是AI计算边疆的拓展-7。在计算机架构中那张“办公桌”的大小和效率,最终决定了我们数字世界的思考速度。