电脑卡顿、游戏掉帧时,谁也想不到,问题根源可能在于内存条里那些看不见的电容正在悄悄漏电。

电脑突然卡住,游戏打到一半画面冻结,这些让人抓狂的时刻,很少有人会想到罪魁祸首可能是电脑内存里的 DRAM 核心在“闹脾气”。

拆开内存条,那些小小的黑色芯片里,藏着动态随机存取存储器的秘密世界——一个依靠电荷存储数据却又不断丢失电荷的矛盾体。


01 DRAM基本原理

电脑运行时,CPU 需要快速存取数据,而硬盘速度太慢,这时候就需要内存作为临时数据仓库

DRAM 就是这个仓库的核心组成部分,它的基本单位是“1T1C”结构——一个晶体管加一个电容-1

这个组合其实挺简单的:电容负责存储电荷,有电荷表示“1”,没电荷表示“0”;晶体管则像个小门卫,控制着电荷的进出-5。当你访问数据时,CPU 发送地址信号,DRAM 首先解析行地址,选中一整行数据,再根据列地址找到具体需要的那几位-1

这个过程中最有趣的环节是读出放大器的工作。因为电容上的电荷变化非常微弱,需要这个“放大器”帮忙增强信号才能被识别-5

02 刷新机制的必要性

DRAM 里的“动态”二字,直指它最大的特点——需要不断刷新。这和 SRAM 完全不同,静态随机存取存储器不需要这种维护。

电容有个天生的缺陷:它会漏电。即使没有访问,存储的电荷也会随时间慢慢流失-5。想象一下,你往一个小水桶里装水,但桶底有个微小的洞,水会慢慢漏光。

为了解决这个问题,DRAM 需要定期“刷新”数据。目前的标准是每64毫秒必须对每一行进行一次全面刷新-1-9

刷新操作有两种主要方式:集中式刷新和分布式刷新。集中式刷新是每隔一段时间停止所有读写操作,专门进行刷新;分布式刷新则是把刷新操作均匀分散在时间线上,与正常读写交替进行-1

说实话,这个刷新机制真的像个手机闹钟,每隔一段时间就提醒你:“嘿,该检查一下数据还在不在了!”没有它,DRAM 根本没法用。

03 制程微缩的物理困境

DRAM 行业一直在追求制程微缩,想把晶体管和电容做得越来越小,这样同样面积就能存储更多数据。但这条路越走越难。

当工艺节点进入10纳米级别后,物理极限开始显现。电容要做成又高又瘦的圆柱形,宽高比已经达到惊人的1:50,再高就站不稳了-9

更麻烦的是电晶体漏电问题。随着尺寸缩小,晶体管的“短通道效应”越来越明显,栅极对电流的控制能力变弱,漏电流增加-9

这对 DRAM 来说是致命的,因为漏电流会加速电容中电荷的流失。

各大厂商想出了各种办法应对这些挑战。三星、美光和 SK 海力士等公司引入了高k介电材料、柱状电容器工艺、凹槽通道晶体管等创新技术-2

甚至开始探索无电容器 DRAM 原型,也就是所谓的“1T DRAM”-2


04 安全漏洞的威胁

RowHammer 攻击听起来像是科幻小说情节,但它是真实存在的安全威胁。这种攻击方式利用了一个物理缺陷:频繁访问 DRAM 的某一行会导致相邻行中的数据位翻转-3-7

攻击者可以精心设计访问模式,诱导特定的位从0翻转到1,或从1翻转到0,从而实现权限提升甚至远程控制-7

为了防御 RowHammer,DDR5 内存引入了目标行刷新机制。当检测到某行被频繁访问时,系统会自动刷新该行及相邻行,防止位翻转-7

但道高一尺魔高一丈,研究人员最近发现的 Phoenix 攻击成功绕过了这一防护。他们找到了 TRR 机制中的“盲区”——某些特定刷新间隔未被监测-7

在测试中,Phoenix 攻击在不到两分钟内就获取了 root 权限,令人震惊-7

05 未来技术路线图

面对平面 DRAM 的物理极限,产业正在向立体化发展。3D DRAM、高带宽内存和定制化内存成为三大技术路线-6

高带宽内存市场增长惊人,预计从2024年的170亿美元增长到2030年的980亿美元,年复合增长率高达33%-6

HBM4 预计将采用晶圆对晶圆键合技术,到2028年的 HBM5 将成为主流-6

三星正在开发垂直通道晶体管 DRAM,可能在未来2-3年内面世;SK 海力士已经展示了5层堆叠原型,良率达到56.1%-6

更激进的是,SK 海力士提出了 4F² VG平台,这是下一代存储器技术,可以最大限度地减少 DRAM 的单元面积,通过垂直栅极结构实现高集成度、高速和低功耗-10

与目前常见的6F²单元相比,4F²单元能够将电路部分置于单元面积以下,结合晶圆键合技术,提高单元效率和电气特性-10

06 应用领域的扩展

随着 AI 和高效能运算的兴起,DRAM 的应用场景也在不断扩展。客制化内存正在加速端侧 AI 落地-6

台厂华邦电的 CUBE 产品具有高带宽、低功耗、散热优化与可客制化特点,首波锁定海外穿戴式装置与轻量 AI 眼镜等领域-6

南亚科的客制化 DRAM 以高密度+3D IC+高带宽架构整合客户逻辑芯片,目标在年底完成验证、明年导入量产,应用涵盖 AI 服务器、AI PC/手机、机器人 与车载系统-6

特别值得注意的是,中国厂商也在这一领域积极布局。兆易创新旗下青耘科技从容量、带宽、能耗多维度提供方案,已在 AI 手机、AI PC 与车用、机器 人等领域拓展客户-6

这些多样化的发展方向表明,DRAM 技术正在适应不同应用场景的特殊需求,而不再是一刀切的通用解决方案。


DRAM技术从1970年问世至今,已走过了半个多世纪的历程-9。在平面微缩逼近物理极限的今天,3D堆叠、HBM和客制化内存正开辟新的道路。

全球HBM市场规模预计将从2024年的170亿美元跃升至2030年的980亿美元-6,而三星的垂直通道晶体管DRAM、SK海力士的4F² VG平台也在实验室中蓄势待发-6-10

那个依靠电容存储电荷又不断丢失电荷的DRAM核心单元,即将在立体空间中续写新的技术篇章。

网友问题与多维解答

问题一:普通用户怎么知道自己的内存是否受到RowHammer攻击影响?如何防范?

这是一个非常实际的安全关切。说实话,普通用户很难直接检测自己的内存是否受到RowHammer攻击影响,因为这种攻击不会留下明显的软件痕迹。

不过有几种间接判断方法:如果你发现系统异常崩溃、权限无故变化或加密密钥突然失效,可能意味着内存受到了攻击。

但更常见的情况是,这类攻击主要针对高价值目标,普通用户被针对的可能性相对较低。

要防范RowHammer攻击,你可以采取几个措施:保持系统和BIOS更新,因为厂商会通过更新微码来修复部分漏洞;选购带有强防护机制的内存条,新一代的DDR5内存普遍包含TRR技术-7;避免运行来源不明的软件,尤其是那些声称能“优化内存”的可疑程序。

对于企业用户,建议采用混合内存配置,结合使用不同厂商的内存条,因为RowHammer攻击往往针对特定型号的漏洞。

最近研究发现,即使是最新的DDR5防护机制也可能被绕过-7,所以保持警惕总是好的。

问题二:3D DRAM和HBM有什么区别?它们会完全取代现在的DDR内存吗?

这个问题涉及内存技术的不同发展方向,问得非常专业!3D DRAM和HBM确实有联系但也有本质区别。

3D DRAM是指DRAM单元本身的立体化,就像从平房变成楼房,在垂直方向上堆叠存储单元-6。这种结构旨在突破平面DRAM的物理极限,提升存储密度。

HBM则是将多个DRAM芯片通过硅通孔技术堆叠在一起,并与逻辑芯片封装在同一基板上-6。它主要解决的是“内存墙”问题——处理器速度远超内存速度的瓶颈。

关于是否会取代现有DDR内存,我认为短期内不会完全取代,而是会形成分层的市场结构。

未来可能出现这样的局面:对带宽要求极高的应用如AI训练、科学计算会采用HBM;高端消费设备可能使用3D DRAM;而传统DDR内存仍会在主流市场占有一席之地。

值得注意的是,HBM市场增长迅速,预计到2030年将达到980亿美元规模-6,但这并不意味着DDR会被淘汰。

不同应用场景有不同的性价比要求,多种内存技术将长期共存,各自服务最适合的应用领域。

问题三:电容漏电问题有根本性的解决方案吗?未来会不会出现不需要刷新的DRAM?

这是DRAM技术的核心难题,也是行业长期探索的方向。电容漏电问题源于物理本质,电荷存储在电容中就会自然流失,就像水从有洞的容器中漏出一样-5-9

目前的解决方案主要是工程优化而非根本消除。比如使用高介电常数材料增加电容值,改进晶体管结构减少漏电流-2-9

但要说根本性解决方案,业界确实在探索一些新方向。例如,研究人员正在研究新型存储单元结构,如无电容DRAM(1T-DRAM),试图从根本上改变存储机制-2

还有一种可能是采用完全不同原理的存储器,比如MRAM(磁性随机存取存储器),它利用磁阻效应而非电荷存储数据,理论上不需要刷新-2

不过,这些新技术面临成本、可靠性和量产难度等挑战,短期内难以完全取代传统DRAM。

个人观点是,未来十年我们可能看到混合解决方案:在需要极高可靠性的场景使用新型存储器,而传统DRAM通过3D堆叠等技术继续演进,刷新机制依然存在但可能优化得更高效。

技术发展往往不是简单替代,而是在现有基础上持续改进,同时在新方向上不断探索突破。