吳梟? 16020150024
【嵌牛導(dǎo)讀】?jī)?nèi)存
【嵌牛鼻子】我們所用的內(nèi)存條怎樣造的
【嵌牛提問(wèn)】?jī)?nèi)存條為什么漲價(jià)
【嵌牛正文】
導(dǎo)語(yǔ)內(nèi)存的核心是半導(dǎo)體晶體芯片，又稱晶圓片逞带，其生產(chǎn)包括芯片制造與顆粒焊接封裝兩大部分质涛，其中光刻技術(shù)占芯片制造成本的30%，對(duì)芯片集成度的提高起了決定性的作用掰担。
在剛剛過(guò)去不久的雙十一大戰(zhàn)中汇陆，“剁手”的不止廣大女性同胞，不少男同胞也是摩拳擦掌带饱，對(duì)著屏幕不停挑挑比比毡代。只不過(guò)，他們買買買的方向略有不同勺疼，內(nèi)存條便是十分青睞的一類寶貝教寂。然而，壞消息是执庐，最近幾個(gè)月以來(lái)酪耕，國(guó)內(nèi)內(nèi)存條的價(jià)格一直在漲漲漲，甚至有調(diào)查稱最高漲幅達(dá)到三轨淌、四倍迂烁。
↑某品牌8G ddr4內(nèi)存條價(jià)格走勢(shì)看尼，雙十一期間迎來(lái)一波兒高峰
是什么因素讓內(nèi)存條價(jià)格漲幅如此劇烈？?jī)?nèi)存條之于智能設(shè)備的性能為何如此重要盟步？?jī)?nèi)存條被認(rèn)為是中國(guó)造不好的生活必需品之一藏斩，現(xiàn)實(shí)情況真的如此么？我們先從最基礎(chǔ)的原理開(kāi)始講起却盘。
1所有計(jì)算機(jī)都依賴的結(jié)構(gòu)：存儲(chǔ)
上至大型機(jī)狰域，下至pc與手機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)都是相同的：基于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的運(yùn)算黄橘、控制兆览、存儲(chǔ)、輸入與輸出五大部分塞关。計(jì)算機(jī)的cpu拓颓、手機(jī)的soc起運(yùn)算與控制的作用，相應(yīng)的存儲(chǔ)器用于記憶程序與數(shù)據(jù)描孟。工作時(shí)驶睦，cpu從存儲(chǔ)器里調(diào)用程序與數(shù)據(jù)，并將處理后的結(jié)果輸出至輸出設(shè)備匿醒。
要想講清楚所有存儲(chǔ)設(shè)備的原理需要很多工夫场航。
首先介紹幾個(gè)規(guī)律：基于存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)容量越小的存儲(chǔ)器越容易實(shí)現(xiàn)更為高速高頻的讀寫調(diào)用過(guò)程廉羔；CPU是一臺(tái)計(jì)算機(jī)中運(yùn)算速度最快的沒(méi)有之一溉痢；為了保證巨量多重的計(jì)算過(guò)程的高效率，計(jì)算機(jī)工程師會(huì)依據(jù)數(shù)據(jù)被cpu調(diào)用的頻率高低分層級(jí)進(jìn)行存儲(chǔ)憋他。由此孩饼，我們可以簡(jiǎn)單將存儲(chǔ)器件簡(jiǎn)要分類并做簡(jiǎn)要分析：
↑主要存儲(chǔ)器的容量與讀寫時(shí)間對(duì)比
主存儲(chǔ)器（main memory），即我們常說(shuō)的（運(yùn)行）內(nèi)存竹挡，原理上屬于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dram dynamic random access memory）镀娶。其調(diào)用來(lái)自閃存/磁盤的程序數(shù)據(jù)，供cpu讀取與計(jì)算揪罕。若沒(méi)有主存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)梯码，cpu直接讀取閃存/磁盤中的數(shù)據(jù)的話，會(huì)極大地限制計(jì)算的速度與效率好啰。主存儲(chǔ)器是一種易揮發(fā)的存儲(chǔ)設(shè)備轩娶，其斷電后所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。
本地存儲(chǔ)器（Local Storage）框往，即我們常說(shuō)的機(jī)身內(nèi)存鳄抒，原理上屬于非易失型存儲(chǔ)器。主要分為閃存和磁盤兩類⌒斫Γ快閃存儲(chǔ)器（flash memory）瓤鼻，即閃存，日常的U盤闹司、手機(jī)SD擴(kuò)展卡、內(nèi)置存儲(chǔ)卡沐飘、數(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)卡游桩，還包括現(xiàn)在流行的固態(tài)硬盤都使用這種存儲(chǔ)器。作為不易揮發(fā)的可以永久保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器耐朴，閃存擁有比磁盤存儲(chǔ)器更快的讀寫速度借卧。
磁盤存儲(chǔ)器（magnetic-disk storage），即磁盤筛峭。作為民用pc的主流存儲(chǔ)設(shè)備铐刘，磁盤擁有大容量、低成本的優(yōu)勢(shì)影晓，是長(zhǎng)期存儲(chǔ)的主要介質(zhì)镰吵。為了能夠訪問(wèn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)必須將數(shù)據(jù)從磁盤移到內(nèi)存挂签。
光盤疤祭、磁帶等存儲(chǔ)器，作為上一代個(gè)人電腦的主要存儲(chǔ)器饵婆，目前已逐漸被閃存和磁盤取代勺馆。
寄存器、緩存器的思路基本等同于內(nèi)存—硬盤的設(shè)計(jì)思路侨核，都是基于將cpu調(diào)用頻率更高的數(shù)據(jù)單獨(dú)存儲(chǔ)起來(lái)草穆，一級(jí)一級(jí)訪問(wèn)速度遞增，從而提高計(jì)算機(jī)整體的運(yùn)算速度搓译。
↑各級(jí)存儲(chǔ)器的調(diào)用邏輯與特點(diǎn)
了解了這個(gè)悲柱，便可以區(qū)分所謂的運(yùn)行內(nèi)存和機(jī)身內(nèi)存的區(qū)別。通俗點(diǎn)兒說(shuō)些己，運(yùn)行內(nèi)存決定了你的設(shè)備的單任務(wù)處理速度以及多任務(wù)處理能力诗祸，也即是“快”的標(biāo)準(zhǔn)，而機(jī)身內(nèi)存決定了你的設(shè)備能夠存放多少量級(jí)的數(shù)據(jù)轴总，也即是“大”的標(biāo)準(zhǔn)直颅。
當(dāng)然，真實(shí)情況遠(yuǎn)比這個(gè)解釋要復(fù)雜得多怀樟，并非運(yùn)行內(nèi)存大的設(shè)備就一定流暢：處理器功偿、內(nèi)存的讀寫速度、系統(tǒng)/軟件的優(yōu)化，都會(huì)影響設(shè)備的使用體驗(yàn)械荷。
2作為智能設(shè)備的核心共耍，內(nèi)存究竟是什么？
數(shù)據(jù)最基礎(chǔ)的存儲(chǔ)就是“0”和“1”吨瞎，而所有存儲(chǔ)器的物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)痹兜，就是構(gòu)造各種器件，來(lái)實(shí)現(xiàn)“0”和“1”颤诀。
內(nèi)存的最原始單元比較好理解字旭，本質(zhì)上是利用半導(dǎo)體晶體管（NMOS）充當(dāng)?shù)摹伴_(kāi)關(guān)”作用。通過(guò)行選地址（Row Select）打開(kāi)開(kāi)關(guān)崖叫，列選地址（Column Select）便可以使電容器帶電遗淳。電容器由不帶電到帶電的過(guò)程，就是這一個(gè)bit由“0”寫入“1”的過(guò)程心傀。同樣通過(guò)行地址的作用屈暗，列地址可以感受電容的放電變化，這就是讀取這一數(shù)據(jù)的過(guò)程脂男。寫入與擦除過(guò)程可以從下圖看出來(lái)：其中黃色的顆粒是電荷养叛，暫時(shí)儲(chǔ)存黃色顆粒的圓筒形結(jié)構(gòu)是電容银舱。而其間的開(kāi)關(guān)便是晶體管龄章。
↑Dram基礎(chǔ)存儲(chǔ)單元
↑寫入與擦除過(guò)程
當(dāng)然這只是一個(gè)bit的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)昆淡，要想達(dá)到GB的存儲(chǔ)量級(jí)带污，還需要集成千萬(wàn)級(jí)別的晶體管數(shù)量提岔。為了讀出這些數(shù)據(jù)螟蒸，需要大量的外圍電路結(jié)構(gòu)拇涤。而如何設(shè)計(jì)外圍電路結(jié)構(gòu)也成為了內(nèi)存制造乃至所有芯片制造業(yè)的一大難點(diǎn)瘤袖。下圖為16bit位寬的存儲(chǔ)單元掉缺，是如今主流內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格之一（還有8bit卜录，32bit）。存儲(chǔ)單元是內(nèi)存與cpu交互的最小單元眶明，換句話說(shuō)艰毒，每一次cpu調(diào)用內(nèi)存數(shù)據(jù)的量都是整數(shù)倍個(gè)位寬。
↑Dram 存儲(chǔ)單元4X4內(nèi)部結(jié)構(gòu),位寬16bit
Dram內(nèi)部的存儲(chǔ)單元都是以陣列形式排列的搜囱，行列地址總線分別根據(jù)經(jīng)過(guò)行列地址譯碼器譯碼后分別指向一行和一列丑瞧，行列重疊的單元就是我們所尋找的存儲(chǔ)單元，這就是內(nèi)存芯片尋址的基本原理蜀肘。但是一個(gè)全容量的陣列結(jié)構(gòu)會(huì)降低尋址效率绊汹，而且引起尋址沖突。因此計(jì)算機(jī)工程師們?cè)O(shè)計(jì)了分割形式的多Bank結(jié)構(gòu)Dram——基于每個(gè)Bank結(jié)構(gòu)的行列位置進(jìn)行選址扮宠。內(nèi)存在接到cpu的調(diào)用指令后西乖，首先啟用bank控制邏輯模塊，找到所需的數(shù)據(jù)保存在哪個(gè)bank中，再通過(guò)行列地址找到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元获雕。
↑ 內(nèi)存顆粒結(jié)構(gòu)/編碼尋址示意（4 bank薄腻，行列位數(shù)=4）
由此也可以引入行地址和列地址的概念。如何從千萬(wàn)上億的晶體管中找到所需要的那個(gè)存儲(chǔ)元件届案？我們通過(guò)編碼譯碼的方式簡(jiǎn)化表示行列的位數(shù)庵楷，使20位數(shù)的行列地址就能指示100萬(wàn)量級(jí)的存儲(chǔ)元件（2^20=1048579）。那么楣颠，整個(gè)內(nèi)存條的容量也就可以計(jì)算了：行數(shù)×列數(shù)×位寬（bit）×bank數(shù)目×內(nèi)存顆粒數(shù)尽纽。所有行數(shù)×所有列數(shù)表示了單個(gè)bank內(nèi)的存儲(chǔ)元件個(gè)數(shù)；位寬表示了單個(gè)存儲(chǔ)元件所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量級(jí)球碉；bank數(shù)目表示了單個(gè)內(nèi)存顆粒內(nèi)分割而成的bank的數(shù)目蜓斧；內(nèi)存顆粒數(shù)表示了整個(gè)內(nèi)存條是由多少個(gè)顆粒集成的仓蛆。
當(dāng)然了睁冬，以上的模式都是基于Sdram的原理，對(duì)于如今的主流內(nèi)存形式DDR/DDR1/DDR2/DDR3乃至DDR4看疙，由于其涉及的雙沿傳輸和預(yù)存榷共Α（Prefetch）原理，使內(nèi)存條的數(shù)據(jù)傳輸速度提高了數(shù)倍能庆，而且是在其核心的計(jì)算速度沒(méi)有提高的情況下實(shí)現(xiàn)的施禾。
↑DDR各工作頻率對(duì)比
在不提高核心頻率的基礎(chǔ)上提高數(shù)據(jù)傳輸速率，這其實(shí)像一個(gè)接口流量問(wèn)題：就像出口開(kāi)得越小流速越大一樣搁胆，工程師通過(guò)提高內(nèi)存內(nèi)部總線寬度（指總線每周期內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的極限值弥搞，通過(guò)并行轉(zhuǎn)串行的多通道技術(shù)實(shí)現(xiàn)），在核心頻率不變渠旁、輸出總線寬度不變的情況下提高傳輸速度攀例，提高在輸出總線上的時(shí)間周期和帶寬，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸效率的提升顾腊。而所謂的雙沿傳輸粤铭，則是指通過(guò)差分時(shí)鐘技術(shù)，一并利用時(shí)鐘頻率的上升沿和下降沿來(lái)傳遞信息杂靶，實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)間周期兩倍的數(shù)據(jù)傳輸量梆惯。
↑DDR3 x8 configuration(8-bit prefetch)模式圖
↑DDR1/2/3 模式圖
以下是某廠商的DDR3內(nèi)存顆粒原理圖解，可以清晰地看出8組bank吗垮、8組內(nèi)總線（DQ[7:0]）垛吗。而其列地址有三組用于配置運(yùn)行中的突發(fā)長(zhǎng)度模塊。特別的烁登，在DDR內(nèi)存中职烧，由于將并行的總線轉(zhuǎn)換為串行，單個(gè)存儲(chǔ)元件的位寬經(jīng)過(guò)多通道技術(shù)的“富集”相當(dāng)于倍增了。于是在DDR/DDR2/DDR3中蚀之，內(nèi)存芯片的位寬（一次可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量）分別擴(kuò)大至2/4/8倍——對(duì)應(yīng)的是預(yù)存取位數(shù)的2bit/4bit/8bit蝗敢。
↑DDR3 內(nèi)存顆粒模式圖
3我們常說(shuō)的內(nèi)存，是如何生產(chǎn)的足删？
所有半導(dǎo)體芯片寿谴，其實(shí)本質(zhì)上都是高集成度的電路罷了，而其單個(gè)元件也是主要由p-n結(jié)半導(dǎo)體構(gòu)成的失受。
就微電子生產(chǎn)工藝上講讶泰，圖形轉(zhuǎn)移是加工的重要基礎(chǔ)——如何把器件和電路的設(shè)計(jì)圖紙或工作站轉(zhuǎn)移到硅基片上去？這實(shí)際上是一個(gè)在襯底上建立三維圖形的過(guò)程拂到，而這也就成為了晶圓片代工廠所必須要掌握的工藝痪署。
摻雜、制膜兄旬、圖形轉(zhuǎn)移成為了微電子生產(chǎn)的主要工藝狼犯。而圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程主要由光刻和蝕刻承擔(dān)。光刻领铐，又稱為圖形曝光悯森，使用帶有某一層設(shè)計(jì)幾何形狀的掩模版（mask），通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)绪撵，經(jīng)過(guò)曝光與顯影瓢姻，使光敏的光刻膠在襯底上形成三位浮雕圖形，將圖案轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體晶面上的感光薄膜層上音诈；而蝕刻是指在光刻膠的掩蔽下幻碱，根據(jù)需要形成的微圖形的膜層，采用不同的蝕刻物質(zhì)和方法在膜層上進(jìn)行選擇性蝕刻的工藝细溅。相較于后者褥傍，光刻技術(shù)的發(fā)展對(duì)電路集成度的提高起了決定性的作用——光刻占用芯片制造的30%成本，是微電子制造過(guò)程中最復(fù)雜谒兄、昂貴摔桦、關(guān)鍵的工藝。
關(guān)于生產(chǎn)內(nèi)存條的工藝流程承疲，可以概括為內(nèi)存芯片制造與顆粒焊接封裝兩大部分邻耕。內(nèi)存顆粒的制造與絕大多數(shù)芯片制造過(guò)程類似。
首先是將原料沙子（二氧化硅）熔煉提純?yōu)榧児柚瞥晒鑶尉уV燕鸽，并切片兄世，制成晶圓基片。這一項(xiàng)工藝一般不由晶圓代工廠完成而是由相應(yīng)的晶圓制造商完成啊研。
然后御滩，便是摻雜工藝（離子注入）鸥拧，通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散機(jī)制，將襯底材料暴漏在相反型態(tài)的雜質(zhì)中削解，使原有的本征半導(dǎo)體晶格雜化富弦，遂形成p-n結(jié)結(jié)構(gòu)。同樣的氛驮，在硅晶圓片不同的位置加入不同的雜質(zhì), 不同雜質(zhì)根據(jù)濃度/位置的不同就組成了場(chǎng)效應(yīng)管腕柜。
接下來(lái)就是光刻蝕刻電路的工藝了。首先需要在基片表面涂抹光刻膠矫废，用于光刻過(guò)程中的光化學(xué)反應(yīng)盏缤。一般來(lái)說(shuō)光刻采用紫外光段，除了使用蒙版外還需要借助透鏡的光路性質(zhì)蓖扑。光刻膠在接受紫外光照射后變得可溶唉铜，可以在隨后的清洗過(guò)程中洗掉。掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案律杠，紫外線透過(guò)它照在光刻膠層上潭流，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。
這個(gè)過(guò)程是內(nèi)存顆粒生產(chǎn)過(guò)程中最重要的俩功，期間光刻幻枉、蝕刻過(guò)程會(huì)經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的處理碰声，還要穿插使用等離子沖洗诡蜓、熱處理、氣相沉積等工藝胰挑，最終使每一個(gè)微存儲(chǔ)晶體管成型蔓罚。
之后是所謂的金屬層電鍍、生長(zhǎng)的工藝瞻颂。無(wú)數(shù)的晶體管需要導(dǎo)線相互連起來(lái)才能起作用豺谈，而在芯片中，仿佛高速公路的多層金屬結(jié)構(gòu)起到了這樣的作用贡这。
最后茬末，便是切片（晶圓切割成片，每一片作為一個(gè)內(nèi)存顆粒）盖矫、封裝丽惭、測(cè)試流程。這樣辈双，一枚良品內(nèi)存顆粒便生產(chǎn)出來(lái)了责掏。
如何由內(nèi)存顆粒制成可以直接插在主板上的內(nèi)存條呢？相較于內(nèi)存顆粒的生產(chǎn)湃望，內(nèi)存條的裝配所顯出的工藝更傳統(tǒng)：主要通過(guò)表面貼裝設(shè)備將內(nèi)存顆粒與內(nèi)存電路板及其相應(yīng)的控制模塊進(jìn)行貼合組裝换衬，輔以回流焊等工藝痰驱。裝配好了之后便可以進(jìn)行最終產(chǎn)品測(cè)試。最終封裝出貨投放市場(chǎng)瞳浦。
↑圖：從內(nèi)存顆粒到內(nèi)存條
4這么高精尖的晶圓片担映，中國(guó)能造嗎？
內(nèi)存的性價(jià)比要回歸叫潦，只能靠國(guó)產(chǎn)另萤，而如今，中國(guó)正在各個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域切入自己的力量诅挑，破除國(guó)外壟斷四敞，包括CPU微處理器、NAND閃存拔妥、OLED屏幕面板等等忿危，DRAM內(nèi)存也是時(shí)候了。
目前國(guó)際上生產(chǎn)內(nèi)存條的原材料晶圓片量產(chǎn)的最高水平為10納米没龙，中國(guó)企業(yè)正在進(jìn)行18-20納米晶圓片的研究铺厨，雖然與國(guó)外尚存在差距，但在政策硬纤、資金等支持下解滓，技術(shù)的突破也是指日可待的。只要中國(guó)具備了18-20納米的生產(chǎn)能力筝家，相信國(guó)產(chǎn)內(nèi)存條會(huì)很快崛起洼裤，內(nèi)存條回歸性價(jià)比指日可待。
轉(zhuǎn)自于
網(wǎng)易新聞學(xué)院
出品| 網(wǎng)易新聞
作者| 大地溪王、常松腮鞍，清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
