吳梟? 16020150024
【嵌牛導讀】內存
【嵌牛鼻子】我們所用的內存條怎樣造的
【嵌牛提問】內存條為什么漲價
【嵌牛正文】
導語內存的核心是半導體晶體芯片，又稱晶圓片，其生產包括芯片制造與顆粒焊接封裝兩大部分，其中光刻技術占芯片制造成本的30%，對芯片集成度的提高起了決定性的作用。
在剛剛過去不久的雙十一大戰(zhàn)中，“剁手”的不止廣大女性同胞，不少男同胞也是摩拳擦掌，對著屏幕不停挑挑比比。只不過，他們買買買的方向略有不同，內存條便是十分青睞的一類寶貝。然而，壞消息是，最近幾個月以來，國內內存條的價格一直在漲漲漲，甚至有調查稱最高漲幅達到三、四倍。
↑某品牌8G ddr4內存條價格走勢，雙十一期間迎來一波兒高峰
是什么因素讓內存條價格漲幅如此劇烈？內存條之于智能設備的性能為何如此重要？內存條被認為是中國造不好的生活必需品之一，現(xiàn)實情況真的如此么？我們先從最基礎的原理開始講起。
1所有計算機都依賴的結構：存儲
上至大型機，下至pc與手機，其基本結構都是相同的：基于馮·諾依曼結構的運算、控制、存儲、輸入與輸出五大部分。計算機的cpu、手機的soc起運算與控制的作用，相應的存儲器用于記憶程序與數(shù)據。工作時，cpu從存儲器里調用程序與數(shù)據，并將處理后的結果輸出至輸出設備。
要想講清楚所有存儲設備的原理需要很多工夫。
首先介紹幾個規(guī)律：基于存儲器的結構，數(shù)據容量越小的存儲器越容易實現(xiàn)更為高速高頻的讀寫調用過程；CPU是一臺計算機中運算速度最快的沒有之一；為了保證巨量多重的計算過程的高效率，計算機工程師會依據數(shù)據被cpu調用的頻率高低分層級進行存儲。由此，我們可以簡單將存儲器件簡要分類并做簡要分析：
↑主要存儲器的容量與讀寫時間對比
主存儲器（main memory），即我們常說的（運行）內存，原理上屬于動態(tài)隨機存儲器（Dram dynamic random access memory）。其調用來自閃存/磁盤的程序數(shù)據，供cpu讀取與計算。若沒有主存儲器的結構，cpu直接讀取閃存/磁盤中的數(shù)據的話，會極大地限制計算的速度與效率。主存儲器是一種易揮發(fā)的存儲設備，其斷電后所儲存的數(shù)據就會丟失。
本地存儲器（Local Storage），即我們常說的機身內存，原理上屬于非易失型存儲器。主要分為閃存和磁盤兩類。快閃存儲器（flash memory），即閃存，日常的U盤、手機SD擴展卡、內置存儲卡、數(shù)碼相機存儲卡，還包括現(xiàn)在流行的固態(tài)硬盤都使用這種存儲器。作為不易揮發(fā)的可以永久保存數(shù)據的存儲器，閃存擁有比磁盤存儲器更快的讀寫速度。
磁盤存儲器（magnetic-disk storage），即磁盤。作為民用pc的主流存儲設備，磁盤擁有大容量、低成本的優(yōu)勢，是長期存儲的主要介質。為了能夠訪問數(shù)據，系統(tǒng)必須將數(shù)據從磁盤移到內存。
光盤、磁帶等存儲器，作為上一代個人電腦的主要存儲器，目前已逐漸被閃存和磁盤取代。
寄存器、緩存器的思路基本等同于內存—硬盤的設計思路，都是基于將cpu調用頻率更高的數(shù)據單獨存儲起來，一級一級訪問速度遞增，從而提高計算機整體的運算速度。
↑各級存儲器的調用邏輯與特點
了解了這個，便可以區(qū)分所謂的運行內存和機身內存的區(qū)別。通俗點兒說，運行內存決定了你的設備的單任務處理速度以及多任務處理能力，也即是“快”的標準，而機身內存決定了你的設備能夠存放多少量級的數(shù)據，也即是“大”的標準。
當然，真實情況遠比這個解釋要復雜得多，并非運行內存大的設備就一定流暢：處理器、內存的讀寫速度、系統(tǒng)/軟件的優(yōu)化，都會影響設備的使用體驗。
2作為智能設備的核心，內存究竟是什么？
數(shù)據最基礎的存儲就是“0”和“1”，而所有存儲器的物質結構基礎，就是構造各種器件，來實現(xiàn)“0”和“1”。
內存的最原始單元比較好理解，本質上是利用半導體晶體管（NMOS）充當?shù)摹伴_關”作用。通過行選地址（Row Select）打開開關，列選地址（Column Select）便可以使電容器帶電。電容器由不帶電到帶電的過程，就是這一個bit由“0”寫入“1”的過程。同樣通過行地址的作用，列地址可以感受電容的放電變化，這就是讀取這一數(shù)據的過程。寫入與擦除過程可以從下圖看出來：其中黃色的顆粒是電荷，暫時儲存黃色顆粒的圓筒形結構是電容。而其間的開關便是晶體管。
↑Dram基礎存儲單元
↑寫入與擦除過程
當然這只是一個bit的數(shù)據結構，要想達到GB的存儲量級，還需要集成千萬級別的晶體管數(shù)量。為了讀出這些數(shù)據，需要大量的外圍電路結構。而如何設計外圍電路結構也成為了內存制造乃至所有芯片制造業(yè)的一大難點。下圖為16bit位寬的存儲單元，是如今主流內存的標準規(guī)格之一（還有8bit，32bit）。存儲單元是內存與cpu交互的最小單元，換句話說，每一次cpu調用內存數(shù)據的量都是整數(shù)倍個位寬。
↑Dram 存儲單元4X4內部結構,位寬16bit
Dram內部的存儲單元都是以陣列形式排列的，行列地址總線分別根據經過行列地址譯碼器譯碼后分別指向一行和一列，行列重疊的單元就是我們所尋找的存儲單元，這就是內存芯片尋址的基本原理。但是一個全容量的陣列結構會降低尋址效率，而且引起尋址沖突。因此計算機工程師們設計了分割形式的多Bank結構Dram——基于每個Bank結構的行列位置進行選址。內存在接到cpu的調用指令后，首先啟用bank控制邏輯模塊，找到所需的數(shù)據保存在哪個bank中，再通過行列地址找到對應的存儲單元。
↑ 內存顆粒結構/編碼尋址示意（4 bank，行列位數(shù)=4）
由此也可以引入行地址和列地址的概念。如何從千萬上億的晶體管中找到所需要的那個存儲元件？我們通過編碼譯碼的方式簡化表示行列的位數(shù)，使20位數(shù)的行列地址就能指示100萬量級的存儲元件（2^20=1048579）。那么，整個內存條的容量也就可以計算了：行數(shù)×列數(shù)×位寬（bit）×bank數(shù)目×內存顆粒數(shù)。所有行數(shù)×所有列數(shù)表示了單個bank內的存儲元件個數(shù)；位寬表示了單個存儲元件所存儲的數(shù)據量級；bank數(shù)目表示了單個內存顆粒內分割而成的bank的數(shù)目；內存顆粒數(shù)表示了整個內存條是由多少個顆粒集成的。
當然了，以上的模式都是基于Sdram的原理，對于如今的主流內存形式DDR/DDR1/DDR2/DDR3乃至DDR4，由于其涉及的雙沿傳輸和預存取（Prefetch）原理，使內存條的數(shù)據傳輸速度提高了數(shù)倍，而且是在其核心的計算速度沒有提高的情況下實現(xiàn)的。
↑DDR各工作頻率對比
在不提高核心頻率的基礎上提高數(shù)據傳輸速率，這其實像一個接口流量問題：就像出口開得越小流速越大一樣，工程師通過提高內存內部總線寬度（指總線每周期內可以傳輸?shù)臄?shù)據的極限值，通過并行轉串行的多通道技術實現(xiàn)），在核心頻率不變、輸出總線寬度不變的情況下提高傳輸速度，提高在輸出總線上的時間周期和帶寬，從而實現(xiàn)數(shù)據傳輸效率的提升。而所謂的雙沿傳輸，則是指通過差分時鐘技術，一并利用時鐘頻率的上升沿和下降沿來傳遞信息，實現(xiàn)一個時間周期兩倍的數(shù)據傳輸量。
↑DDR3 x8 configuration(8-bit prefetch)模式圖
↑DDR1/2/3 模式圖
以下是某廠商的DDR3內存顆粒原理圖解，可以清晰地看出8組bank、8組內總線（DQ[7:0]）。而其列地址有三組用于配置運行中的突發(fā)長度模塊。特別的，在DDR內存中，由于將并行的總線轉換為串行，單個存儲元件的位寬經過多通道技術的“富集”相當于倍增了。于是在DDR/DDR2/DDR3中，內存芯片的位寬（一次可以傳輸?shù)臄?shù)據量）分別擴大至2/4/8倍——對應的是預存取位數(shù)的2bit/4bit/8bit。
↑DDR3 內存顆粒模式圖
3我們常說的內存，是如何生產的？
所有半導體芯片，其實本質上都是高集成度的電路罷了，而其單個元件也是主要由p-n結半導體構成的。
就微電子生產工藝上講，圖形轉移是加工的重要基礎——如何把器件和電路的設計圖紙或工作站轉移到硅基片上去？這實際上是一個在襯底上建立三維圖形的過程，而這也就成為了晶圓片代工廠所必須要掌握的工藝。
摻雜、制膜、圖形轉移成為了微電子生產的主要工藝。而圖形轉移過程主要由光刻和蝕刻承擔。光刻，又稱為圖形曝光，使用帶有某一層設計幾何形狀的掩模版（mask），通過光化學反應，經過曝光與顯影，使光敏的光刻膠在襯底上形成三位浮雕圖形，將圖案轉移到覆蓋在半導體晶面上的感光薄膜層上；而蝕刻是指在光刻膠的掩蔽下，根據需要形成的微圖形的膜層，采用不同的蝕刻物質和方法在膜層上進行選擇性蝕刻的工藝。相較于后者，光刻技術的發(fā)展對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，是微電子制造過程中最復雜、昂貴、關鍵的工藝。
關于生產內存條的工藝流程，可以概括為內存芯片制造與顆粒焊接封裝兩大部分。內存顆粒的制造與絕大多數(shù)芯片制造過程類似。
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，并切片，制成晶圓基片。這一項工藝一般不由晶圓代工廠完成而是由相應的晶圓制造商完成。
然后，便是摻雜工藝（離子注入），通過固態(tài)擴散機制，將襯底材料暴漏在相反型態(tài)的雜質中，使原有的本征半導體晶格雜化，遂形成p-n結結構。同樣的，在硅晶圓片不同的位置加入不同的雜質, 不同雜質根據濃度/位置的不同就組成了場效應管。
接下來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，用于光刻過程中的光化學反應。一般來說光刻采用紫外光段，除了使用蒙版外還需要借助透鏡的光路性質。光刻膠在接受紫外光照射后變得可溶，可以在隨后的清洗過程中洗掉。掩模上印著預先設計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。
這個過程是內存顆粒生產過程中最重要的，期間光刻、蝕刻過程會經過多次反復的處理，還要穿插使用等離子沖洗、熱處理、氣相沉積等工藝，最終使每一個微存儲晶體管成型。
之后是所謂的金屬層電鍍、生長的工藝。無數(shù)的晶體管需要導線相互連起來才能起作用，而在芯片中，仿佛高速公路的多層金屬結構起到了這樣的作用。
最后，便是切片（晶圓切割成片，每一片作為一個內存顆粒）、封裝、測試流程。這樣，一枚良品內存顆粒便生產出來了。
如何由內存顆粒制成可以直接插在主板上的內存條呢？相較于內存顆粒的生產，內存條的裝配所顯出的工藝更傳統(tǒng)：主要通過表面貼裝設備將內存顆粒與內存電路板及其相應的控制模塊進行貼合組裝，輔以回流焊等工藝。裝配好了之后便可以進行最終產品測試。最終封裝出貨投放市場。
↑圖：從內存顆粒到內存條
4這么高精尖的晶圓片，中國能造嗎？
內存的性價比要回歸，只能靠國產，而如今，中國正在各個半導體領域切入自己的力量，破除國外壟斷，包括CPU微處理器、NAND閃存、OLED屏幕面板等等，DRAM內存也是時候了。
目前國際上生產內存條的原材料晶圓片量產的最高水平為10納米，中國企業(yè)正在進行18-20納米晶圓片的研究，雖然與國外尚存在差距，但在政策、資金等支持下，技術的突破也是指日可待的。只要中國具備了18-20納米的生產能力，相信國產內存條會很快崛起，內存條回歸性價比指日可待。
轉自于
網易新聞學院
出品| 網易新聞
作者| 大地、常松，清華大學材料科學與工程學院
