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DRAM基础原理及构造

时间:2025-02-28 20:21来源:元器件封装测试之友 作者:ictest8_edit 点击:

 

 

一、‌存储单元(Cell)结构

基础组成

DRAM的最小存储单元由‌1个晶体管(MOSFET)‌和‌1个电容‌构成‌。

电容

‌:存储电荷,电荷状态代表数据(有电荷为“1”,无电荷为“0”)‌。

晶体管

‌:作为开关,控制电容与位线/字线的连接‌。

 ‌动态特性

‌:电容会因漏电逐渐失去电荷,需周期性刷新(一般为64ms)‌。

物理结构优化

为提升存储密度,电容采用圆柱形设计,晶体管通过纳米级工艺缩小体积‌。随着制程进步,三维结构(如凹槽栅极、埋入式字线)被引入以缓解漏电问题‌


二、‌层级化存储架构

DRAM的物理结构从微观到宏观分为多个层级:

Cell阵列

‌:多个存储单元按行列排布,通过位线(BL)和字线(WL)连接‌。

Bank

‌:多个Cell阵列组成一个Bank,可独立操作‌

 ‌Chip

:多个Bank集成于单个芯片中,构成容量更大的存储单元‌。

 ‌Rank与Channel

‌:多个Chip并行组成Rank,多个Rank通过内存通道(Channel)与控制器交互‌


三、‌读写操作原理


写操作

· 字线激活对应行的晶体管,允许数据线对电容充电(写“1”)或放电(写“0”)‌。
· 电容充电完成后,晶体管关闭以保持电荷‌。

读操作
 
· 字线激活后,电容通过位线放电,电荷变化被读出放大器检测并转换为逻辑信号‌。
· ‌破坏性读取‌:读操作会耗尽电容电荷,需通过放大器重写数据以维持存储‌。

四、‌动态刷新机制

刷新必要性

电容的自然漏电会导致数据丢失,需周期性刷新(例如每64ms对全部行刷新一次)‌。

刷新方式

· ‌自动刷新(Auto-Refresh)

‌:由DRAM内部控制器执行,无需外部干预‌。

 ‌刷新周期

‌:刷新操作占用存储带宽,影响系统性能‌。

五、‌DRAM的演变与类型

 ‌技术迭代

· 从SDRAM(同步DRAM)到DDR系列(双倍数据速率),速度从66Mbps提升至DDR4的3200Mbps‌

· 电压逐步降低(如DDR4为1.2V),功耗优化显著‌

高密度方案

采用高介电材料(如氮化硅)提升电容效率,三维堆叠技术(如3D DRAM)突破平面限制‌

六、‌与SRAM的对比

特性 DRAM SRAM
结构 1T1C,面积小、密度高‌ 6晶体管,结构复杂、面积大‌
速度 较慢(受刷新限制)‌ 更快(无需刷新)‌
应用 主内存(容量大、成本低)‌ 高速缓存(如CPU L1/L2 Cache)‌
功耗 动态刷新增加功耗‌ 静态功耗低,但动态功耗较高‌


总结

DRAM通过电容和晶体管的组合实现高密度数据存储,依赖周期性刷新维持数据完整性,其层级化结构和工艺演进支撑了内存容量与性能的持续提升。与SRAM相比,DRAM在成本与容量上更具优势,但速度和功耗存在短板‌

 
 
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