DRAM 如何改变世界？

更新：去年，我们庆祝了 DRAM 发明 55 周年。今年是 DRAM 技术发明 56 周年，我们借此机会回顾 DRAM 催生的技术进步，并缅怀发明者 Dennard 先生深远和持久的影响力。 

1966 年距今已有半个世纪以上。那一年，甲壳虫乐队发布了新专辑《左轮手枪》，当年的电影票房冠军是《黄金三镖客》。而当时的计算机还停留在穿孔纸带和读卡器时代。

同年，Robert Dennard 发明了动态随机存取存储器 (DRAM)。两年后的 1968 年 6 月 4 日，DRAM 获得了专利，距今已逾 55 年。DRAM 由此开创了历史。

为开发这项技术，Dennard 在 IBM 领导了一支研究团队，在电容器上实验，以正电荷和负电荷代表二进制数据。由于电容器会泄漏电荷，Dennard 发明了一个平台，其中所有工作都由单个晶体管处理，同时尺寸大幅减小。

随机存取存储器（RAM）是一种临时存储器，当时被广泛使用，但相关设备复杂笨重，耗电量巨大。大型磁性存储系统需要类似房间大小的设备，只能存储一兆字节的信息。Dennard 的设想是将下一代磁存储器缩小到 25 厘米见方。技术诀窍是将 RAM 缩小成单个晶体管。计算机的一个芯片上可以容纳十亿个 RAM 单元——这是一项巨大的飞跃。

第一款 RAM 芯片 1103 于 1970 年发布。短短两年内，它便取代了磁芯存储器，成为全球最畅销的半导体内存芯片。到 20 世纪 70 年代中期，RAM 芯片已成为行业标准。

最近 IBM 发表了一篇缅怀 Dennard 的文章，其中描述了他发明 DRAM 产生的巨大影响：在接下来的 55 年时间里，DRAM 一代又一代地向前发展。DRAM 内存不仅取代了早期的磁性技术，还成为半导体行业的基础技术，深刻改变了人类社会——从人类的工作方式到娱乐方式，甚至到战争方式。

如今，从智能手机到云服务器，采用各种技术（如 DDR、LPDDR、GDDR、HBM）和外形规格（器件、UDIMM、SODIMM、RDIMM 等）的 DRAM 器件和模块无处不在，推动着全球经济的发展。

我们都很熟悉摩尔定律，而 Dennard 扩展定律则是摩尔定律这一概念在技术上更深层次的表达，即随着新一代技术的出现，晶体管面积将缩小一半，同时工作频率（时钟速度）将提高 40%。此外，在体积不变的前提下，芯片中的晶体管数量将翻倍，单个晶体管成本下降，同时保持功耗恒定。

Dennard 甚至预言了摩尔定律以及 Dennard 扩展定律最终会失效。一位 IBM 同事 Russ Lange 清楚地记得和 Dennard 一起讨论的场景，他回忆道：“Dennard 和我经常热烈讨论 Dennard 扩展定律是否最终会失效。他对我说：‘是的，扩展定律最终会失效。但创造力永无止境’”。

1981 年，美光在 DRAM 领域崭露头角，出货了第一款 64K DRAM 产品。此后，美光在 DRAM 和 NAND 领域一直牢牢占据着优势地位。三年后，美光发布了世界上最小的 256K DRAM 产品，然后于 1987 年推出了 1Mb DRAM。

多领域发明家、IEEE 安德鲁·格鲁夫 (Andrew Grove) 奖得主、美光技术路径探索高级研究员 Gurtej Sandhu 回忆起 DRAM 早期的创新岁月：“大约 15 年前，我访问了 IBM Watson 中心，接待人员带我去了 Dennard 的办公室。办公室一直对访客开放，工作秩序井然，我听说几年前退休的 Dennard 每周仍会来那里工作几小时。有意思的是，在 Dennard 发明 DRAM 后，正在寻找 SRAM 的低成本替代品的英特尔对该项技术给予了更多关注。降低比特成本对于提高计算机系统的能力至关重要，英特尔投入了很多资源来设计其处理器芯片，以管理 DRAM 刷新并定制系统级架构，从而使 DRAM 成为现代计算革命不可或缺的一部分。”

Sandhu 补充道：“在我们着手寻找未来的内存技术解决方案时，这是我们不应该忘记的历史教训。要成功实现一种新的内存技术，必须采用系统级方法来设计计算机架构和相关软件，为终端客户带来更大的价值。”

正如 Dennard 扩展定律所预言，DRAM 体积越来越小，速度越来越快。2002 年，美光率先发布 1GB DDR（双倍数据速率）DRAM 产品。长期以来，美光一直位于 DRAM 创新前沿，从早期的 PC DRAM，到后来的显存，再到当前爆炸式增长的汽车、物联网 (IoT) 以及人工智能 (AI) 设备专用内存。

2021 年，美光发布了基于 1α (1-alpha) 节点的 DRAM 产品，采用业界前沿的 DRAM 制程技术，在密度、功耗和性能方面均实现了重大突破。

美光技术和产品执行副总裁 Scott DeBoer 表示：“与此前的 1z DRAM 节点相比，1α 节点内存的密度提高了 40%，这一进步为未来的产品和内存创新奠定了坚实基础。”

例如，美光利用 1α 节点打造的 LPDDR5（低功耗 DDR5）产品能效超高、可靠性和速度出众，可满足需要高性能 LPDRAM（低功耗 DRAM）的平台所需。美光 LPDDR5 在功耗方面较上一代产品降低 15%，使 5G 移动用户能在智能手机上执行更多任务，而不会影响手机的续航时间。

1α 节点的其他应用还包括在业界率先推出的符合汽车安全完整性等级 (ASIL) 最高等级 (ASIL D) 的车用 LPDDR5 DRAM。该解决方案是美光基于国际标准化组织 (ISO) 的 26262 标准、针对汽车功能安全开发的全新内存和存储产品之一。

如今，美光继续走在 DRAM 发展的前沿，2022 年发布了 1β (1-beta) 节点并实现了量产。该节点的单芯片容量高达 16GB，数据传输速率高达 8.5Gbps，与前代产品相比功耗降低 15%，密度提高 35%。作为该节点技术的早期应用，基于 1 Beta 节点的美光 LPDDR5X 支持在手机上运行 8K 高分辨率视频录制和编辑。

此外，美光还于近日宣布，我们的 1γ (1-gamma) DRAM 制程技术采用了革命性的极紫外线 (EUV) 光刻技术。美光将成为首家将 EUV 技术引入日本并用于生产的半导体公司。预计于 2025 年在中国台湾和日本使用 EUV 技术生产基于 1γ (1-gamma) 节点的产品。

逾 55 年前，Robert Dennard 的创新引发了内存行业的蓬勃发展。从 64k 至 1γ DRAM，美光一直走在内存创新和发展的前沿。