吴枭 16020150024
【嵌牛导读】内存
【嵌牛鼻子】我们所用的内存条怎样造的
【嵌牛提问】内存条为什么涨价
【嵌牛正文】
导语内存的核心是半导体晶体芯片，又称晶圆片，其生产包括芯片制造与颗粒焊接封装两大部分，其中光刻技术占芯片制造成本的30%，对芯片集成度的提高起了决定性的作用。
在刚刚过去不久的双十一大战中，“剁手”的不止广大女性同胞，不少男同胞也是摩拳擦掌，对着屏幕不停挑挑比比。只不过，他们买买买的方向略有不同，内存条便是十分青睐的一类宝贝。然而，坏消息是，最近几个月以来，国内内存条的价格一直在涨涨涨，甚至有调查称最高涨幅达到三、四倍。
↑某品牌8G ddr4内存条价格走势，双十一期间迎来一波儿高峰
是什么因素让内存条价格涨幅如此剧烈？内存条之于智能设备的性能为何如此重要？内存条被认为是中国造不好的生活必需品之一，现实情况真的如此么？我们先从最基础的原理开始讲起。
1所有计算机都依赖的结构：存储
上至大型机，下至pc与手机，其基本结构都是相同的：基于冯·诺依曼结构的运算、控制、存储、输入与输出五大部分。计算机的cpu、手机的soc起运算与控制的作用，相应的存储器用于记忆程序与数据。工作时，cpu从存储器里调用程序与数据，并将处理后的结果输出至输出设备。
要想讲清楚所有存储设备的原理需要很多工夫。
首先介绍几个规律：基于存储器的结构，数据容量越小的存储器越容易实现更为高速高频的读写调用过程；CPU是一台计算机中运算速度最快的没有之一；为了保证巨量多重的计算过程的高效率，计算机工程师会依据数据被cpu调用的频率高低分层级进行存储。由此，我们可以简单将存储器件简要分类并做简要分析：
↑主要存储器的容量与读写时间对比
主存储器（main memory），即我们常说的（运行）内存，原理上属于动态随机存储器（Dram dynamic random access memory）。其调用来自闪存/磁盘的程序数据，供cpu读取与计算。若没有主存储器的结构，cpu直接读取闪存/磁盘中的数据的话，会极大地限制计算的速度与效率。主存储器是一种易挥发的存储设备，其断电后所储存的数据就会丢失。
本地存储器（Local Storage），即我们常说的机身内存，原理上属于非易失型存储器。主要分为闪存和磁盘两类。快闪存储器（flash memory），即闪存，日常的U盘、手机SD扩展卡、内置存储卡、数码相机存储卡，还包括现在流行的固态硬盘都使用这种存储器。作为不易挥发的可以永久保存数据的存储器，闪存拥有比磁盘存储器更快的读写速度。
磁盘存储器（magnetic-disk storage），即磁盘。作为民用pc的主流存储设备，磁盘拥有大容量、低成本的优势，是长期存储的主要介质。为了能够访问数据，系统必须将数据从磁盘移到内存。
光盘、磁带等存储器，作为上一代个人电脑的主要存储器，目前已逐渐被闪存和磁盘取代。
寄存器、缓存器的思路基本等同于内存—硬盘的设计思路，都是基于将cpu调用频率更高的数据单独存储起来，一级一级访问速度递增，从而提高计算机整体的运算速度。
↑各级存储器的调用逻辑与特点
了解了这个，便可以区分所谓的运行内存和机身内存的区别。通俗点儿说，运行内存决定了你的设备的单任务处理速度以及多任务处理能力，也即是“快”的标准，而机身内存决定了你的设备能够存放多少量级的数据，也即是“大”的标准。
当然，真实情况远比这个解释要复杂得多，并非运行内存大的设备就一定流畅：处理器、内存的读写速度、系统/软件的优化，都会影响设备的使用体验。
2作为智能设备的核心，内存究竟是什么？
数据最基础的存储就是“0”和“1”，而所有存储器的物质结构基础，就是构造各种器件，来实现“0”和“1”。
内存的最原始单元比较好理解，本质上是利用半导体晶体管（NMOS）充当的“开关”作用。通过行选地址（Row Select）打开开关，列选地址（Column Select）便可以使电容器带电。电容器由不带电到带电的过程，就是这一个bit由“0”写入“1”的过程。同样通过行地址的作用，列地址可以感受电容的放电变化，这就是读取这一数据的过程。写入与擦除过程可以从下图看出来：其中黄色的颗粒是电荷，暂时储存黄色颗粒的圆筒形结构是电容。而其间的开关便是晶体管。
↑Dram基础存储单元
↑写入与擦除过程
当然这只是一个bit的数据结构，要想达到GB的存储量级，还需要集成千万级别的晶体管数量。为了读出这些数据，需要大量的外围电路结构。而如何设计外围电路结构也成为了内存制造乃至所有芯片制造业的一大难点。下图为16bit位宽的存储单元，是如今主流内存的标准规格之一（还有8bit，32bit）。存储单元是内存与cpu交互的最小单元，换句话说，每一次cpu调用内存数据的量都是整数倍个位宽。
↑Dram 存储单元4X4内部结构,位宽16bit
Dram内部的存储单元都是以阵列形式排列的，行列地址总线分别根据经过行列地址译码器译码后分别指向一行和一列，行列重叠的单元就是我们所寻找的存储单元，这就是内存芯片寻址的基本原理。但是一个全容量的阵列结构会降低寻址效率，而且引起寻址冲突。因此计算机工程师们设计了分割形式的多Bank结构Dram——基于每个Bank结构的行列位置进行选址。内存在接到cpu的调用指令后，首先启用bank控制逻辑模块，找到所需的数据保存在哪个bank中，再通过行列地址找到对应的存储单元。
↑ 内存颗粒结构/编码寻址示意（4 bank，行列位数=4）
由此也可以引入行地址和列地址的概念。如何从千万上亿的晶体管中找到所需要的那个存储元件？我们通过编码译码的方式简化表示行列的位数，使20位数的行列地址就能指示100万量级的存储元件（2^20=1048579）。那么，整个内存条的容量也就可以计算了：行数×列数×位宽（bit）×bank数目×内存颗粒数。所有行数×所有列数表示了单个bank内的存储元件个数；位宽表示了单个存储元件所存储的数据量级；bank数目表示了单个内存颗粒内分割而成的bank的数目；内存颗粒数表示了整个内存条是由多少个颗粒集成的。
当然了，以上的模式都是基于Sdram的原理，对于如今的主流内存形式DDR/DDR1/DDR2/DDR3乃至DDR4，由于其涉及的双沿传输和预存取（Prefetch）原理，使内存条的数据传输速度提高了数倍，而且是在其核心的计算速度没有提高的情况下实现的。
↑DDR各工作频率对比
在不提高核心频率的基础上提高数据传输速率，这其实像一个接口流量问题：就像出口开得越小流速越大一样，工程师通过提高内存内部总线宽度（指总线每周期内可以传输的数据的极限值，通过并行转串行的多通道技术实现），在核心频率不变、输出总线宽度不变的情况下提高传输速度，提高在输出总线上的时间周期和带宽，从而实现数据传输效率的提升。而所谓的双沿传输，则是指通过差分时钟技术，一并利用时钟频率的上升沿和下降沿来传递信息，实现一个时间周期两倍的数据传输量。
↑DDR3 x8 configuration(8-bit prefetch)模式图
↑DDR1/2/3 模式图
以下是某厂商的DDR3内存颗粒原理图解，可以清晰地看出8组bank、8组内总线（DQ[7:0]）。而其列地址有三组用于配置运行中的突发长度模块。特别的，在DDR内存中，由于将并行的总线转换为串行，单个存储元件的位宽经过多通道技术的“富集”相当于倍增了。于是在DDR/DDR2/DDR3中，内存芯片的位宽（一次可以传输的数据量）分别扩大至2/4/8倍——对应的是预存取位数的2bit/4bit/8bit。
↑DDR3 内存颗粒模式图
3我们常说的内存，是如何生产的？
所有半导体芯片，其实本质上都是高集成度的电路罢了，而其单个元件也是主要由p-n结半导体构成的。
就微电子生产工艺上讲，图形转移是加工的重要基础——如何把器件和电路的设计图纸或工作站转移到硅基片上去？这实际上是一个在衬底上建立三维图形的过程，而这也就成为了晶圆片代工厂所必须要掌握的工艺。
掺杂、制膜、图形转移成为了微电子生产的主要工艺。而图形转移过程主要由光刻和蚀刻承担。光刻，又称为图形曝光，使用带有某一层设计几何形状的掩模版（mask），通过光化学反应，经过曝光与显影，使光敏的光刻胶在衬底上形成三位浮雕图形，将图案转移到覆盖在半导体晶面上的感光薄膜层上；而蚀刻是指在光刻胶的掩蔽下，根据需要形成的微图形的膜层，采用不同的蚀刻物质和方法在膜层上进行选择性蚀刻的工艺。相较于后者，光刻技术的发展对电路集成度的提高起了决定性的作用——光刻占用芯片制造的30%成本，是微电子制造过程中最复杂、昂贵、关键的工艺。
关于生产内存条的工艺流程，可以概括为内存芯片制造与颗粒焊接封装两大部分。内存颗粒的制造与绝大多数芯片制造过程类似。
首先是将原料沙子（二氧化硅）熔炼提纯为纯硅制成硅单晶锭，并切片，制成晶圆基片。这一项工艺一般不由晶圆代工厂完成而是由相应的晶圆制造商完成。
然后，便是掺杂工艺（离子注入），通过固态扩散机制，将衬底材料暴漏在相反型态的杂质中，使原有的本征半导体晶格杂化，遂形成p-n结结构。同样的，在硅晶圆片不同的位置加入不同的杂质, 不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应管。
接下来就是光刻蚀刻电路的工艺了。首先需要在基片表面涂抹光刻胶，用于光刻过程中的光化学反应。一般来说光刻采用紫外光段，除了使用蒙版外还需要借助透镜的光路性质。光刻胶在接受紫外光照射后变得可溶，可以在随后的清洗过程中洗掉。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。
这个过程是内存颗粒生产过程中最重要的，期间光刻、蚀刻过程会经过多次反复的处理，还要穿插使用等离子冲洗、热处理、气相沉积等工艺，最终使每一个微存储晶体管成型。
之后是所谓的金属层电镀、生长的工艺。无数的晶体管需要导线相互连起来才能起作用，而在芯片中，仿佛高速公路的多层金属结构起到了这样的作用。
最后，便是切片（晶圆切割成片，每一片作为一个内存颗粒）、封装、测试流程。这样，一枚良品内存颗粒便生产出来了。
如何由内存颗粒制成可以直接插在主板上的内存条呢？相较于内存颗粒的生产，内存条的装配所显出的工艺更传统：主要通过表面贴装设备将内存颗粒与内存电路板及其相应的控制模块进行贴合组装，辅以回流焊等工艺。装配好了之后便可以进行最终产品测试。最终封装出货投放市场。
↑图：从内存颗粒到内存条
4这么高精尖的晶圆片，中国能造吗？
内存的性价比要回归，只能靠国产，而如今，中国正在各个半导体领域切入自己的力量，破除国外垄断，包括CPU微处理器、NAND闪存、OLED屏幕面板等等，DRAM内存也是时候了。
目前国际上生产内存条的原材料晶圆片量产的最高水平为10纳米，中国企业正在进行18-20纳米晶圆片的研究，虽然与国外尚存在差距，但在政策、资金等支持下，技术的突破也是指日可待的。只要中国具备了18-20纳米的生产能力，相信国产内存条会很快崛起，内存条回归性价比指日可待。
转自于
网易新闻学院
出品| 网易新闻
作者| 大地、常松，清华大学材料科学与工程学院
