内存技术前沿：解密行业最新战况
作者 | 金捷幡
来源 | 金捷幡（ID：jin-jiefan）
嘿，你是否觉得内存技术离你很远？其实，它正悄无声息地推动着计算世界的每一次飞跃！《内存的故事》三年前已开启序幕，今天，让我们聚焦这场技术革命的近况，一探究竟。
内存领域当前面临哪些核心挑战？
“内存”这个俗称，主要承担两大使命：为程序运行提供空间（如DRAM）和为数据存储提供阵地（如NAND）。
NAND进入3D时代后，容量瓶颈基本突破，我们稍后再详谈。
眼下最棘手的正是DRAM：单位价格容量增长缓慢，速度远远落后于CPU。这在商用领域尤为突出——数据中心、超级计算和运营商网络备受困扰。
更糟的是，DRAM能耗居高不下，每个时钟周期都得为微小电容重新充电。
电费已成商业用户的核心成本；在移动设备上，DRAM更是电池续航的“隐形杀手”。
历史上，DRAM为提升带宽不惜牺牲延迟，那增大缓存呢？可惜，SRAM与CPU纠缠过深，成本高昂，六个晶体管才存一个比特。英特尔至强处理器的缓存，仅为DRAM的千分之一。
就连强大的IBM Power 9 CPU，24核仅配120MB L3缓存，代价是芯片面积达700mm²，是苹果A13的七倍！
Power9中L2/L3占这么大面积才100多M
内存行业的核心矛盾日益尖锐：对容量、速度和功耗的需求飙升，DRAM技术却陷入瓶颈。
DDR5：缓慢进化中的曙光
DRAM的局限性让技术进步举步维艰。从DDR3到DDR4耗时五年；DDR4自2012年发布，DDR5至今仍未全面上市（注：GDDR5显存仅是DDR3变种）。
DRAM标准由JEDEC JC-42工作组制定，但节奏实由英特尔主导——原因很简单，英特尔掌控PC路线图，CPU或北桥芯片决定何时支持新内存。
借助半导体工艺进步，DDR5核心电压从DDR4的1.2V降至1.1V，有望节省20%功耗。
DDR5可使系统通道数翻倍，图：Micron
DDR5将Burst Length和预读取从DDR4的8n提升至16n，同等频率下带宽翻倍。为应对高速信号干扰，它还引入了核心时钟优化。片上ECC功能更是服务器的福音。
但这带来更多设计、测试与兼容性挑战，需CPU（含内存控制器）大幅改动，预计2022年方能落地。
LPDDR5：移动战场的低功耗角逐
LPDDR5单独成篇，因从LPDDR4起已与标准DDR分道扬镳。
尽管LPDDR5与DDR5共享技术，但侧重点迥异：LPDDR5功耗优先、速度次之；DDR5则速度至上、功耗居后。
LPDDR4已实现16n预读取，LPDDR5靠Bank group提升速度。它追求极致低功耗，供电与核心电压均低于DDR5。
x86领域被英特尔拖慢节奏，手机战场却硝烟弥漫——激烈竞争与年度旗舰发布，催生技术狂奔。
LPDDR5便是明证。小米10首发LPDDR5堪称重磅，彰显高通的激进策略。一加8和三星S20迅速跟进，奠定高端基调。
华为处境微妙：美光主导LPDDR5供应，三星优先自用，海力士专注DDR5。LPDDR5短缺下，华为下一代麒麟芯片如何抉择？产品规划面临两难。
HBM：高性能计算的带宽利器
游戏与高性能计算渴求带宽，高带宽内存（HBM）以卓越方案绕开DRAM传统IO演进。
图：AMD
HBM与处理器封装合一，突破引脚限制，打破IO带宽瓶颈。DRAM与CPU/GPU物理接近，速度再跃升。
尺寸上，HBM让系统设计大幅缩小。目前，HBM2与GDDR6激战正酣。但最新消息显示，Xbox Series X和PS5仍选GDDR6，或许是成本所致。
长远看，DRAM急需3D化——2D制造（昂贵10nm瓶颈）已近天花板。
NVDIMM：服务器内存的扩容奇兵
云计算虚拟机与内存数据库兴起，服务器对内存容量如饥似渴。但DRAM成本难降，如何低成本配置大内存？
混搭NVDIMM应运而生。NVDIMM-F直接用NAND替代DRAM内存条，成本极低，但速度慢且受系统DRAM容量限制。
NVDIMM-N在内存条添加NAND，为DRAM做镜像存储，防断电数据丢失。但它不扩容内存，且占用通道带宽。
JEDEC NVDIMM-N示意图
终极方案是NVDIMM-P，支持超大容量（如1TB），并允许用NAND、RRAM、MRAM等替代DRAM。JEDEC标准尚未出炉，但英特尔已发布基于3D-Xpoint的Optane DIMM，凭借平台优势筑高竞争门槛。
3D-Xpoint与其他NV内存：暗战与新机
3D-Xpoint号称速度比NAND快千倍，英特尔和美光对其原理守口如瓶。初始猜测为3D NOR，后普遍认为是相变内存（PCM）或RRAM。
市面上未见芯片剖析。直到一份案卷披露，发明人竟是当代爱迪生Stanford Ovshinsky。清算公司指控英特尔和美光在其公司破产处理中隐瞒关键信息。
与美光分家后，英特尔将3D-Xpoint转至大连厂独家生产，未来或有更多传闻。
3D-Xpoint在服务器领域潜力巨大，但降低成本是关键。MRAM、FRAM等NV内存则进军物联网、汽车与工业领域。
MRAM工艺类似传统MOS半导体，利于扩产降本，有望在嵌入式应用中取代部分NOR、SRAM或DRAM。
更快的PCM和RRAM能取代NAND吗？短期内难实现——存储对速度要求不高，而3D NAND凭借低成本容量暴增，已获巨大成功。
图：对比不同内存的成本和速度
3D NAND：存储领域的颠覆性跃进
对3D NAND，单元缩小已无意义，无需尖端制程。海力士称，未来可叠800层。
“盖楼”过程中，光刻环节减少，沉积与蚀刻工序大增——蚀刻之王泛林成最大赢家。
这也导致DRAM与NAND产线产能无法灵活互补。蚀刻百层楼梯与长孔充满挑战：楼梯连接位线，长孔则是著名充电陷阱。
英飞凌/奇梦达曾用以色列Saifun技术量产充电陷阱闪存，但当时技术不成熟，擦写寿命仅为浮栅的1/10。Jim Handy指出，该蚀刻孔工艺源自沟槽技术。
内存60年变迁中，IBM、英飞凌、东芝和AMD早期结盟。奇梦达以沟槽技术孤军奋战最终落败，但蚀刻技术得以延续：AMD后继者Spansion用于NOR闪存，东芝则打造领先的BiCS 3D NAND。
如今，仅英特尔坚守浮栅。每层需光刻的工艺复杂度，恐使其失去竞争力，退出市场或难避免。
长江存储128层Xtacking技术引人注目——它将存储阵列与控制电路分离，大幅缩短开发周期，但量产挑战不小。若采用晶圆键合，即使忽略键合良率，成品良率也需两片晶圆相乘。
3D NAND的延续与DDR5标准难产，为中国内存业提供绝佳追赶窗口。欣喜的是，长鑫存储已量产主流DDR4，其在知识产权与专利上的布局更显远见。
脚踏实地，志存高远，正是内存行业的不二法门。
参考阅读：
《内存的故事》
《内存的故事》-Rambus
《内存的故事》-金士顿
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