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更新:去年,我們慶祝 DRAM 發明成立 55 週年。今天,我們慶祝 56 週年,回顧了發明激發並紀念了記憶和丹納德(Dennard)先生長期影響的技術進步。
1966 年是很久以前的事了。披頭四發行了專輯《Revolver》。排名第一的電影是《黃金三鏢客》(The Good, the Bad, and The Ugly)。而當時的電腦,即便可以這樣稱之,仍然使用紙帶和穿孔卡片閱讀器。
同年,羅伯特·丹納德(Robert Dennard)發明了動態隨機存取記憶體(DRAM)。兩年後 — 55 年前 — 1968 年 6 月 4 日,DRAM 專利獲得授予。剩下的就是歷史。
為了開發這項技術,丹納德(Dennard)領導 IBM 的研究團隊,研究電容器的二進位資料為正電荷或負電荷。由於電容器洩漏電荷,丹納德(Dennard)發明了一個由單個電晶體處理一切的平台,大幅減小了尺寸。
隨機存取記憶體(RAM)採用了臨時記憶體,當時廣泛使用,但複雜、龐大且使用了大量電力。大型磁性儲存系統需要機房大小的設備,同時僅儲存一個百萬位元組的資訊。丹納德(Dennard)的想法是將新一代的磁性記憶體縮小到 25 公分的正方形。這個技巧將 RAM 冷凝成單一電晶體。突然之間,一台電腦可以在一個晶片上容納十億個 RAM 單元。
第一個 RAM 晶片 1103 於 1970 年推出。在兩年內,它繞過磁芯記憶體,成為全球最暢銷的半導體記憶體晶片。到了 1970 年代中期,這成爲了標準。
在最近 IBM 向丹納德(Dennard)致敬的活動中,他們描述了這項發現的衝擊波:「在接下來的五十五年裡,DRAM 將一代又一代地演變……DRAM 記憶體不僅取代了早期的磁性技術,而且還成為一個重塑人類社會的產業的基礎技術——從我們的工作方式到娛樂自己的方式,甚至到我們打仗的方式。」
如今,各種技術(如 DDR、LPDDR、GDDR、HBM)和規格尺寸(元件、UDIMM、SODIMM、RDIMM 等)中的 DRAM 元件和模組從智慧型手機到雲端伺服器普遍存在,為全球經濟帶來動力。
雖然我們都熟悉摩爾定律,但丹納德縮放比例(Dennard Scaling) 將這個概念帶入更深入的技術意義 ,也就是每代電晶體區域可以縮小一半,同時將操作頻率(時脈)提高 40%。此外,在給定空間中電晶體會變得更便宜、更大量,但能保持功耗恆定(為電晶體數量的兩倍)。
丹納德(Dennard)甚至看到摩爾定律的終結,以及丹納德縮放比例(Dennard Scaling)。IBM 同事拉斯·蘭格(Russ Lange)清楚記得:「鮑伯(Bob)和我經常就規模擴張是否會有盡頭展開熱烈的討論。他會說:「是的,擴展已經結束了。但創造力沒有終點。」
到 1981 年,美光在 DRAM 領域爆發,出貨首款 64K DRAM 產品。這是我們在 DRAM 和 NAND 中強大領導角色的誕生。三年後,我們推出全球最小的 256K DRAM 產品,1987 年則推出 1 兆 DRAM。
美光 64K DRAM 產品
美光「We Do Windows」廣告和美光 1Mb DRAM 產品
古爾泰傑·桑杜(Gurtej Sandhu)是多領域的發明家,IEEE 安德魯·S·格羅夫(Andrew S. Grove)獎得主和美光技術路徑探尋資深研究員,回想起 DRAM 的早期創新時代,「當我大約 15 年前造訪 IBM Watson 中心時,我的主持人帶我到丹納德(Dennard)辦公室。該辦公室一直對訪客開放且正常運作,我被告知幾年前退休的丹納德(Dennard)每週仍然來這裏幾個小時。諷刺的是,在他發明 DRAM 時,Intel 更加關注它,因為其正在尋找更低成本的 SRAM 替代產品。降低位元成本對於提高電腦系統的能力至關重要,Intel 在設計其處理器晶片以管理 DRAM 更新和定制系統級架構方面有著很大的貢獻,該架構將 DRAM 作為現代運算革命的一部分。」
古爾泰傑·桑杜(Gurtej Sandhu)
EEE 安德魯·S·格羅夫(Andrew S. Grove)獎得主
美光技術路徑探尋資深研究員
桑杜(Sandhu)補充說:「這是我們不應該忘記的歷史教訓,因為我們開始尋找未來的記憶體技術解決方案。成功實施記憶體技術,始終需要系統級的方法來設計電腦架構和軟體,從而為終端客戶獲取最大利益。」
對丹納德縮放比例(Dennard Scaling)而言,DRAM 持續變得更小且速度更快。到 2002 年,美光展示了全球首款 1 GB DDR(雙倍資料速率)DRAM 產品。多年來,我們持續引領 DRAM 創新,從早期 PC DRAM 到圖像技術,再到汽車、IoT(物聯網)和 AI(人工智慧)裝置特定的記憶體爆炸性成長。
美光發佈 1α(1-alpha)節點型 DRAM 產品,並採用全球最先進的 DRAM 製程技術,在容量、功耗和效能方面做出重大改善,加速邁向 2021 年。
美光技術和產品執行副總裁斯科特·德博爾(Scott DeBoer)注意到:「與之前的 1z DRAM 節點相比,記憶體密度提高了 40%,這一進步為未來的產品和記憶體創新奠定了堅實的基礎。」
例如,該節點使我們能夠為需要同級最佳 LPDRAM(低功耗 DRAM)效能的平台提供超低功耗、可靠的記憶體和更快的低功耗 DDR5(LPDDR5)操作速度。該公司以 1 個 alpha 節點為基礎的 LPDDR5,其節能效果提升 15%,讓 5G 行動使用者能夠在智慧型手機上執行更多任務,而不會影響電池壽命。
美光 LPDDR5
其他應用包括業界首款符合最嚴格汽車安全完整性等級(ASIL)ASIL D 的汽車 LPDDR5 DRAM。該解決方案是美光根據國際標準化組織(ISO)26262 標準,針對汽車功能安全而設計的新記憶體和儲存裝置產品組合 。
今天,美光繼續處於 DRAM 進步的最前線,在 2022 年推出 1β(1 測試版)生產節點,每個晶粒容量 16Gb,資料速率 8.5Gbps,提供 15% 更好的能源效率,位元密度提升 35%。在節點技術的早期應用中,美光 LPDDR5X 在 1 個 Beta 節點上將啟用高解析度 8K 影片錄製,並在手機上編輯視訊。
美光 1-beta 節點晶圓
同時,美光最近宣布了我們的 1γ(1-gamma)DRAM 製程技術採用革命性的極紫外線(EUV)微影製程生產。我們將成為首家將 EUV 技術引進日本的半導體公司,並將在 2025 年在台灣和日本的 1γ(1-gamma)節點上擴大 EUV 生產。
羅伯特·丹納德(Robert Dennard)於 55 年前的創新激發了蓬勃發展的記憶體產業,包括美光無與倫比的 64k 至 1γ DRAM 領導地位和進步。