新型VLT DRAM內存技術特點：顯著降低成本和複雜性

　　巨大的全球DDR（SDRAM）存儲器市場在總產值為3500億美元的全球半導體市場中占據了超過500億美元的份額，使其成為政府為促進國內半導體產業發展而推出的推動措施中，最重要的產品類別之一。就中國而言，國務院於2014年6月頒布了《國家集成電路產業發展推進綱要》，要實現其中集成電路行業產值從2015年3500億人民幣以年均20%的增速達到2020年約8700億人民幣這一目標，DRAM產業的增長顯得至關重要。

　　然而，DRAM市場已經十分成熟，且由三星（Samsung）、海力士（SK Hynix）和美光（Micron）三家企業共同占有超過90%的市場份額。現有DRAM的最關鍵技術是電容存儲單元，它不僅帶來了特有的製造挑戰，還被大量專利所保護。為了進入DRAM市場，後發的中國廠商必須利用創新的替代方案，以推動競爭升級，爭取實現差異化。VLT技術則代表了這樣的一種可能性。

　　垂直分層閘流體（Vertical Layered Thyristor；VLT），是Kilopass研發出的新型內存單元，能夠顯著降低動態隨機存取內存（DRAM）的成本和複雜性。這是一種靜態的內存單元，無需刷新操作；兼容於現有晶圓廠的製造設備，也無需任何新的材料或工藝。

　　相較於一般的DRAM，VLT內存數組能節約高達45%的成本；這是因為它具有更小的VLT內存單元，以及驅動更長行與列的能力，使其得以大幅提升內存數組效率。然而，想要發揮VLT的優勢，就必須在依據產業標準發展的成熟DRAM市場展開設計與製造，才能確保兼容於不同供應商的內存產品。

　　目前，基於VLT技術的內存已經具備與現有「第四代低功耗雙倍數據速率」（LPDDR4）規格完全兼容的能力。VLT內存組（bank）可以模擬傳統DRAM的bank，併兼容於其頻率；在設計VLT電路時，設計者可以選擇連接標準DDR控制器，或是成本較低的簡化版控制器。如果使用標準控制器，由於不需要刷新，VLT內存將會忽略刷新序列。系統的其他部份則會將VLT DRAM視為通用DRAM，因而無需任何改變。

　　傳統DRAM內存單元

　　為了顯示如何使用VLT內存單元構造LPDDR4內存，首先回顧一下傳統DRAM以及LPDDR4的工作方式。熟悉DRAM者或許對其有所了解，但實際運用上還是有些微差異，在此先定義一些準則與術語以便於理解。

　　DRAM作業的許多方面取決於其電容儲存單元。首先，電容的漏電特性導致了刷新的必要性；其次，儲存單元的基本作業方式之一是讀取，它會影響如何組織內存的其他方面。

　　圖1：傳統電容式DRAM內存單元的電荷分配原理 （圖中綠色箭頭所示為電流，與負電荷流動的方向相反）

　　圖1顯示電容儲存單元的原理圖，左右圖分別代表了讀取1和讀取0時。電路透過「電荷分配」（charge sharing）偵測內存位值。位線（bitline）首先被預充電到一個在0和1之間的電壓值，然後透過打開讀數電晶體來選擇一個內存單元，使電荷可以在位線與內存單元間流動。如果位線電壓高於內存單元，那麼負電荷就會從內存單元流出到位在線；而如果位線的電壓低於內存，那麼負電荷就會從位線流進內存單元。

　　這種電荷轉移改變了位在線的電壓，透過感測與鎖存得到最終讀取數值。然而，在儲存電容中失去或取得的電荷，改變了節點上原有的電荷，這意味著讀取的過程是破壞性的。因此，在每一次讀取之後，都必須透過回寫操作恢復內存單元中的電荷。

　　LPDDR4

　　LPDDR4標準是第四代雙倍數據速率（DDR） DRAM的低功耗版本標準，透過整體架構定義了個別內存晶片的高層級結構，以及如何安排雙列直插式內存模塊（DIMM）。

　　分析DRAM的方式一般有兩種：理論上，剖析其實體細節；實際上，則著眼於其晶片數組特性。本文首先探討第一種邏輯觀點，因為所有的實體布局都必須分解為相同的邏輯結構，因而能夠從中了解傳統DRAM和LVT途徑如何實現邏輯功能。

　　LPDDR4內存晶片擁有8Gb的儲存容量，通常由兩個4Gb的獨立通道共同組成。每信道擁有8個內存組，每一內存組包括32K儲存頁（page），每頁有16K位，而使內存組的總容量達到512Mb。

　　圖2：典型的DRAM架構和層級

　　一個完整的LPDDR4內存晶片包括兩個高層級單元：內存數組和DDR接口。有些部份的操作會影響到內存數組；另一部份則會影響接口。DDR接口可以同時與內存數組以及外部系統進行通訊。

　　圖3：LPDDR4的邏輯組織架構，圖中將儲存數組和DDR接口分開。箭頭代表一次讀取操作以及回寫

　　圖3說明了這種關係，即DDR緩存器作為外部系統和內存數組之間的主接口。而在讀取數據時，數組數據會先被加載DDR緩存器中；進行寫入作業時，所需的數據會先從外部寫入緩存器中。

　　由於讀取傳統DRAM數組內容可能破壞原有數據，每一次讀取後都必須進行回寫作業，以恢復原有值。在進行讀取後，DDR緩存器的內容被複製到「隱藏緩存器」（Shadow Register）中。當外部系統讀取DDR緩存器中的數據時，隱藏緩存器負責將數據回寫到所選頁，以恢復原有數值。同樣地，當寫入數據時，DDR緩存器的數據會被傳輸到隱藏緩存器中等待寫入；而在執行寫入作業時，DDR緩存器就可以加載新的數據。

　　讀取內存分頁數據涉及一連串的活動，類似於兩個巢式的軟體DO迴路（Do loop）。每一分頁內存被分成由許多256位元組成、成批（burst）讀取的內存群組，因此，一組16K位分頁就有64個burst內存群組，依序讀取完整的內存頁，這類似於外部DO迴路。

　　圖4：內存分頁由分批依序讀取的內存群組構成；每一批burst群組均依據16個連續的16位傳送到I/O

　　每個突發傳輸組被加載256位的DDR緩存器中，該緩存器被分為16個16位字，並依序讀取其內容，為每一個頻率邊緣提供每一個16位字。這種操作方式則如同內部DO迴路。

　　每一行的地址（RAS）負責選擇分頁。同時，每一列的地址（CAS）選擇突發傳輸組，並設置從DDR緩存器中開始讀取的字符，因而不必從DDR緩存器的左側開始讀取。

　　值得注意的是，在隱藏緩存器執行回寫、讀取或寫入DDR緩存器中原先加載數據的同時，DDR緩存器已經開始從儲存數組中讀取數據或從外部加載所寫數據了。

　　LPDDR的運作

　　LPDDR4功能本質上包含四項基本操作：啟動、讀取、寫入和預充電。這些操作的其他變異形式，如突發讀取/寫入和自動預充電等，可能構成一個更長的指令列表，但並不至於帶來新的技術挑戰。此外，它還添加了刷新、訓練和模式緩存器作業等維護性指令，以因應複雜的操作命令。

　　這些基本的操作簡要介紹如下： 啟動： 在內存數組中選擇特定字符線（wordline），即可「開啟」一個分頁。該分頁上的內容將會被感測到並進行鎖存，然後保持開啟以用於在讀取作業時進行回寫，或在「讀取-修改-寫入」作業時被再次寫入。 讀取： 開啟讀取數據序列，每個burst內存群組的數據會從感測放大鎖存中被加載到DDR緩存器中。緊接著DDR緩存器開始依序讀取，每次讀取一個16bit字。同時，晶片透過隱藏緩存器在仍保持開啟狀態的分頁上進行回寫。 寫入： 數據被加載DDR緩存器，每次一個16位字。數據隨後被轉移到隱藏緩存器中，待分頁開啟時寫入數據。當進行寫入時，DDR緩存器可依需要同時加載新的256位數據，等待下一次寫入。 預充電： 在最後一個burst內存群組被讀取或寫入後，內存數組必須為下一次操作做好準備。在寫入情況下，必須等待一個寫入恢復延遲，以確保最後的burst群組可在繼續其他操作前被成功寫入。這時，開啟的分頁已被關閉，使位線能夠自由浮動，並重新充電回到先前提到的VDD/2電位。

　　值得注意的是，只有啟動操作才涉及內存數組感測；讀取操作只涉及在鎖存感測數據與DDR緩存器之間傳輸數據，以及讀取DDR緩存器的數值。

　　根據所需的操作序列不同，有些DDR的時序可能極其複雜。但如果相鄰讀取操作發生在不同內存組的數據之間，則可大幅簡化時序。因為在從下一個內存組中讀取數據之前，不必在原有的內存組中等待回寫和預充電。時序控制最困難的是來自同一內存組的連續讀寫。

　　實現內存數組：MAT

　　理論上，儘管一個內存組的邏輯容量可能達到32K行與16K列，但以現有技術而言，現實上並不可能製造出這樣的內存數組。這是因為：

　　• 驅動器在選擇分頁時的驅動能力有限；在性能符合規格要求的前提下，只有一定數量的選定電晶體可以被驅動。

　　• 感測放大只能支持有限數量的儲存單元。如果儲存單元的數量太多，由於電荷分配造成電壓變化減小，而被噪聲淹沒。

　　因此，為了確保內存晶片可靠且易於製造，每一種內存應用都存在不同程度的實體尺寸限制。達到這種上限的內存數組被稱作「內存數組片」（memory array tile；MAT）。每個MAT都是功能齊全的數組，本身包含字符線和位線的解碼以及感測放大器。

　　以一種採用2x-nm工藝節點的一般DRAM MAT為例，其位線和字符線的規模分別達到1，024條和620條。字符線的數量並不是2的整數次方，這帶來了一些解碼方面的挑戰。該晶片或許只用了最後的幾個MAT，但這是一個可以忽略的晶片建置細節。

　　透過打造一個16×53大小的MAT數組，可為具有這一尺寸的內存組實現總共848個MAT。一個完整分頁整合一行MAT的內存單元：當開啟一個分頁時，同時啟動同一行有MAT內存單元上相應的字符線。

　　圖5：傳統DRAM的實體布局

　　在了解了這些背景知識後，接下來將討論全新的Kilopass內存單元，以及它如何打造與此相同的儲存組。

　　VLT內存單元

　　Kilopasss的全新內存單元基於一種垂直分布的閘流體（也被稱為半導體控制整流器，或SCR）。這種採取pnpn結構的堆棧建構於一個p-阱上，可帶走來自底部n型層的任何空洞。

　　圖6：VLT內存單元：帶有寫入輔助的PMOS電晶體的閘流體

　　在淺溝槽隔離（STI）結構中植入一個埋入式字符線，使底部的n層連接到一個字符。埋入式字符線與外部銅金屬M1層字符線透過具有較大電阻的金屬鎢實現連接，因而可以製造比傳統DRAM更長的字符線。

　　由於感測機制並非採用電荷分配，使感測放大器可承受更長的位線。因此，這種技術可以支持高達2Kbit寬、4Kbit深或總共8M位的MAT——遠大於傳統的DRAM MAT。採用更少片較大型MAT拼接成的內存晶片較採用多片小尺寸MAT的花費更低，因而可使VLT內存的數組效率達到77%，相形之下，同樣採用2x-nm節點的傳統DRAM效率只有64%。

　　以VLT內存單元打造LPDDR4內存

　　MAT容量增大後，LPDDR4內存組就可以用更少的MAT組成。單純按照位數計算，基於VLT技術的內存組將包含64個MAT，相形之下，傳統DRAM的內存組需要配置848個更小的MAT。不過，接下來的問題就是如何最有效配置這些MAT。

　　一種配置方式是每個MAT都帶有512個支持4K位線的感測放大器，這意味著每個感測放大器都有多任務器用於在8條位線中進行選擇。其中，多任務器的選擇基於CAS地址；進一步針對圖3的內存數組進行修改後，新的原理圖如下：

　　圖7：為VLT內存添加位線多任務器

　　因此，對於每個被選定的分頁，每個MAT中只有八分之一的位線會被選擇，這與普通DRAM實現方式中所有位線都被選中的情況不同。但在傳統DRAM中並不可能實現這種更高效率的感測放大器使用方式，因為所有的位線都必須被讀取，以實現回寫的目的。由於VLT讀取並不是破壞性的，因而無需回寫操作，且多個內存單元可共享感測放大器。

　　另一個問題是如何在一個MAT實體數組中配置這些MAT。基於VLT MAT的靈活性，實體上配置這些MAT可以不必與邏輯上的配置完全吻合。只要妥善安排各總線的路徑，任何形式的配置都是可能的。舉例來說，一個內存組可被配置為4×16個MAT數組，同時傳輸理論上與傳統LPDDR4相同的數據。

　　圖8：內存分頁選擇，其中被選定的MAT是紅色的。傳統DRAM透過行來選擇分頁，而VLT DRAM則以單元區塊選擇分頁

　　圖8說明傳統DRAM和VLT技術在內存分頁選擇上有什麼不同：傳統DRAM選擇一行中的所有MAT，而VLT則從中選擇了一個4×8的MAT區塊。

　　由VLT製造的LPDDR4，在外部操作上與傳統LPDDR4完全相同。內部操作可能有所差異，例如不必再回寫和預充電，但這並不會影響DDR控制器；如果滿足了VLT的時序要求，其內存的邏輯組織方式與傳統DDR完全一致。

　　免除刷新

　　VLT內存單元最明顯的優點之一就是不需要刷新。不過，刷新已經成為DRAM作業的一部份了；無論內存處於閒置狀態或是被接通，都必須進行刷新操作，以避免數據丟失。

　　完整的DDR控制器狀態機說明了刷新對於運作的影響，如圖9所示，所有紅色的狀態都與刷新或者基於刷新的分支相關；而使用了VLT技術，這些狀態都是冗餘的，而且能夠被消除。

　　圖9：傳統DRAM建置的LPDDR4狀態原理圖，與刷新有關的狀態以及與基於刷新的有關分支狀態都被標註為紅色，標註為灰色的狀態則與接口相關

　　圖10則是一種簡化的狀態機，其中與刷新有關的狀態都已經移除了。在設計基於VLT的內存時，設計者可以選擇現有的DDR控制器，因應那些不需要的狀態加以調整；也可以設計優化的DDR控制器，省去所有與刷新相關的電路——這種方法將占用更小的晶片面積，以及降低功耗。無論選擇哪一種控制器，都不會影響其他系統與內存晶片的互動。

　　圖10：移除與刷新相關狀態後的LPDDR4狀態原理圖

　　總結

　　VLT內存單元可以打造一種比普通DRAM內存單元成本更少、功耗更低的內存，目前VLT內存晶片已能與現有的LPDDR4內存完全兼容了。透過適當設計架構、命令以及時序，VLT內存晶片就能與傳統內存晶片無差別地應用在實際系統上。

　　基於VLT的內存數組採用一個可在內部作業處理差異的接口，使其得以與標準的LPDDR4控制器配合使用。換句話說，設計一款免刷新的LPDDR4控制器，使其仍具備完整的控制器功能以支持外部接口，並確保現有驅動器都能繼續正常作業，而只是在內部忽略與刷新有關的操作，將有助於大幅節省成本，以及降低功耗。

　　晶閘管是一種結構複雜的電子器件，在電學上等效於一對交叉耦合的雙極型電晶體。由於鎖存的形成，這種結構非常適合存儲器；與當前基於電容的DRAM相比，晶閘管內存不需要刷新。晶閘管於20世紀50年代被發明，之前人們曾屢次嘗試將其應用於SRAM市場，但都未能成功。

　　2016-2021年中國內存行業市場需求與投資諮詢報告顯示，VLT存儲單元已在2015年通過驗證，目前一款新的完整存儲器測試晶片正處於早期測試階段。