新型VLT DRAM内存技术特点：显著降低成本和复杂性

　　巨大的全球DDR（SDRAM）存储器市场在总产值为3500亿美元的全球半导体市场中占据了超过500亿美元的份额，使其成为政府为促进国内半导体产业发展而推出的推动措施中，最重要的产品类别之一。就中国而言，国务院于2014年6月颁布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，要实现其中集成电路行业产值从2015年3500亿人民币以年均20%的增速达到2020年约8700亿人民币这一目标，DRAM产业的增长显得至关重要。

　　然而，DRAM市场已经十分成熟，且由三星（Samsung）、海力士（SK Hynix）和美光（Micron）三家企业共同占有超过90%的市场份额。现有DRAM的最关键技术是电容存储单元，它不仅带来了特有的制造挑战，还被大量专利所保护。为了进入DRAM市场，后发的中国厂商必须利用创新的替代方案，以推动竞争升级，争取实现差异化。VLT技术则代表了这样的一种可能性。

　　垂直分层闸流体（Vertical Layered Thyristor；VLT），是Kilopass研发出的新型内存单元，能够显著降低动态随机存取内存（DRAM）的成本和复杂性。这是一种静态的内存单元，无需刷新操作；兼容于现有晶圆厂的制造设备，也无需任何新的材料或工艺。

　　相较于一般的DRAM，VLT内存数组能节约高达45%的成本；这是因为它具有更小的VLT内存单元，以及驱动更长行与列的能力，使其得以大幅提升内存数组效率。然而，想要发挥VLT的优势，就必须在依据产业标准发展的成熟DRAM市场展开设计与制造，才能确保兼容于不同供应商的内存产品。

　　目前，基于VLT技术的内存已经具备与现有「第四代低功耗双倍数据速率」（LPDDR4）规格完全兼容的能力。VLT内存组（bank）可以模拟传统DRAM的bank，并兼容于其频率；在设计VLT电路时，设计者可以选择连接标准DDR控制器，或是成本较低的简化版控制器。如果使用标准控制器，由于不需要刷新，VLT内存将会忽略刷新序列。系统的其他部份则会将VLT DRAM视为通用DRAM，因而无需任何改变。

　　传统DRAM内存单元

　　为了显示如何使用VLT内存单元构造LPDDR4内存，首先回顾一下传统DRAM以及LPDDR4的工作方式。熟悉DRAM者或许对其有所了解，但实际运用上还是有些微差异，在此先定义一些准则与术语以便于理解。

　　DRAM作业的许多方面取决于其电容储存单元。首先，电容的漏电特性导致了刷新的必要性；其次，储存单元的基本作业方式之一是读取，它会影响如何组织内存的其他方面。

　　图1：传统电容式DRAM内存单元的电荷分配原理 （图中绿色箭头所示为电流，与负电荷流动的方向相反）

　　图1显示电容储存单元的原理图，左右图分别代表了读取1和读取0时。电路透过“电荷分配”（charge sharing）侦测内存位值。位线（bitline）首先被预充电到一个在0和1之间的电压值，然后透过打开读数晶体管来选择一个内存单元，使电荷可以在位线与内存单元间流动。如果位线电压高于内存单元，那么负电荷就会从内存单元流出到位在线；而如果位线的电压低于内存，那么负电荷就会从位线流进内存单元。

　　这种电荷转移改变了位在线的电压，透过感测与锁存得到最终读取数值。然而，在储存电容中失去或取得的电荷，改变了节点上原有的电荷，这意味着读取的过程是破坏性的。因此，在每一次读取之后，都必须透过回写操作恢复内存单元中的电荷。

　　LPDDR4

　　LPDDR4标准是第四代双倍数据速率（DDR） DRAM的低功耗版本标准，透过整体架构定义了个别内存芯片的高层级结构，以及如何安排双列直插式内存模块（DIMM）。

　　分析DRAM的方式一般有两种：理论上，剖析其实体细节；实际上，则着眼于其芯片数组特性。本文首先探讨第一种逻辑观点，因为所有的实体布局都必须分解为相同的逻辑结构，因而能够从中了解传统DRAM和LVT途径如何实现逻辑功能。

　　LPDDR4内存芯片拥有8Gb的储存容量，通常由两个4Gb的独立通道共同组成。每信道拥有8个内存组，每一内存组包括32K储存页（page），每页有16K位，而使内存组的总容量达到512Mb。

　　图2：典型的DRAM架构和层级

　　一个完整的LPDDR4内存芯片包括两个高层级单元：内存数组和DDR接口。有些部份的操作会影响到内存数组；另一部份则会影响接口。DDR接口可以同时与内存数组以及外部系统进行通讯。

　　图3：LPDDR4的逻辑组织架构，图中将储存数组和DDR接口分开。箭头代表一次读取操作以及回写

　　图3说明了这种关系，即DDR缓存器作为外部系统和内存数组之间的主接口。而在读取数据时，数组数据会先被加载DDR缓存器中；进行写入作业时，所需的数据会先从外部写入缓存器中。

　　由于读取传统DRAM数组内容可能破坏原有数据，每一次读取后都必须进行回写作业，以恢复原有值。在进行读取后，DDR缓存器的内容被复制到“隐藏缓存器”（Shadow Register）中。当外部系统读取DDR缓存器中的数据时，隐藏缓存器负责将数据回写到所选页，以恢复原有数值。同样地，当写入数据时，DDR缓存器的数据会被传输到隐藏缓存器中等待写入；而在执行写入作业时，DDR缓存器就可以加载新的数据。

　　读取内存分页数据涉及一连串的活动，类似于两个巢式的软件DO回路（Do loop）。每一分页内存被分成由许多256字节成、成批（burst）读取的内存群组，因此，一组16K位分页就有64个burst内存群组，依序读取完整的内存页，这类似于外部DO回路。

　　图4：内存分页由分批依序读取的内存群组构成；每一批burst群组均依据16个连续的16位传送到I/O

　　每个突发传输组被加载256位的DDR缓存器中，该缓存器被分为16个16位字，并依序读取其内容，为每一个频率边缘提供每一个16位字。这种操作方式则如同内部DO回路。

　　每一行的地址（RAS）负责选择分页。同时，每一列的地址（CAS）选择突发传输组，并设置从DDR缓存器中开始读取的字符，因而不必从DDR缓存器的左侧开始读取。

　　值得注意的是，在隐藏缓存器执行回写、读取或写入DDR缓存器中原先加载数据的同时，DDR缓存器已经开始从储存数组中读取数据或从外部加载所写数据了。

　　LPDDR的运作

　　LPDDR4功能本质上包含四项基本操作：启动、读取、写入和预充电。这些操作的其他变异形式，如突发读取/写入和自动预充电等，可能构成一个更长的指令列表，但并不至于带来新的技术挑战。此外，它还添加了刷新、训练和模式缓存器作业等维护性指令，以因应复杂的操作命令。

　　这些基本的操作简要介绍如下： 启动： 在内存数组中选择特定字符线（wordline），即可“开启”一个分页。该分页上的内容将会被感测到并进行锁存，然后保持开启以用于在读取作业时进行回写，或在“读取-修改-写入”作业时被再次写入。 读取： 开启读取数据序列，每个burst内存群组的数据会从感测放大锁存中被加载到DDR缓存器中。紧接着DDR缓存器开始依序读取，每次读取一个16bit字。同时，芯片透过隐藏缓存器在仍保持开启状态的分页上进行回写。 写入： 数据被加载DDR缓存器，每次一个16位字。数据随后被转移到隐藏缓存器中，待分页开启时写入数据。当进行写入时，DDR缓存器可依需要同时加载新的256位数据，等待下一次写入。 预充电： 在最后一个burst内存群组被读取或写入后，内存数组必须为下一次操作做好准备。在写入情况下，必须等待一个写入恢复延迟，以确保最后的burst群组可在继续其他操作前被成功写入。这时，开启的分页已被关闭，使位线能够自由浮动，并重新充电回到先前提到的VDD/2电位。

　　值得注意的是，只有启动操作才涉及内存数组感测；读取操作只涉及在锁存感测数据与DDR缓存器之间传输数据，以及读取DDR缓存器的数值。

　　根据所需的操作序列不同，有些DDR的时序可能极其复杂。但如果相邻读取操作发生在不同内存组的数据之间，则可大幅简化时序。因为在从下一个内存组中读取数据之前，不必在原有的内存组中等待回写和预充电。时序控制最困难的是来自同一内存组的连续读写。

　　实现内存数组：MAT

　　理论上，尽管一个内存组的逻辑容量可能达到32K行与16K列，但以现有技术而言，现实上并不可能制造出这样的内存数组。这是因为：

　　• 驱动器在选择分页时的驱动能力有限；在性能符合规格要求的前提下，只有一定数量的选定晶体管可以被驱动。

　　• 感测放大只能支持有限数量的储存单元。如果储存单元的数量太多，由于电荷分配造成电压变化减小，而被噪声淹没。

　　因此，为了确保内存芯片可靠且易于制造，每一种内存应用都存在不同程度的实体尺寸限制。达到这种上限的内存数组被称作“内存数组片”（memory array tile；MAT）。每个MAT都是功能齐全的数组，本身包含字符线和位线的译码以及感测放大器。

　　以一种采用2x-nm工艺节点的一般DRAM MAT为例，其位线和字符线的规模分别达到1，024条和620条。字符线的数量并不是2的整数次方，这带来了一些解码方面的挑战。该芯片或许只用了最后的几个MAT，但这是一个可以忽略的芯片建置细节。

　　透过打造一个16×53大小的MAT数组，可为具有这一尺寸的内存组实现总共848个MAT。一个完整分页整合一行MAT的内存单元：当开启一个分页时，同时启动同一行有MAT内存单元上相应的字符线。

　　图5：传统DRAM的实体布局

　　在了解了这些背景知识后，接下来将讨论全新的Kilopass内存单元，以及它如何打造与此相同的储存组。

　　VLT内存单元

　　Kilopasss的全新内存单元基于一种垂直分布的闸流体（也被称为半导体控制整流器，或SCR）。这种采取pnpn结构的堆栈建构于一个p-阱上，可带走来自底部n型层的任何空洞。

　　图6：VLT内存单元：带有写入辅助的PMOS晶体管的闸流体

　　在浅沟槽隔离（STI）结构中植入一个埋入式字符线，使底部的n层连接到一个字符。埋入式字符线与外部铜金属M1层字符线透过具有较大电阻的金属钨实现连接，因而可以制造比传统DRAM更长的字符线。

　　由于感测机制并非采用电荷分配，使感测放大器可承受更长的位线。因此，这种技术可以支持高达2Kbit宽、4Kbit深或总共8M位的MAT——远大于传统的DRAM MAT。采用更少片较大型MAT拼接成的内存芯片较采用多片小尺寸MAT的花费更低，因而可使VLT内存的数组效率达到77%，相形之下，同样采用2x-nm节点的传统DRAM效率只有64%。

　　以VLT内存单元打造LPDDR4内存

　　MAT容量增大后，LPDDR4内存组就可以用更少的MAT组成。单纯按照位数计算，基于VLT技术的内存组将包含64个MAT，相形之下，传统DRAM的内存组需要配置848个更小的MAT。不过，接下来的问题就是如何最有效配置这些MAT。

　　一种配置方式是每个MAT都带有512个支持4K位线的感测放大器，这意味着每个感测放大器都有多任务器用于在8条位线中进行选择。其中，多任务器的选择基于CAS地址；进一步针对图3的内存数组进行修改后，新的原理图如下：

　　图7：为VLT内存添加位线多任务器

　　因此，对于每个被选定的分页，每个MAT中只有八分之一的位线会被选择，这与普通DRAM实现方式中所有位线都被选中的情况不同。但在传统DRAM中并不可能实现这种更高效率的感测放大器使用方式，因为所有的位线都必须被读取，以实现回写的目的。由于VLT读取并不是破坏性的，因而无需回写操作，且多个内存单元可共享感测放大器。

　　另一个问题是如何在一个MAT实体数组中配置这些MAT。基于VLT MAT的灵活性，实体上配置这些MAT可以不必与逻辑上的配置完全吻合。只要妥善安排各总线的路径，任何形式的配置都是可能的。举例来说，一个内存组可被配置为4×16个MAT数组，同时传输理论上与传统LPDDR4相同的数据。

　　图8：内存分页选择，其中被选定的MAT是红色的。传统DRAM透过行来选择分页，而VLT DRAM则以单元区块选择分页

　　图8说明传统DRAM和VLT技术在内存分页选择上有什么不同：传统DRAM选择一行中的所有MAT，而VLT则从中选择了一个4×8的MAT区块。

　　由VLT制造的LPDDR4，在外部操作上与传统LPDDR4完全相同。内部操作可能有所差异，例如不必再回写和预充电，但这并不会影响DDR控制器；如果满足了VLT的时序要求，其内存的逻辑组织方式与传统DDR完全一致。

　　免除刷新

　　VLT内存单元最明显的优点之一就是不需要刷新。不过，刷新已经成为DRAM作业的一部份了；无论内存处于闲置状态或是被接通，都必须进行刷新操作，以避免数据丢失。

　　完整的DDR控制器状态机说明了刷新对于运作的影响，如图9所示，所有红色的状态都与刷新或者基于刷新的分支相关；而使用了VLT技术，这些状态都是冗余的，而且能够被消除。

　　图9：传统DRAM建置的LPDDR4状态原理图，与刷新有关的状态以及与基于刷新的有关分支状态都被标注为红色，标注为灰色的状态则与接口相关

　　图10则是一种简化的状态机，其中与刷新有关的状态都已经移除了。在设计基于VLT的内存时，设计者可以选择现有的DDR控制器，因应那些不需要的状态加以调整；也可以设计优化的DDR控制器，省去所有与刷新相关的电路——这种方法将占用更小的芯片面积，以及降低功耗。无论选择哪一种控制器，都不会影响其他系统与内存芯片的互动。

　　图10：移除与刷新相关状态后的LPDDR4状态原理图

　　总结

　　VLT内存单元可以打造一种比普通DRAM内存单元成本更少、功耗更低的内存，目前VLT内存芯片已能与现有的LPDDR4内存完全兼容了。透过适当设计架构、命令以及时序，VLT内存芯片就能与传统内存芯片无差别地应用在实际系统上。

　　基于VLT的内存数组采用一个可在内部作业处理差异的接口，使其得以与标准的LPDDR4控制器配合使用。换句话说，设计一款免刷新的LPDDR4控制器，使其仍具备完整的控制器功能以支持外部接口，并确保现有驱动器都能继续正常作业，而只是在内部忽略与刷新有关的操作，将有助于大幅节省成本，以及降低功耗。

　　晶闸管是一种结构复杂的电子器件，在电学上等效于一对交叉耦合的双极型晶体管。由于锁存的形成，这种结构非常适合存储器；与当前基于电容的DRAM相比，晶闸管内存不需要刷新。晶闸管于20世纪50年代被发明，之前人们曾屡次尝试将其应用于SRAM市场，但都未能成功。

　　2016-2021年中国内存行业市场需求与投资咨询报告显示，VLT存储单元已在2015年通过验证，目前一款新的完整存储器测试芯片正处于早期测试阶段。