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DRAM技术，迎来新进展

来源：晰数塔互联网快讯时间：2023年09月29日 15:48

自上世纪六十年代发明了动态随机存取存储器 (DRAM)以来，这个存储技术已经成为了市场上最重要的产品之一。

发展至今，2022年DRAM已成长为年营收近700亿美元的巨无霸市场。

在发展过程中，按照应用场景，DRAM分成标准DDR、LPDDR、GDDR三类。JEDEC定义并开发了这三类标准，以帮助设计人员满足其目标应用的功率、性能和尺寸要求。

多年来，各类型内存技术随着市场需求创新迭代，同时也在这个过程中不断衍生出新的技术品类，比如HBM、LPCAMM等，驱动DRAM行业持续向前。

本文将围绕DRAM几种不同类型内存的发展历程、市场现状和技术创新趋势进行梳理，更深入了解一下这个在电子行业发展的历史长河中，扮演“数据高速公路”这一重要角色的关键技术。

DDR内存，向第6代进发

标准型DDR，即DDR SDRAM，又称双倍数据率同步动态随机存取存储器，它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度得以加倍。在性能和成本优势下，DDR SDRAM成为了目前电脑和服务器中用的最多的内存。

环顾DDR内存技术发展历程，从最初KB到GB的跃进，从单条1GB到单条16GB、32GB的进化，从古老的SIMM到DDR的出现，再以DDR为基础进行迭代，内存容量、标准和规格的发展都经历了漫长的过程，也发生了很多变化。

DDR内存是作为一种在性能与成本之间折中的解决方案，其目的是迅速建立起牢固的市场空间，继而逐步在频率上高歌猛进，最终弥补内存带宽上的不足。

DDR内存技术的发展节奏与PC市场始终相辅相成。

从1998年三星生产出最早的商用DDR SDRAM芯片到现在，已经过去了20多年，DRAM内存市场一直在发展，从DDR到DDR2、DDR3、DDR4，到目前市场主流的DDR5。

据DIGITIMES报道，三星电子、SK海力士和美光科技均已扩大其DDR5芯片产量，旨在加速行业从DDR4向DDR5的过渡。消息人士称，将2022年视为DDR5的预热年，2023年DDR5渗透率将大幅提升。

当前，随着英特尔Raptor Lake的第13代Core系列处理器，及AMD Raptor Lake的第13代Core系列平台的逐步推出，DDR5渗透率将同步快速拉升，最快2023年将成为标准型DRAM新主流。

从DDR技术和JEDEC规范的演进过程中，为了配合整体行业对于性能、内存容量和功耗的不断追求，规范的工作电压越来越低，芯片容量越来越大，I/O的速率也越来越高。

从最早的128Mbps的DDR发展到了当今的6400Mbps的DDR5，每一代DDR的数据速率都翻倍增长。

在DDR5内存刚成为主流不久，三星又率先开始了下一代DDR6内存的早期开发，并预计在2024年之前完成设计。

就规格而言，DDR6内存的速度将是现有DDR5内存的两倍，传输速度可达12800 Mbps，超频后的速度可超过17000 Mbps。预计三星将在2024年之前完成其DDR6设计，2025年之后才会有商业化的可能。

不知不觉间，从最初KB到GB的跃进，DDR内存如今已经走过了5代，开始向第6代进发。

GDDR7时代来临

GDDR：Graphics DDR，也称为显存，GDDR就是针对图形显示卡所特化的一种DDR内存。

相较而言，DDR存储器的设计延迟极低，它的目的是尽可能快地传输少量缓存数据，来配合CPU进行串行计算。而显卡多为并行任务，有大量重复存取需求，但它对于延时的要求没有CPU那么高。于是，具有更大带宽和更高频率的GDDR出现了。

2000年后电脑游戏的发展和火爆，人们对于显卡性能需求日益增长。运行电脑游戏对显卡GPU有高速数据交互需求，而且GPU与显存之间的数据交换非常频繁，特别是3D游戏的纹理贴图对显存带宽和容量的要求更高。因此，GDDR应运而生，GDDR适用于具有高带宽需求的计算领域，例如图形相关应用程序、数据中心和AI等，与GPU配套使用。

在GDDR刚诞生的时候，它与DDR并没有很大区别，仅是DDR的改进版。比如，DDR2/GDDR2时代的GDDR2技术细节基本相同，但频率更高，同时带宽达到了16GB/s，而同时期最强的DDR2-1066内存带宽仅有8.5GB/s。

但随着市场需求的不同，GDDR标准与DDR标准的不断迭代，它们的功能逐渐分道扬镳。此后，GDDR一路高歌猛进，一年更新一代GDDR标准，带宽猛涨。到了2018年，搭配了256-bit位宽的GDDR6其带宽已经可以达到768GB/s，与之对比的是DDR4-3200的25.6GB/s。

经过多年发展演进，目前市场上常见的显存主要有GDDR2、GDDR3、GDDR4、GDDR5、GDDR6几种类型的产品。

以GDDR6为例，其在显存位宽、容量、功耗与性能上都有了较大改善。此外，由于显存可以直接焊接在显卡的PCB板上，不需要考虑走线、信号传输延迟等影响，因此还可以专门做定向优化。目前的GDDR6内存的传输速率已经能达到16Gbps，远高于DDR5的6.4Gbps理论速率，即使在面对AI边缘计算的时候也能稳定工作。

不过，GDDR强悍的性能也带来了更高的成本，更多的厂商出于成本考虑，还是选择DDR内存。直到进入AI时代后，GDDR才以更高的资质逐渐收割服务器内存市场。

近日，三星宣布完成新一代GDDR7芯片的开发，将有助于提升在需要出色图形性能的领域的用户体验，例如工作站、个人电脑和游戏机，并有望扩展到未来的应用领域，如人工智能、高性能计算（HPC）和汽车等。

据了解，三星的GDDR7 DRAM拥有破纪录的1.5TBps带宽，比GDDR6 DRAM高出40%，能效也比GDDR6 DRAM芯片高出20%。得益于PAM3（脉冲幅度调制）信号方法的增强，它的每引脚速度为32Gbps，比上一代产品高出33%。

三星的重要客户将于今年开始测试GDDR7 DRAM芯片进行验证。但由于没有来自JEDEC的硬性承诺，因此没有预计GDDR7发布的具体时间表。鉴于如今有如此多的AI和HPC公司致力于带宽需求高的产品，其中一两家可能会更快发布依赖GDDR7显存的解决方案。但GDDR7的大规模采用预计会与AMD和NVIDIA的下一代图形卡的量产同时发生。

反观SK海力士，其近年来在GDDR闪存颗粒上的信息披露并不多。不过有消息披露，虽然SK海力士没有明确其GDDR7的时间表，但是预计会在年内完成开发工作。

今年7月，美光宣布将于2024年上半年推出首款GDDR7内存芯片。据介绍，新节点芯片不仅会降低DRAM制造成本，还会提高效率和性能。该公司还透露，1β将是其最后一个 DRAM生产工艺，该工艺将依赖于DUV光刻，而不会使用EUV工具。

目前，英伟达RTX 4080等高性能显卡上用的GDDR内存是运行速度为22.4Gbps的GDDR6X内存。AMD的RX 7000显卡仅使用GDDR6显存，最高性能为20 Gbps。

相比之下，GDDR7预计运行速度高达36Gbps，同时还将大幅提升带宽和能效比。虽然GDDR7将于2024年初推出的时间表确实令人兴奋，但该技术可能需要一些时间才能应用于商业产品。

LPDDR，移动市场“扛把子”

LPDDR：Low Power DDR，是面向低功耗内存而制定的通信标准，以低功耗和小体积著称，提供更窄的通道宽度，主要应用于移动电子产品。

LPDDR内存是由DDR内存演化而来，由于LPDDR的使用场景更接近于DDR，所以LPDDR的发展过程和DDR有较大的交集。09年出现的LPDDR直到2013年的LPDDR3，可以说一直在追随DDR的脚步。

值得注意的是，到了LPDDR3时代，LPDDR3以其不错的性能和更加优秀的能耗比，开始被包括Mac Book air在内的笔记本平台所采用。后续随着智能手机等移动平台愈发旺盛的市场和和性能需求，LPDDR4开始按照自己的应用场景需求建立起自己的规范体系。

也是从LPDDR4开始，开始和DDR内存走上了不同的发展道路。

从十余年前诞生至今，这个由JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的通信标准随着技术的演变和产品需求进行升级和革新。

从第一代LPDDR到如今的LPDDR5X，每一代LPDDR都使内部读取大小和外部传输速度加倍，LPDDR内存产品的应用场景和定制需求等方面也出现了明显代差。

历代LPDDR DRAM的数据传输速率

相较于2014年发布的第一代LPDDR4标准，LPDDR5的I/O速度提升到6400 MT/s，直接翻番。

基于LPDDR5技术提升，智能手机上的4K高清视频直播、大型手游和基于AI的计算影像等应用均依赖更高的内存带宽才能带来更流畅的体验。在近几年时间，LPDDR5在智能手机应用中位元出货的渗透率从不足8%发展至如今的接近40%，成为绝大对数智能旗舰手机DRAM选型的必备技术。

基于LPDDR5的性能基础，LPDDR5X更进一步，将赋能更广泛的设备拥有更多基于AI和5G的功能。

据了解，LPDDR5X内存在各个场景下的功耗得以大幅降低，其中短视频功耗降低30%，长视频功耗降低25%，游戏功耗降低30%，综合下来实际日常使用的功耗可降低20%左右。

LPDDR5X在取得更高带宽和更快速率的同时，降低了系统的整体功耗，除了在技术标准上的革新外，使用更先进的工艺节点，功耗效率自然会相应提升。

通过移动生态系统各个方面的合作和创新，LPDDR5X的性能和功耗将解锁全新AI和5G的潜力，例如，运营商建设和投资基础设施，手机厂商开发出能利用这一新带宽的终端设备，以及整个半导体行业的参与。

三星电子、SK海力士以及美光三家内存巨头在LPDDR5X这一最新技术领域展开激烈竞争。

SK海力士：首次将HKMG工艺用于LPDDR

2022年10月，SK海力士抢先一步宣布开始销售基于HKMG（高K金属栅）技术的LPDDR5X，这也是SK海力士首次将HKMG工艺用于移动DRAM。

高k/金属栅极的集成解决方案

借助HKMG，一层薄薄的高k薄膜可取代晶体管栅极中现有的SiON栅氧化层，降低了泄漏电流，提高了芯片可靠性。此外，通过减小栅厚度，可以实现晶体管微缩，并改善基于多晶硅/SiON的晶体管的速度特性。

三星电子：业界最快速度通过高通验证

紧随SK海力士之后，三星电子宣布其最新与高通合作的LPDDR5X DRAM，日前以8.5Gbps的业界最快速度通过了验证。

据了解，三星LPDDR5X采用14nm工艺制程，速度、容量以及功耗方面实现大幅提升，与上一代产品LPDDR5相比，其运行速度提升至1.3倍，功耗也减少了约20%。

三星与高通公司合作优化后，LPDDR5X的速度稳定在7.5Gbps，依旧是现有产品速度的1.2倍，预计会运用在下一代智能手机身上，提升超高分辨率视频录制、图像识别等方面的性能体验。

三星表示，LPDDR5X内存具有低功耗和高性能优势，不仅能够使用在手机中，在PC、服务器和汽车中也能广泛使用。随着LPDDR内存的使用范围不断扩大到智能手机应用以外，存储和SoC供应商之间的紧密合作变得更加重要。

美光科技：率先推出1β节点工艺

去年11月，美光正式推出了1β节点DRAM产品，并且已经向智能手机和芯片平台合作伙伴进行出样测试。据美光透露，目前1β节点DRAM产品已经做好量产准备，并且会率先在LPDDR5X移动内存上采用这一全新制程技术，最高速度可达8.5Gb/s。

据悉，与1α相比，1β技术可将能效提高约15%，内存密度提升35%以上，单颗裸片容量高达16Gb。美光认为，随着LPDDR5X的出样，移动生态系统将率先受益于1β DRAM产品的优势，从而解锁下一代移动创新和先进的智能手机体验，并同时降低功耗。

能看到，无论是联发科天玑9200处理器，还是高通骁龙8Gen2移动平台，LPDDR5x内存支持似乎都成为了新一代旗舰手机处理器的标配，手机厂商都已经全面开展LPDDR5x的验证和使用。

这也预示着智能手机产品迎来LPDDR5向LPDDR5x的大规模迭代，由此将迎来移动端、游戏、相机和人工智能应用的性能提升，以及更多新功能，从而进一步提升用户体验。

这一革新的底座，源于内存技术向LPDDR5X的升级和演进。

然而，技术的发展始终向前。SK海力士在今年初宣布，将推出比LPDDR5X更快的内存，出了LPDDR5T内存的概念，并着手进行性能验证和测试。

据了解，LPDDR5T相较于LPDDR5X在传输速度上更上一层楼，其数据传输率可达9.6Gbps，比LPDDR5X提升了13%，成为目前速度最快的内存。

此外，LPDDR5T内存采用了先进的1αnm工艺，极大地提高了内存的性能和效率，同时功耗也得到了进一步的降低。LPDDR5T内存的问世，将为手机厂商提供更好的性能和体验，为用户带来更流畅、高效的操作。

而LPDDR6内存作为LPDDR5系列标准的下一代产品，一直备受关注。据三星在Samsung Foundry Forum2022活动上透露，他们计划在2026年推出LPDDR6内存，并于2027年实现原生10Gbps的速度。

然而，预计LPDDR6内存的商用时间将要等到2026年。在这段时间里，LPDDR5X或LPDDR5T内存将是手机市场的主流选择。

综合来看，DDR、GDDR、LPDDR分别作为电脑、显卡、手机的内存，都有各自耕耘和专攻的领域，尽管类型多种多样，但万变不离其宗，都是基于DRAM的一些原理演变而来。

但从不同类型内存发展情况来看，它们目前包括以后的关系将不再是继承发展而是平行发展的关系。DDR将继续稳步的走性能路线，而GDDR也更加专注对带宽和容量的优化，至于移动端的扛把子LPDDR，技术迭代速度快，有望继续领跑。同时，三种内存上所采用的新技术也可反哺DDR家族，为它们各自的发展提供借鉴和技术验证。

HBM，开启DRAM 3D化道路

除了上述三种类型之外，DRAM也在衍生出新的技术形式。

众所周知，由于处理器与存储器的工艺、封装和需求的不同，二者之间的性能差距越来越大。有数据显示，处理器和存储器的速度失配以每年50%的速率增加。

两者之间数据交换通路窄以及由此引发的高能耗两大难题，在存储与运算之间筑起了一道“内存墙”。与此同时，随着数据的爆炸势增长，内存墙对于计算速度的影响愈发显现。

为此，业界希望通过增加存储器带宽解决大数据时代下的“内存墙”问题，HBM便应运而生。

HBM（High Bandwidth Memory，高带宽存储器）技术可以说是DRAM从传统2D向立体3D发展的主要代表产品，开启了DRAM 3D化道路。

高带宽内存(HBM)

HBM主要是通过硅通孔（TSV）技术进行芯片堆叠，以增加吞吐量并克服单一封装内带宽的限制，将数个DRAM裸片垂直堆叠，裸片之间用TVS技术连接。从技术角度看，HBM充分利用空间、缩小面积，正契合半导体行业小型化、集成化的发展趋势，并且突破了内存容量与带宽瓶颈，被视为新一代DRAM解决方案。

自2014年首款硅通孔HBM产品问世至今，HBM技术已经发展至第四代，分别是：HBM、HBM2、HBM2E、HBM3，HBM芯片容量从1GB升级至24GB，带宽从128GB/s提升至819GB/s，数据传输速率也从1Gbps提高至6.4Gbps。

HBM性能演进

(图片来源：Rambus)

目前，SK海力士、三星、Rambus等厂商均已经开始生产HBM3内存，目前已经搭载于英伟达H100 GPU上。

因为人工智能对数据“搬运”的需求，HBM在过去几个月里已经成为产业关注的重中之重，也成为了限制GPU产能的关键因素之一。为此三星和SK海力士等厂商除了在提高HBM产能之余，也在升级其HBM技术，而HBM3E就是正在最新推动的产品。

关于这个尚未敲定的标准，其很多参数也没有定论。但按照集邦咨询所说，HBM3E将采用24Gb单晶芯片堆叠，在8层基础下，单个HBM3E的容量将跃升至24GB。集邦咨询认为，主要制造商预计将在2024年第一季度发布HBM3E样品，并计划在2024年下半年实现量产。而英伟达的GH200“superchip”计划于明年二季度发货，这体现了AI芯片巨头在其上的迫切。

集邦咨询数据显示，2022年三大原厂HBM市占率分别为SK海力士50%、三星约40%、美光约10%。

可预见的是，随着人工智能、机器学习、高性能计算、数据中心等应用市场的兴起，内存产品设计的复杂性正在快速上升，并对带宽提出了更高的要求，不断上升的宽带需求持续驱动HBM发展。

SK海力士预测，AI芯片热潮带动HBM市场到2027年将达82%的复合年增长。

随着高性能存储半导体市场有望快速增长，HBM相关市场预计每年增长40%以上，市场调研机构Omdia预测，2025年HBM市场的总收入将达到25亿美元。三星电子、SK海力士和美光之间的HBM产品开发竞争仍在升温。

LPCAMM，有望改变

PC市场游戏规则

目前，个人计算机和笔记本电脑都在使用传统的 LPDDR DRAM或基于DDR的So-DIMM（小型双重内嵌式内存模组）。然而受结构限制，LPDDR需要被直接安装在设备的主板上，导致其在维修或升级换代期间难以更换。

相比之下，虽然So-DIMM 可以更方便地被安装或拆卸，但在性能、功耗和其他物理特性方面还存在诸多限制。

因此，随着行业对更高效、更小巧设备的需求日益增长，LPCAMM有望成为同时克服LPDDR和So-DIMM缺陷的新标准。

LPCAMM是一种可拆卸模组，被定位为即将推出的可移动移动内存压缩附加内存模块 (CAMM) 标准的以LPDDR 为中心的版本，在制造过程中为个人计算机和笔记本电脑制造商提供了更大的灵活性。

此外，与So-DIMM相比，LPCAMM在主板上所占的最多可减少60%。这不仅能更有效地利用设备的内部空间，还将性能和能效分别提高了50%和70%。

9月26日，三星电子宣布已开发出其首款7.5Gbps/s的低功耗压缩附加内存模组（LPCAMM）形态规格，这有望改变个人计算机和笔记本电脑的DRAM 市场，甚至改变数据中心的DRAM市场。三星的突破性研发成果已在英特尔平台上完成了系统验证。

三星电子存储器产品企划团队执行副总裁Yongcheol Bae表示：随着各领域对高性能、低能耗和具备制造灵活性的创新内存解决方案的需求不断增长，LPCAMM有望被广泛应用在个人计算机、笔记本电脑和数据中心。三星将积极扩展 LPCAMM解决方案市场，并与业界保持密切合作，共同探索其新的应用领域。

从某种角度来看，三星正在将 LPCAMM 作为一种交叉解决方案，为笔记本电脑或服务器提供灵活数量的低功耗内存。目前，想要安装LPDDR的系统供应商必须在制造时焊接内存，这意味着事后没有进一步调整内存容量的机会。因此，对于模块化内存，客户不得不在固定数量的LPDDR或SO-DIMM上灵活数量的DDR之间进行选择。LPCAMM将是一种中间解决方案，允许在比SO-DIMM更小的封装上（并且总容量更低）灵活地容纳数量更快的LPDDR内存，但仍比紧凑且优化的焊接解决方案稍大一些。

据悉，三星将于今年与包括英特尔在内的主要客户一起，将LPCAMM应用于下一代系统进行测试，并计划将于2024年实现其商业化。

写在最后

过去几个季度，存储市场经历了过去15年来最严重的低迷。

与之相对应的，存储芯片厂商无一不饱经风霜，存储芯片巨头的季度营收基本跌去了一半。

面对市场周期的波动，尽管存储芯片大厂在缩减资本开支，降低产能，但围绕技术创新和产品布局的步伐从未止步。

尽管 DRAM 市场状况尚未改善，但由于HBM需求快速增长和新一代技术演进，三星和SK海力士正在推动对万亿韩元单位的投资。同时，HBM反过来也正在解冻冻结的内存半导体市场，对于提高存储半导体公司的业绩也有积极的影响。

而LPCAMM的能效和灵活性优势，也使这种新形态有机会改变当今PC市场的游戏规则。

不难理解，只有能在行业下行期保持技术领先，坚持产能规模投入，不被挤下牌桌的玩家，才有机会在下一个周期来临时收获利润。

这个逻辑对存储产业尤为适用。

发布于：安徽