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计算机组成与结构计算机组成原理课程论文班级：21336学号：2133625姓名：储蓉蓉东北大学秦皇岛分校计算机组成与结构第1页半导体存储器的发展状况及未来趋势摘要：本文简单介绍了半导体存储器的技术现状，从集成度、芯片面积、硅片尺寸、器件特征尺寸、存储单元面积、工作电压以及访存时间等七个方面综合评述了半导体存储器的发展状况；指出了传统的集成技术所存在的危机；简要描述了两种新型的半导体存储器和现阶段研发中的其他类型新世代存储器架构。Abstract：Inthispaper,Iintroducethecurrentlandscapeofsemiconductormemoriessimply.AndthedevelopmentinICmemoriesarepresentedsyntheticallyfromsevenaspectsofintegrationscale,chipsize,wafersize,featuresize,cellsize,operatingvoltageandaccesstime.Thelimitsofthetraditionalintegrationtechnologyarepointedout.Finally,twokindsofnewsemiconductormemoriesandothernewgenerationmemoryarchitecturearedescribedbriefly.关键字：存储器VLSI技术新世代存储器架构Keyword:MemoryVLSItechnologynewgenerationmemoryarchitecture一、引言虽然目前存储器性能的发展还远远落后于CPU性能的发展速度，但存储器作为半导体产业的龙头，其集成度还是以每隔两三年提高四倍的速度高速向前发展。按每个芯片到1992年64MbitDRAM的问世来算的话，短短不到30年的时间里，存储器芯片的集成度已经提高了7个数量级。到1992年为止，VLSI技术已进入了亚微米时代，国际上以4MbitDRAM为代表的亚微米器件就步入了批量生产的轨道。2009年Hynix半导体公司开发出了世界上首款1GbitDRAM芯片，之后又出现了2Gbit容量的DRAM芯片，但这种飞速发展的局面还能持续多久呢？事实上，现在的半导体技术已经达到了纳米级的技术，但是即便是如此微细的技术也无法满足未来半导体制造的要求。所以在未来半导体存储器仍然有无限广阔的市场，这完全取决于如何把它做得廉价，包括图像信息存储在内的各种应用对存储器的需求几乎是无止境的。这种大规模集成电路技术现在面临着一些危机，那么，未来什么样的半导体存储器或者其他类型的存储器将会成为现在存储器芯片的替代品呢？这均是本文试图探讨的问题。二、技术现状半导体存储器是计算机中的最重要的部件之一，冯·诺依曼计算机程序存储原理就是利计算机组成与结构第2页用存储器的记忆功能把程序存放起来，使计算机可以脱离人的干预自动地工作。它的存放时间的存取容量直接影响着计算机的性能。随着大规模集成电路和存储技术的长足发展，半导体存储器的集成度以每三年翻两番的速度在提高，相同容量的存储器在计算机中的体积和成本所占用的比例已经越来越小。按其功能可将半导体存储器分为：随机存取存储器（简称RAM）和只读存储器（只读ROM）。RAM包括DRAM（动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器），当关机或断电时，其中的信息都会随之丢失。按其制造工艺，可分为：双极晶体管存储器和MOS晶体管存储器。按其存储原理，可分为静态和动态。目前市场上SRAM主要用于高速缓存存储器Cache，这种存储器位于CPU和DRAM主存储器之间，规模较小，但速度很快。从2002年起SDRAM就开始淡出历史舞台，DDR在P4已经开始全面采用。DDR称为双数据率SDRAM，其特点也是在单个时钟周期的上升沿和下降沿内都传送数据，所以，具有比普通单数据率SDRAM多一倍的传输速度和内存带宽。对于大型应用程序和复杂的3D应用很适合。DRAM主要用于主存（内存的主体部分）。ROM主要用于BIOS存储器，主要有可电擦除可编程的EEPROM，在EPROM和EEPROM芯片技术基础上发展起来的快擦写存储器FlashMemory和利用铁电材料的极化方向来存储数据的FRAM。三、存储器芯片的发展存储器芯片的发展可以简要概括为“三个增加”和“四个减小”，即集成度、芯片面积以及硅片尺寸的不断增加；器件特征尺寸、存储单元面积、工作电压以及访存时间的不断减小。下面就这几项内容做一个总结分析：1.集成度由于受到PC机和办公自动化设备快速普及要求的刺激，对DRAM需求日益激增，再加上系统软件和应用软件对内存有越来越大要求的趋势，特别是新一代操作系统以及很多与图形图像有关的软件包都对内存容量提出了更大的要求，促使各大半导体厂商不断投入数以亿计的巨资发展亚微米集成电路，提高存储器的集成度，不断推出大容量化的存储器芯片。在半导体领域中，有著名的“摩尔定律”——集成度以每18个月提高一倍的速度在发展，事实上，其也在遵循这个规律增长。集成电路的集成度越高，其所需要的额工艺线宽就越小，当达到半导体线度尺寸小于电子波长时，就会产生量子效应。一种称为硅量子细线技术和硅量子点技术的新工艺已经有人在研究，并可产生nm级的半导体存储器，又进一步提高了半导体集成度，使之有更大的存储空间。计算机组成与结构第3页2.芯片面积近年来，为实现半导体器件的高功能化和高集成化，每芯片所包含的晶体管数不断增多，平均芯片面积也随之增大，大约以每代1.5倍的比例在增大。芯片面积的增大也带来一系列新的问题。如大芯片封装技术、成品率以及由于每个大圆片所含芯片数减少而引起的生产效率降低等。但后一问题可通过增大晶片直径来解决。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。3.硅片尺寸硅片，作为半导体器件的关键基础材料，随着半导体器件的地位上升，它的尺寸趋势亦越来越受到人们的关注，要知道，增大硅片面积可以显著增加硅片上制造的芯片数目，这对降低成本非常有利（如表1所示）。据统计，硅片直径约以每四年增大1英寸的速度发展。硅片的直径越大，所需的开发时间越长，生命周期也越长（如表2所示）。表1硅片面积增加与硅片尺寸升级的关系硅片尺寸转换（mm）100-125100-150125-200150-200200-250250-300200-300硅片面积增加率56%125%156%78%56%44%125%表2各代硅片的开发时间与生命周期比较硅片尺寸所用开发时间生命周期生命周期起止年份100mm3年9年1975-1984年125mm3年11年1980-1988年150mm3年14（20）年1983-1997（2003）年200mm5年20（30）年1987-2007（2017）年300mm8年（估计）30（40）年1995-2025（2035）年4.器件特征尺寸特征尺寸定义为器件中最小几何线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键，其约以每年0.7倍的比例减小。特征尺寸的减小主要取决于计算机组成与结构第4页光刻技术的改进。1992年时有学者认为，进入亚微米时代后，每代芯片的特征尺寸减小比例逐渐降低，最终将达到0.1微米的极限。但现在集成电路的特征尺寸已经向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18μm、0.15μm、0.13μm工艺，Intel目前将大部分芯片生产制成转换到0.09μm。5.存储单元面积单元面积(即1bit存储单元)以每代0.33倍的比例减小。到1992年为止，单元面积最小的是富士通公司制造出的64MbitDRAM芯片。6.工作电压按VISI电路的等比例缩小原则，从理论上说当器件特征尺寸减小到原来的1/a时，器件的工作电压也需相应缩小至原来的1/a，但实际却不一定严格遵循此规律。因工艺不同,器件的工作电压可不同。从总的趋势看，特征尺寸越小器件的工作电压就需越低，但有些芯片其内部的器件工作电压较低，但其外接电压仍维持一个相对较高的水平。7.访存时间集成度提高则平均访存时间加快，同种集成度下SRAM的访存时间要比DRAM快几倍。就CMOS而言，SRAM与DRAM的访存时间为：（1）1Mbit-4MbitSRAM1Mbit：20-40ns4Mbit：15-25ns（2）4Mbit-64MbitDRAM4Mbit：70-90ns16Mbit：50-70ns64Mbit：50ns（1992年）四、VLSI技术面临的危机VLSI集成度的提高需在技术上采取如下两项措施：一是减小器件特征尺寸；二是增加芯片面积。在理想情况下，等比例缩小可无限制地继续。遗憾的是，自然规律却阻碍着这种无限制的减小。人们广泛认为，器件的最小特征尺寸为0.1微米左右。在此极限以下时，MOS管的工作将不可靠；其电子的电磁性质将不复存在，而由它的量子力学性质所代替。具体表现为：（1）器件可能会丧失其确定的性能，显示出围绕着平均性能波动的局面；（2）器件会丧失其局部化性能；（3）器件特性将会在很大程度上依赖于特定结构的布图。计算机组成与结构第5页另一个重要效应是互连变得越来越重要。当互连限制占主导地位时，在给定功耗限制下通过采用更快速度器件的方式来提高系统性能的可能性就越来越小。提高芯片集成度的另一种方式是增加芯片面积，目前芯片的最大边长已达600mil，但这种方式受到了传统VLSI技术发展的基本前提的限制，即封装的芯片上不允许有能影响其电路功能正确性的缺陷存在。对典型的产品而言，缺陷密度的范围为2-5个/cm。而进一步降低缺陷密度已经很难在技术上达到，采用更大的硅片足以增加每批工艺中一个圆片上的工作芯片数，但随芯片面积的增加，整个芯片的成品率会急剧下降。因而，目前在VLSIRAM芯片设计中，人们已开始尝试采用备用行和列的简单容错方法，成品率也因此而提高了2-5倍。但直到目前为止，在VLSI芯片体系结构中采用冗余结构的目的仅在于降低芯片的成本，而不是增加其功能复杂度。这种简单的方式并没能打破缺陷密度对增加芯片面积的限制，因而芯片面积的增加是有限的。面临着这两个困难，发展固态存储器的道路该往何处走？下面介绍两种新技术，一种是把多个存储器芯片沿纵向再集成到一起，即所谓的三维集成技术；另一种方式是采用完善的容错技术彻底打破缺陷密度对使用硅面积的限制，使芯片的面积扩大至整个硅片，即圆片规模集成技术（WSI）。五、几种新型的半导体存储器1、WSI存储器WSI是VLSI技术的一种扩展，某些WSI器件的制造工艺与VLSI器件的完全相同，但在传统的VLSI芯片技术中，一个硅片上要制造几百个等同的芯片；制造完成后把硅片切割成小芯片，坏芯片被扔掉，如芯片被封装起来；封装后测试不合格者再次被淘汰。而在WSI技术中，好芯片和坏芯片都留在同一硅片上，整个硅片不切割地作为一个整体封装并在硅片上完成如芯片间的互连。其关键技术是采用有效的容错技术绕过坏芯片。采用WSI技术具有缩小体积、降低功耗和成本、提高速度和可靠性等一系列优点。因而自上个世纪60年代末就受到了人们的重视。由于技术上的一系列原因，70年代该技术的发展曾一度落人低谷，但80年代起日本、美国及其它西方主要国家对此技术又竟相展开研究。1989年英国的Anamartic公司实现了人们20多年来的梦想，将其WSI存储器第一次打人了商品市场。美国国防部已将WSI列为90年代的六大关键技术之一。2、三维集成存储器三维集成电路技术可以支持将不同工艺的存储器层集成到一颗芯片上，三维众核片上处理器可以集成更大的片上缓存以及主存储器。随着众核技术的不断发展与完善，片上集成的计算机组成与结构第6页处理器核数越来越多，由于传统二维ＩＣ技术无法从根本上解决连线过长和存储器墙等一系列问题，三维众核处理器架构被提出并受到广泛关注。相比于传统二维众核处理器架构系统，三维众核处理器架构可通过把处理单元、存储器等