《存储器扩展技术》课件

存储器扩展技术存储器扩展技术是一种提高计算机存储容量的方法通过采用各种先进的存储器技术和存储架构设计,可以有效地扩展系统的存储能力,满足日益增长的数据存储需求课程简介全面介绍存储器技术阐述创新设计与应用从存储器基本原理、性能指重点探讨高带宽存储器、新标到各类型存储器的工作机型存储器以及存储器集成技制和发展趋势，全面系统地术的创新成果和应用场景分析存储器技术的最新进展分析技术发展趋势综述存储器技术的发展历程和未来趋势，为学生和从业者提供前瞻性的技术分析存储器的分类按存储介质分类按访问方式分类包括电子存储器、磁性存储包括随机存取存储器RAM器和光学存储器等不同介和只读存储器ROMRAM质技术具有各自的优缺点和可快速读写数据,而ROM通常适用场景用于储存固定程序和数据按易失性分类按集成度分类分为易失性存储器和非易失可分为芯片级存储器和模块性存储器前者断电后数据级存储器前者集成度高,容丢失,后者断电后数据不会丢量大,后者可扩展性强失存储器的基本性能指标容量存储设备的存储容量大小读写速度存储设备能够进行读写操作的响应时间访问时间获取存储器中特定数据所需的时间带宽存储设备在单位时间内可以传输的数据量功耗存储设备在工作过程中所消耗的电力可靠性存储设备能够保证数据安全和持久性的能力这些性能指标是评价存储器质量和适用性的关键因素它们决定了存储器在不同应用场景下的性能表现的工作原理SDRAM命令解码1解析读写等指令，触发相应操作地址译码2确定访问的内存单元地址数据传输3在时钟信号的驱动下实现数据读写自动刷新4周期性更新内部存储电容，保持数据SDRAM通过同步时钟信号工作,内部设有命令译码器、地址译码器、数据缓冲器等核心模块每个时钟周期内,SDRAM能够接收并执行读写等命令,并根据地址访问相应的存储单元,从而实现高速数据传输同时,SDRAM还具有自动刷新功能,能够周期性更新内部存储电容,确保存储数据的持续性的接口规范SDRAM数据总线地址总线控制信号时钟信号SDRAM使用独立的双向SDRAM地址总线用于指SDRAM使用片选、行地SDRAM采用同步方式工数据总线传输数据，数据定访问的行和列地址总址选通、列地址选通和读作，需要由主控制器提供位宽通常为8位、16位或线位宽决定了SDRAM的写控制等信号进行存取操准确的时钟信号以驱动内32位容量作部逻辑的设计改进DDR SDRAM增加并行通道双边沿数据传输低电压工作DDR SDRAM通过引入多个并行数据DDR SDRAM在时钟脉冲的上升沿和DDR SDRAM采用更低的工作电压,不通道来提高数据吞吐量,每次可以同时下降沿都进行数据传输,实现了每个时仅可以降低功耗,还能增加集成度和可传输多个数据位这大幅提升了内存钟周期两次数据传输,大幅提升了传输靠性的带宽性能速率的技术特点DDR2SDRAM高速时钟集成度提升DDR2SDRAM采用了双倍数据速DDR2SDRAM采用更先进的制造率（DDR）技术，能够在同一个时工艺,使集成度得到显著提升,单颗存钟周期内完成两次数据传输储芯片容量可达到1GB降低功耗性能优化DDR2SDRAM使用了更先进的供DDR2SDRAM在时序、管脚数、电电压

1.8V和新的预充电机制,能接口电压等多方面进行了优化设计,够有效降低功耗大幅提升了性能的性能提升DDR3SDRAMDDR3SDRAM是存储器技术的一大进步相比于前代DDR2，DDR3在带宽、功耗和可靠性等方面都有显著提升主要特点包括的优化设计DDR4SDRAM提升传输带宽降低功耗需求12DDR4采用更宽的数据总线宽度和更高的时钟频率,最大传输DDR4内部采用多项降功耗设计,如低压工作模式、动态电流带宽可达到

25.6GB/s调整等,最大功耗可降低50%提高存储密度优化接口协议34DDR4采用更先进的工艺节点和更小的存储单元设计,最大容DDR4针对高速传输进行了多项接口规范优化,如眼图提升、量可达到16GB单颗命令重排等的特点及应用LPDDR低功耗设计广泛应用领域优化内存架构LPDDRLow-Power DDR通过采用LPDDR广泛应用于智能手机、平板电LPDDR采用专门的内存架构和控制技低电压工作模式和动态控制等技术实脑、可穿戴设备等移动终端产品,满足术,在保持高带宽的同时大幅降低功耗,现了大幅降低功耗,适合移动设备等对其对高性能和低功耗的需求提升移动设备续航能力功耗敏感的应用场景的结构与应用GDDR高速并行结构低功耗设计GDDR采用高度并行的内存GDDR通过优化内存阵列和体系结构,可以同时读写多个外围电路,采用先进的工艺和数据通道,提高总体的数据传电源管理技术,可以大幅降低输带宽功耗图形应用加速工业及服务器应用GDDR广泛应用于图形处理GDDR技术也被应用于工业器和高性能显卡中,大幅提升控制系统、服务器及大型存3D图形渲染和视频编解码的储设备中,提升整体的计算和性能存储能力相关芯片封装技术球栅阵列封装引线框架封装面贴式封装垂直封装BGA（Ball GridArray）QFP（Quad FlatSOT（Small OutlineCSP（Chip Scale封装采用球状焊料，可在Package）封装利用细导Transistor）及SOP（Package）封装尺寸接近芯片背面均匀分布，提高线与基板相连，多用于高Small OutlinePackage裸芯片，可实现芯片级封连接密度体积小、适合引脚数集成电路引线框）封装采用平面排布引脚装有利于提高集成度和高密度集成电路封装架封装制程简单，成本低，占用版面小，有利于集信号完整性成度提升的特点及应用HBM高带宽性能HBM通过堆叠多个存储芯片,可提供高达1TB/s的内存带宽,展现出突出的数据吞吐能力低功耗设计HBM采用垂直堆叠方式,显著降低了芯片间距离,大大提高了能量利用效率小型化集成HBM采用三维集成技术,通过减少布线距离来实现小尺寸封装,非常适用于移动设备等应用场景的创新设计MCDRAM独特结构性能提升功耗优化广泛应用MCDRAM采用了独特的这种创新设计不仅提高了MCDRAM通过优化内存MCDRAM广泛应用于高三维堆叠结构设计,将CPU内存带宽,还能大幅提升整访问模式和电源管理,可以性能计算服务器、人工智、内存控制器和高速缓存体系统性能,满足高性能计在性能和功耗之间进行灵能加速卡、边缘计算设备技术集成在同一个封装内,算和人工智能等应用的需活切换,大幅降低整体系统等,为各类计算密集型应用大幅降低了数据传输延迟求的能耗带来显著的性能提升堆叠存储器的发展3D层叠结构1通过垂直堆叠多个晶片实现存储密度提升ISV技术2采用集成堆叠化（Integrated StackVia）技术TSV互联3利用硅基垂直互连（Through SiliconVia）实现晶片间电连接3D堆叠存储器通过垂直堆叠多个存储芯片来提高集成度和存储密度关键技术包括层叠结构设计、ISV集成互连以及TSV垂直互联等这种创新的堆叠结构大幅提升了存储容量和带宽性能,在高性能计算、服务器和移动设备等领域有广泛应用前景的原理与特点RRAM纳米级结构低功耗特性RRAM利用纳米级的金属氧化物与传统存储技术相比，RRAM的薄膜作为存储介质，具有超高的工作电压和功耗都显著更低存储密度读写速度快耐久性强RRAM可以实现纳秒级的读写速RRAM的擦写寿命可以达到1000度,远超传统的闪存技术万次以上,比闪存技术高出数个数量级的工作机制MRAM磁性隧道结构磁性开关原理12MRAM利用磁性隧道结构通过改变两铁磁层的相对作为存储单元,由两层铁磁磁化方向,可以实现高低电层和一层绝缘层组成阻状态的开关控制无损持久性广泛应用前景34MRAM具有快速读写、低MRAM可广泛应用于移动功耗、抗辐射、高可靠性设备、物联网、工业控制等优点,是下一代存储技术等领域,前景广阔的技术概述PCM相变存储器原理性能优势PCM利用相变材料的可逆相PCM具有快速写入、高带宽变特性在晶态和非晶态之间和低功耗等优点,可满足电子切换,从而实现数据的存储和设备对存储器的性能需求读取技术挑战未来应用PCM需要解决写入可靠性、PCM有望在手机、笔记本电耐久性、程序擦除特性和制脑和数据中心等领域取代传造工艺等方面的技术难题统存储器,成为下一代主流存储技术的优势及应用FRAM低功耗特性快速读写速度无限次擦写FRAM具有极低的工作电压和耗电量,FRAM可以实现高速的随机读写访问,FRAM具有无限次擦写寿命,可以满足非常适用于需要长续航的移动设备和比闪存快几个数量级,在实时性要求高频繁读写的需求,为数据记录和备份提物联网应用的场景有优势供理想选择存储器发展趋势综述5G100X5G时代100倍性能提升30M4TB每秒30亿指令4TB容量存储存储器正快速向高性能、高密度、高能效的方向发展5G时代来临，存储设备需要应对更大的数据流量和更快的响应未来存储技术将实现100倍性能提升，每秒可处理30亿条指令，并提供4TB海量存储空间新材料和新架构的创新将引领存储器的革新存储器扩展的应用场景云计算数据中心移动网络人工智能训练5G大型云计算数据中心需要海量的高性5G移动网络需要支持海量的移动设备复杂的人工智能算法需要大量的计算能存储器来支撑海量数据的处理和存和实时的高带宽应用,存储器扩展技术资源和存储空间,存储器扩展技术可以储存储器扩展技术可以满足这些需可以为5G网络提供高速缓存和大容量为AI训练提供所需的存储和带宽支持求,提高整体的计算和存储能力存储存储器功耗优化方案动态电源管理命令调度优化存储体系结构设计存储媒体选择根据实际工作负载动态调通过优化内存访问指令的采用分层存储架构,将热点根据应用场景选用功耗较节存储器的工作频率和电调度顺序,减少存储器的功数据缓存在功耗较低的存低的存储媒体,如LPDDR压,以降低功耗利用睡眠耗如合并相邻的读写操储单元,降低总体功耗同、MRAM等利用新兴存和休眠模式减少空闲时的作,降低功耗峰值时优化存储器接口和布线储技术替代传统DRAM以能量消耗设计达到功耗优化存储器安全性与可靠性安全性防护可靠性保证寿命优化断电保护采用加密技术、权限管理等通过冗余设计、错误纠正等针对不同存储介质优化工作在断电时自动保存关键数据手段确保存储数据的安全性技术提高存储系统的可靠性模式和控制算法,延长存储,确保系统可以安全重启并,防范外部攻击,确保数据完整性设备的使用寿命恢复现场存储器总线设计要点总线宽度优化时序稳定性根据存储容量和带宽需求合理选择总线宽度,以提高总线利用率和传关注总线信号的建立时间和保持时间,确保数据传输的可靠性输效率电磁兼容性功耗优化设计良好的布线与接地,降低总线信号的噪声干扰和EMI辐射采用合理的终端电阻和驱动能力,减少总线驱动电路的功耗存储器测试与调试技术故障检测与定位性能优化与调试12通过各种测试方法识别存利用测试数据分析存储器储器芯片的故障,并进行的性能瓶颈,并进行迭代快速定位,以便有针对性优化,以达到最佳的工作地进行修复状态可靠性验证自动化测试34针对存储器芯片的耐受性采用自动化测试工具,提、稳定性等进行可靠性测高测试效率,减少人为错试,确保其在各种工作环误,确保测试过程的一致境下的可靠运行性存储器的实现与集成IP设计与开发系统集成IP基于FPGA或ASIC平台进行存储器IP的将存储器IP与处理器、总线等核心部件进HDL建模和验证,完成电路设计与封装行有效集成,实现整机功能的可靠性和性能性能测试质量控制通过建立测试环境和测试平台,对存储器IP建立完善的质量保证体系,确保存储器IP在的速度、时序、功耗等指标进行全面测试生产制造、可靠性和安全性等方面达标验证存储器标准化与发展规划标准化推动技术发展路线协同创新全球布局存储器标准制定促进了技产业制定了清晰的存储器业界建立了开放共享的技存储器行业呈现全球化发术创新和产业发展行业技术路线图,包括SDRAM术创新平台,推动关键技术展趋势,各地区企业积极布组织制定的统一标准提高、DDR、LPDDR等发展的联合研发产学研用各局海外市场,参与国际标准了兼容性,降低了使用成本方向规划了未来5-10年方协同合作,加快技术成果制定同步提升产业链整同时也为政策法规提供的技术迭代和产品演进的产业化应用体竞争力了重要参考国内外存储器研发现状中国专注于DRAM和NAND Flash存储器研发,并在部分前沿存储技术如STT-MRAM、ReRAM等有所突破在IC设计能力和制造工艺方面仍有一定差距美国主导存储器行业技术创新,在尖端存储器如HBM、TCAM等方面保持优势同时也大力投资未来存储器技术如量子存储、DNA存储等日韩在DRAM和NAND Flash存储器制造领域保持领先地位近年在新型存储技术如3DNAND和3D XPoint内存上取得突破性进展欧洲在存储器材料和工艺研究上有独特优势,在MRAM、PCM等新型存储器上进行了大量创新性研究在标准制定和产业化上也发挥了重要作用未来存储器技术展望集成与堆叠技术新型存储技术创新13D2未来存储器将通过3D集成包括RRAM、MRAM、和堆叠技术提高集成度和PCM等新兴非易失性存储存储密度，实现更大容量技术将在低功耗、高密度和更高性能和大容量方面带来突破异构集成与融合存储器架构创新34存储器将与处理器、传感存储器系统将向内存计算器等异构功能单元实现紧、存算一体化等新型架构密集成，构建高性能、低发展，满足大数据和人工能耗的异构系统智能应用需求总结与思考综合分析展望未来创新思路在回顾了存储器发展的历程和未来趋随着大数据、人工智能等技术的快速•持续提高存储器性能指标势后,我们需要全面地思考存储技术对发展,存储器技术的进步必将推动整个•推动存储器技术向能效、安全、可信息时代的深远影响和应用前景,以更信息产业的创新升级,为我们带来更智靠性等多方位发展好地规划未来的技术创新方向能、更便捷的未来生活•加强存储器与系统的深度融合应用。