内存技术与DRAM

内存技术是主内存级别存储数据的物理设备——主要是用于容量的动态随机存取存储器（DRAM）和用于速度的静态随机存取存储器（SRAM）——它们的时序、带宽和组织结构决定了内存层次结构的性能下限。

Definition

内存技术是用于实现计算机内存的半导体及相关设备，其中最重要的是DRAM和SRAM。DRAM将每个比特存储为电容器上的电荷，必须周期性刷新；SRAM则将比特存储在锁存器中，速度更快但密度较低。

Scope

本主题涵盖内存背后的设备技术：缓存中使用的SRAM单元、DRAM单元及其刷新需求、DRAM按存储体、行和列的组织、时序参数和标准（如DDR系列）、内存带宽和通道，以及新兴的非易失性存储器。它不包括缓存和操作系统级别的内存管理（缓存组织和策略、虚拟内存和分页）以及持久性辅助存储设备（辅助存储设备）。

Core questions

• SRAM和DRAM单元在速度、密度、成本和功耗方面有何不同？
• DRAM为何必须刷新，以及它是如何组织成存储体、行和列的？
• 哪些时序参数和标准管理DRAM的访问和带宽？
• 新兴的非易失性存储器如何融入内存层次结构？

Key concepts

• SRAM单元
• DRAM单元和刷新
• 存储体、行和列
• 行激活和预充电
• DDR内存标准
• 内存带宽和通道
• 内存延迟
• 非易失性存储器

Mechanisms

SRAM单元将一个比特保存在一个小型锁存器中，提供快速访问但密度较低。DRAM单元将一个比特存储在一个微型电容器上的电荷形式，电荷会泄漏，因此必须定期刷新。DRAM芯片被组织成由行和列组成的存储体；一次访问会激活一行到感应放大器缓冲区，然后从中读取或写入列。双倍数据速率（DDR）接口和多通道提高了带宽，而延迟则由行激活和列访问时序决定。

Clinical relevance

由于处理器速度大大超过内存，DRAM的特性——延迟、带宽和行激活的成本——直接影响系统性能，并推动了整个缓存层次结构的发展。DRAM的特性也带来了可靠性和安全性问题，例如Rowhammer干扰效应，而新兴的非易失性存储器正在重塑系统如何结合内存和存储。

History

罗伯特·登纳德（Robert Dennard）于1966年至1968年在IBM发明了单晶体管DRAM单元，DRAM成为主内存的主导技术。随后的同步和双倍数据速率（DDR）标准在几十年间提高了带宽，而SRAM仍然是片上缓存的技术。非易失性存储器和堆叠存储器后来出现，以解决容量和持久性内存前沿的问题。

Key figures

• Robert Dennard
• John L. Hennessy
• David A. Patterson
• Bruce Jacob

Seminal works

• hennessy2019
• jacob2008

Frequently asked questions

为什么DRAM需要刷新而SRAM不需要？

DRAM将每个比特存储为电容器上的电荷，电荷会缓慢泄漏，因此必须定期读取并重写（刷新）其内容以避免数据丢失。SRAM将每个比特保存在一个锁存器中，只要供电，它就能保持其状态，因此不需要刷新。

为什么SRAM用于缓存而DRAM用于主内存？

SRAM速度快得多，但每比特占用空间更大且成本更高，使其成为小型、对速度要求极高的缓存的理想选择。DRAM密度更高，每比特成本更低，但速度较慢，使其适用于容量比原始延迟更重要的大型主内存。