1. DRAM 的基本定义
DRAM（Dynamic Random-Access Memory，动态随机存取存储器）是一种半导体存储器，用于计算机和电子设备中的主存储器（RAM）。它与 SRAM（Static RAM，静态随机存取存储器）相比，具有较高的存储密度和较低的成本，但由于数据存储依赖于电容的充放电，因此需要周期性刷新（Refresh），以防止数据丢失。
动态随机存取存储器（DRAM）是一种主要存储器，用于临时存储信息，以便将其传输到中央处理器（CPU），再返回给应用程序，为用户提供输出。计算机存储器是台式计算机和移动设备的重要组成部分，而 DRAM 的类型和速度直接影响计算机的性能。
DRAM 是一种易失性存储器，只要计算机保持通电，它就能存储信息。DRAM 由一系列电路组成，能够存储应用程序或 CPU 运行时所需的数据，以便进行计算。
动态随机存储器，又称动态RAM[1]（dynamic random-access memory, DRAM，台湾作动态随机存取记忆体），是一种半导体存储器，通常被用作主存储器，用于存储运行中的程序和数据。在DRAM中，每个记忆单元由一个电容和一个晶体管组成，主要的作用原理是利用电容内存储电荷的多寡来代表一个二进制比特（bit）是1还是0。与大部分的随机存储器（RAM）一样，存在DRAM中的资料会在电力切断以后很快消失，因此它属于一种易失性存储器（volatile memory）设备。
由于晶体管会有漏电流的现象，导致电容上所存储的电荷数量并不足以正确的判别数据，进而导致数据毁损。因此对于DRAM来说，周期性地充电是一个不可避免的条件。由于这种需要定时刷新的特性，因此被称为“动态”存储器。相对来说，静态存储器（SRAM）只要存入数据后，即使不刷新也不会丢失记忆。
DRAM与静态随机存储器（Static random-access memory，SRAM）相比，具有更高的密度和较低的成本，因为其每一个比特的资料都只需一个电容跟一个晶体管来处理，而SRAM上一个比特通常需要六个晶体管。正因这缘故，DRAM拥有非常高的密度，单位体积的容量较高，成本也较低。但相反的，DRAM也有访问速度较慢，耗电量较大的缺点。为了进一步提高速度，人们开发了同步（synchronous）DRAM或SDRAM，操作与外部时钟同步，以实现高速运行。如今，DRAM一般都指SDRAM。[2]
由于动态随机存储器具有较高的密度和较低的成本，因此它被广泛应用于个人电脑、服务器、智能手机和其他计算机系统中。但是，由于其刷新操作和其他诸多因素，动态随机存储器的性能和可靠性有时会受到影响。因此，在设计和实现计算机系统时，需要考虑适当的存储器架构和控制策略，以确保高效的运行和稳定性。
动态随机存储器通常被组织成一系列的存储器芯片，这些芯片可以通过总线或其他互连技术进行连接。每个存储器芯片可以包含数百万到几十亿个记忆单元。由于DRAM存储器需要刷新操作，因此通常需要使用一些控制电路，例如存储器控制器或存储器接口控制器，以管理存储器操作，如读取、写入、刷新等。
2. DRAM 的工作原理
2.1 内存芯片基本单元结构
DRAM 中的存储单元由晶体管和电容器组成，用于存储数据。每个存储单元只能存储一个位（bit） 的数据。当需要存储数据时，晶体管负责为电容器充电。当计算机准备存储数据时，它会向晶体管传输电荷，使电容器充电，从而完成数据存储。由于电容器的电荷会随时间流失，因此存储单元每隔几毫秒就需要重新充电，以防止数据丢失。外部刷新电路会重新写入数据，以维持电容器的电荷状态。
DRAM 的存储单元由一个晶体管和一个电容（1T1C，One Transistor One Capacitor） 组成：
- 写入数据：当电容充满电，表示“1”；当电容放电，表示“0”。
- 读取数据：通过晶体管连接到位线（Bit Line），读取电容的电荷状态。
- 刷新（Refresh）：由于电容会漏电，必须定期重新充电，以保持存储的数据。
这种存储方式使 DRAM 具有较高的存储密度，但由于需要不断刷新，会导致功耗增加和访问速度下降。
WL(X)：字节线(Word Line)，X地址寻址线（Row Address）；
BL(Y)：比特线（Bit Line),Y地址寻址线（Column Address)和数据出入输出线(Data In/Out);
Transistor : 金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管开关;
Capacitor: 电荷储能单元即电容。
备注：内存芯片中每个单元都有以字节线和比特线组合的独立地址。以2016年主流4GB单面8芯片内存条为例，每粒内存芯片有4G个独立地址。
2.2 DRAM存储单元电路读写原理
2.3 DRAM芯片工作原理
最早、最简单也是最重要的一款DRAM 芯片是Intel 在1979 年发布的2188，这款芯片是16Kx1 DRAM 18 线DIP 封装。“16K x 1”的部分意思告诉我们这款芯片可以存储16384个bit 数据，在同一个时期可以同时进行1bit 的读取或者写入操作。
DRAM2188内部有/RAS(Row Address Strobe：行地址脉冲选通器)引脚控制的行地址门闩线路（Row Address Latch）和由/CAS(Column Address Strobe：列地址脉冲选通器)引脚控制的列地址门闩线路（ColumnAddress Latch）。
1)通过地址总线将行地址传输到地址引脚
2)/RAS 引脚被激活，这样行地址被放入到行地址选通电路中
3) 行地址解码器（ Row Address Decoder）选择正确的形式然后送到传感放大器（ sense amps）
4)/WE 引脚被确定不被激活，所以DRAM 知道它不会进行写入操作
5)列地址通过地址总线传输到地址引脚
6)/CAS 引脚被激活，这样列地址被放入到列地址选通电路中
7)/CAS 引脚同样还具有/OE 引脚的功能，所以这个时候Dout 引脚知道需要向外输出数据。
8) /RAS 和/CAS 都不被激活，这样就可以进行下一个周期的数据操作了。
其实DRAM 写入的过程和读取过程是基本一样的，所以如果你真的理解了上面的过程就能知道写入过程了，所以这里就不赘述了。（只要把第4 步改为/WE 引脚被激活就可以了）。
2.4. DRAM存储单元电路的半导体芯片实现
2.5. DRAM的存储原理
DRAM 可存储的数据位数量是有限的，但其存储容量取决于电路的数量。一般来说，单个 DRAM 芯片的存储容量通常为 8GB、16GB、32GB 或 64GB。
计算机使用二进制数字系统，即由 1 和 0 组成的数据流。然而，在处理内存管理和数据寻址时，DRAM 的地址通常以**十六进制（Hexadecimal）**表示，这是一种以 16 进制表示数值的系统。
DRAM 芯片由多个存储阵列（Memory Banks）组成，数据存储在行（Row）和列（Column）的交叉点处，每个交叉点对应一个电容器，其中存储着一个位的数据。当 CPU 需要 DRAM 中的数据时，存储控制器会读取存储位并将数据发送给 CPU。随后，CPU 将处理后的数据返回给内存控制单元，然后将其存储回 DRAM，以供应用程序使用。
DRAM 采用**电容（Capacitor）和晶体管（Transistor）**存储数据：
- 电容（Capacitor） 用于存储二进制数据（0 或 1）。
- 晶体管（Transistor） 控制数据的读写。
3. DRAM 的特点
作为易失性存储器，DRAM 具有以下主要特性：
- 易失性存储（Volatile Memory）：DRAM 只能在通电状态下保留数据，一旦断电，存储的信息就会丢失。
- 刷新周期（Refresh Cycle）：由于 DRAM 的存储单元由电容组成，电荷会随时间泄漏，因此需要定期刷新数据，以维持其完整性。
- 速度（Speed）：DRAM 的数据访问速度比 HDD（硬盘驱动器）和 SSD（固态硬盘）等非易失性存储介质更快，但比 SRAM（静态随机存取存储器）慢。SRAM 由于不需要刷新，速度更快，但成本和功耗更高。
DRAM 之所以需要定期刷新，正是因为其数据存储依赖于电容电荷的维持。尽管 DRAM 的速度不及 SRAM，但在成本和功耗方面具有更好的平衡，因此广泛应用于计算机的**主存储器（RAM）**中。
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 存储方式 | 采用电容和晶体管存储数据 |
| 速度 | 访问速度比 SRAM 慢，但比硬盘快 |
| 刷新机制 | 需要周期性刷新，防止数据丢失 |
| 功耗 | 相比 SRAM 高，但比 NAND 闪存低 |
| 成本 | 比 SRAM 低，适用于大容量存储 |
| 存储密度 | 高，适合大规模应用 |
4. DRAM 的分类
-
SDRAM（Synchronous DRAM，同步 DRAM）
- 工作时钟与 CPU 主频同步，提高数据传输效率。
- 例：SDRAM（经典）、DDR SDRAM（现代）。
-
DDR（Double Data Rate SDRAM，双倍数据速率 SDRAM）
- 在时钟信号的上升沿和下降沿同时传输数据，提高带宽。
- 发展历程：DDR → DDR2 → DDR3 → DDR4 → DDR5。
-
LPDDR（Low Power DDR，低功耗 DDR）
- 用于移动设备（手机、平板），降低功耗。
- 发展：LPDDR → LPDDR2 → LPDDR3 → LPDDR4 → LPDDR5。
-
GDDR（Graphics DDR，用于 GPU 的 DRAM）
- 专为显卡设计，带宽更高，适用于高性能计算。
- 发展：GDDR3 → GDDR4 → GDDR5 → GDDR6 → GDDR6X。
-
HBM（High Bandwidth Memory，高带宽存储器）
- 采用 3D 堆叠封装，提高数据吞吐量，降低功耗。
- 用于高端显卡和人工智能计算。
5. DRAM 在计算机中的作用
DRAM（动态随机存取存储器）是计算机的主要存储器（RAM），用于临时存储程序和数据，以便 CPU 快速访问，提高系统性能。其主要作用包括：
-
作为主存（RAM），提供高速数据访问
-
提高计算机性能，减少数据读取延迟
-
支持多任务处理（Multitasking）
- DRAM 允许计算机同时运行多个程序，例如打开多个网页、运行视频编辑软件、玩游戏等。
- DRAM 容量越大，计算机可以处理的任务越多，避免程序因内存不足而崩溃或卡顿。
-
辅助 GPU 进行图形渲染
- 在图形处理任务（如游戏、视频剪辑、3D 渲染）中，DRAM 也可以作为显存的一部分，提供临时存储空间。
- 高速 DRAM（如 GDDR、HBM）可以提升 GPU 处理速度，提高帧率和图形质量。
-
缓存数据，加快应用程序加载
- 计算机会将常用数据存储在 DRAM 中，以便快速读取，提高软件启动和运行速度。
- 例如，操作系统和应用程序在启动后会将部分数据保留在 DRAM 中，从而加快后续访问。
6. DRAM 的未来发展
随着计算机、人工智能（AI）、5G、自动驾驶等技术的快速发展，DRAM 也在不断演进，以满足更高的存储需求和更快的数据处理能力。以下是 DRAM 的未来发展趋势：
6.1. 更高带宽和更低功耗的 DDR 技术
- DDR5 普及：
- LPDDR5X/LPDDR6（低功耗 DRAM）：
- LPDDR 主要用于智能手机、平板电脑和超轻薄笔记本，未来将继续优化功耗和带宽，支持 5G 和 AI 计算。
6.2. HBM（高带宽存储）继续发展，推动 AI 计算
6.3. GDDR 显存升级，推动游戏和高性能计算
- GDDR6X 和 GDDR7 显存：
- 未来的 GDDR（Graphics DDR）将进一步提高显卡的数据传输速率，为 8K 游戏、VR/AR 以及 AI 图像计算提供更强大的支持。
- GDDR7 预计带宽将达到 32 Gbps，功耗更低。
6.4. 3D DRAM 和新型架构突破存储瓶颈
- 3D DRAM：类似 3D NAND，未来 DRAM 可能采用垂直堆叠架构，提高存储密度并降低功耗。
- Compute Express Link（CXL）内存：
6.5. MRAM、RRAM 等下一代存储技术的挑战
- **MRAM（磁阻式随机存取存储器）和RRAM（阻变存储器）**被认为是 DRAM 的潜在替代技术：
- MRAM 结合了 DRAM 的高速性和 NAND 闪存的非易失性。
- RRAM 具有更低的功耗和更高的存储密度，但技术仍在成熟中。
- 目前，这些新型存储技术仍面临成本、工艺和市场接受度的挑战，短期内不会取代 DRAM，但可能作为补充。
6.6. AI 赋能 DRAM 设计和生产
7. DRAM的发展历史
DRAM历史与发展：早期存储器的发展史
1942年，世界上第一台电子数字计算机ATANASOFF-BERRY COMPUTER（ABC）诞生，使用再生电容 磁鼓存储器存储数据。
1946年，随机存取存储器（RAM）问世，静电记忆管能在真空管内使用静电荷存储大约4000字节数据。
1947年，延迟线存储器被用于改良雷达声波。延迟线存储器是一种可以重刷新的存储器，仅能顺序存取 。同年磁芯存储器诞生，这是随机存取存储器（RAM）的早期版本。
1951年，磁带首次被用于计算机上存储数据，在UNIVAC计算机上作为主要的I/O设备，称为UNIVACO ，这就是商用计算机史上的第一台磁带机。
1956年，世界上第一个硬盘驱动器出现在了IBM的RAMAC 305计算机中，标志着磁盘存储时代的开始。该计算机是第一台提供随机存取数据的计算机，同时还使用了磁鼓和磁芯存储器。
1965年，美国物理学家Russell发明了只读式光盘存储器（CD-ROM），1966年提交了专利申请。1982 年，索尼和飞利浦公司发布了世界上第一部商用CD音频播放器CDP-101，光盘开始普及。
1966年，DRAM被发明。IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard发明了动态随机存取 存储器（DRAM），并于1968年申请了专利。
1970年，Intel公司推出第一款商用DRAM芯片Intel 1103，彻底颠覆了磁存储技术。DRAM的出现解决 了磁芯存储器体积庞大，运行速度慢，存储密度低及能耗较高等问题。
DRAM 是一种高速、易失性的存储器，广泛用于计算机、服务器、移动设备和图形处理。其周期性刷新、存储密度高、访问速度快的特性，使其成为现代计算机架构中的核心组成部分。随着技术的进步，DDR5、LPDDR5、HBM 等新型 DRAM 正在推动存储行业的发展。