一文解 DRAM 中Cells 的組織方式

在DRAM Storage Cell章節(jié)中，介紹了單個(gè) Cell 的結(jié)構(gòu)。在本章節(jié)中，將介紹 DRAM 中 Cells 的組織方式。

為了更清晰的描述 Cells 的組織方式，我們先對(duì)上一章節(jié)中的 DRAM Storage Cell 進(jìn)行抽象，最后得到新的結(jié)構(gòu)圖，如下：

1. Memory Array

DRAM 在設(shè)計(jì)上，將所有的 Cells 以特定的方式組成一個(gè) Memory Array。本小節(jié)將介紹 DRAM 中是如何將 Cells 以 特定形式的 Memory Array 組織起來(lái)的。

首先，我們?cè)诓豢紤]形式的情況下，最簡(jiǎn)單的組織方式，就是在一個(gè) Bitline 上，掛接更多的 Cells，如下圖所示：

然而，在實(shí)際制造過(guò)程中，我們并不會(huì)無(wú)限制的在 Bitline 上掛接 Cells。因?yàn)?Bitline 掛接越多的 Cells，Bitline 的長(zhǎng)度就會(huì)越長(zhǎng)，也就意味著 Bitline 的電容值會(huì)更大，這會(huì)導(dǎo)致 Bitline 的信號(hào)邊沿速率下降（電平從高變低或者從低變高的速率），最終導(dǎo)致性能的下降。為此，我們需要限制一條 Bitline 上掛接的 Cells 的總數(shù)，將更多的 Cells 掛接到其他的 Bitline 上去。

從 Cell 的結(jié)構(gòu)圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)，在一個(gè) Cell 的結(jié)構(gòu)中，有兩條 Bitline，它們?cè)诠δ苌鲜峭耆葍r(jià)的，因此，我們可以把 Cells 分?jǐn)偟讲煌?Bitline 上，以減小 Bitline 的長(zhǎng)度。然后，Cells 的組織方式就變成了如下的形式：

當(dāng)兩條 Bitline 都掛接了足夠多的 Cells 后，如果還需要繼續(xù)拓展，那么就只能增加 Bitline 了，增加后的結(jié)構(gòu)圖如下：

從圖中我們可以看到，增加 Bitline 后，Sense Amplifier、Read Latch 和 Write Driver 的數(shù)量也相應(yīng)的增加了，這意味著成本、功耗、芯片體積都會(huì)隨著增加。由于這個(gè)原因，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，會(huì)優(yōu)先考慮增加 Bitline 上掛接的 Cells 的數(shù)量，避免增加 Bitline 的數(shù)量，這也意味著，一般情況下 Wordline 的數(shù)量會(huì)比 Bitline 多很多。

上圖中，呈現(xiàn)了一個(gè)由 16 個(gè) Cells 組成的 Memory Array。其中的控制信號(hào)有 8 個(gè) Wordline、2 個(gè) CSL、2 個(gè) WE，一次進(jìn)行 1 個(gè) Bit 的讀寫(xiě)操，也就是可以理解為一個(gè) 8 x 2 x 1 的 Memory Array。

如果把 2 個(gè) CSL 和 2 個(gè) WE 合并成 1 個(gè) CSL 和 1 個(gè) WE，如下圖所示。此時(shí)，這個(gè) Memory Array 就有 8 Wordline、1 個(gè) CSL、1 個(gè) WE，一次可以進(jìn)行 2 個(gè) Bit 的讀寫(xiě)操作，也就是成為了 8 x 1 x 2 的 Memory Array。

按照上述的過(guò)程，不斷的增加 Cells 的數(shù)量，最終可以得到一個(gè) m x n x w 的 Memory Array，如下圖所示

其中，m 為 Wordline 的數(shù)量、n 為 CSL 和 WE 控制信號(hào)的數(shù)量、w 則為一次可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作的 Bits。
在實(shí)際的應(yīng)用中，我們通常以 Rows x Columns x Data Width 來(lái)描述一個(gè) Memory Array。后續(xù)的小節(jié)中，將對(duì)這幾個(gè)定義進(jìn)行介紹。

1.1 Data Width

Memory Array 的 Data Width 是指對(duì)該 Array 進(jìn)行一次讀寫(xiě)操作所訪問(wèn)的 Bit 位數(shù)。這個(gè)位數(shù)與 CSL 和 WE 控制線的組織方式有關(guān)。

1.2 Rows

DRAM Memory 中的 Row 與 Wordline 是一一對(duì)應(yīng)的，一個(gè) Row 本質(zhì)上就是所有接在同一根 Wordline 上的 Cells，如下圖所示。

DRAM 在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)，選中某一 Row，實(shí)質(zhì)上就是控制該 Row 所對(duì)應(yīng)的 Wordline，打開(kāi) Cells，并將 Cells 上的數(shù)據(jù)緩存到 Sense Amplifiers 上。

Row Size

一個(gè) Row 的 Size 即為一個(gè) Row 上面的 Cells 的數(shù)量。其中一個(gè) Cell 存儲(chǔ) 1 個(gè) Bit 的信息，也就是說(shuō)，Row Size 即為一個(gè) Row 所存儲(chǔ)的 Bit 位數(shù)。

1.3 Columns

Column 是 Memory Array 中可尋址的最小單元。一個(gè) Row 中有 n 個(gè) Column，其中 n = Row Size / Data Width。下圖是 Row Size 為 32，Data Width 為 8 時(shí)，Column 的示例。

Column Size

一個(gè) Column 的 Size 即為該 Column 上所包含的 Cells 的數(shù)量，與 Data Width 相同。Column Size 和 Data Width 在本質(zhì)上是一樣的，也是與 CSL 和 WE 控制線的組織方式有關(guān)（參考Memory Array小節(jié)中關(guān)于 CSL 的描述）。

2. Memory Bank

隨著 Bitline 數(shù)量的不斷增加，Wordline 上面掛接的 Cells 也會(huì)越來(lái)越多，Wordline 會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，繼而也會(huì)導(dǎo)致電容變大，邊沿速率變慢，性能變差。因此，一個(gè) Memory Array 也不能無(wú)限制的擴(kuò)大。

為了在不減損性能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加容量，DRAM 在設(shè)計(jì)上將多個(gè) Memory Array 堆疊到一起，如下圖所示：

其中的每一個(gè) Memory Array 稱為一個(gè) Bank，每一個(gè) Bank 的 Rows、Columns、Data Width 都是一樣的。在 DRAM 的數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)，只有一個(gè) Bank 會(huì)被激活，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。

以下是一個(gè) DRAM Memory Organization 的例子：