DRAM 原理 2 ：DRAM Memory Organization

在 DRAM Storage Cell 章節(jié)中，介紹了單個 Cell 的結構。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，我們先對上一章節(jié)中的 DRAM Storage Cell 進行抽象，最后得到新的結構圖，如下：

1. Memory Array

DRAM 在設計上，將所有的 Cells 以特定的方式組成一個 Memory Array。本小節(jié)將介紹 DRAM 中是如何將 Cells 以 特定形式的 Memory Array 組織起來的。

首先，我們在不考慮形式的情況下，最簡單的組織方式，就是在一個 Bitline 上，掛接更多的 Cells，如下圖所示：

然而，在實際制造過程中，我們并不會無限制的在 Bitline 上掛接 Cells。因為 Bitline 掛接越多的 Cells，Bitline 的長度就會越長，也就意味著 Bitline 的電容值會更大，這會導致 Bitline 的信號邊沿速率下降（電平從高變低或者從低變高的速率），最終導致性能的下降。為此，我們需要限制一條 Bitline 上掛接的 Cells 的總數，將更多的 Cells 掛接到其他的 Bitline 上去。

從 Cell 的結構圖中，我們可以發(fā)現，在一個 Cell 的結構中，有兩條 Bitline，它們在功能上是完全等價的，因此，我們可以把 Cells 分攤到不同的 Bitline 上，以減小 Bitline 的長度。然后，Cells 的組織方式就變成了如下的形式：

當兩條 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，增加后的結構圖如下：

從圖中我們可以看到，增加 Bitline 后，Sense Amplifier、Read Latch 和 Write Driver 的數量也相應的增加了，這意味著成本、功耗、芯片體積都會隨著增加。由于這個原因，在實際的設計中，會優(yōu)先考慮增加 Bitline 上掛接的 Cells 的數量，避免增加 Bitline 的數量，這也意味著，一般情況下 Wordline 的數量會比 Bitline 多很多。

上圖中，呈現了一個由 16 個 Cells 組成的 Memory Array。其中的控制信號有 8 個 Wordline、2 個 CSL、2 個 WE，一次進行 1 個 Bit 的讀寫操，也就是可以理解為一個 8 x 2 x 1 的 Memory Array。

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

按照上述的過程，不斷的增加 Cells 的數量，最終可以得到一個 m x n x w 的 Memory Array，如下圖所示

其中，m 為 Wordline 的數量、n 為 CSL 和 WE 控制信號的數量、w 則為一次可以進行讀寫操作的 Bits。
在實際的應用中，我們通常以 Rows x Columns x Data Width 來描述一個 Memory Array。后續(xù)的小節(jié)中，將對這幾個定義進行介紹。

1.1 Data Width

Memory Array 的 Data Width 是指對該 Array 進行一次讀寫操作所訪問的 Bit 位數。這個位數與 CSL 和 WE 控制線的組織方式有關。

1.2 Rows

DRAM Memory 中的 Row 與 Wordline 是一一對應的，一個 Row 本質上就是所有接在同一根 Wordline 上的 Cells，如下圖所示。

DRAM 在進行數據讀寫時，選中某一 Row，實質上就是控制該 Row 所對應的 Wordline，打開 Cells，并將 Cells 上的數據緩存到 Sense Amplifiers 上。

Row Size

一個 Row 的 Size 即為一個 Row 上面的 Cells 的數量。其中一個 Cell 存儲 1 個 Bit 的信息，也就是說，Row Size 即為一個 Row 所存儲的 Bit 位數。

1.3 Columns

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

Column Size

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

2. Memory Bank

隨著 Bitline 數量的不斷增加，Wordline 上面掛接的 Cells 也會越來越多，Wordline 會越來越長，繼而也會導致電容變大，邊沿速率變慢，性能變差。因此，一個 Memory Array 也不能無限制的擴大。

為了在不減損性能的基礎上進一步增加容量，DRAM 在設計上將多個 Memory Array 堆疊到一起，如下圖所示：

其中的每一個 Memory Array 稱為一個 Bank，每一個 Bank 的 Rows、Columns、Data Width 都是一樣的。在 DRAM 的數據訪問時，只有一個 Bank 會被激活，進行數據的讀寫操作。

以下是一個 DRAM Memory OrganizaTIon 的例子：