歴史

DRAMの登場以前は、1つのフリップ・フロップ回路によって "1" か "0" の状態（1ビット）を記憶するために2-6個のトランジスタが必要とされる、今でもスタティック・メモリーとして知られる記憶素子がコンピュータの一時記憶用メモリとしての主流を占めていた。

1ビットを保持するのに必要な回路規模を小さくすることで集積度を上げ、シリコンチップ当りの記憶容量を増やすために、記憶素子をコンデンサで作りメモリーセル・アレイの周囲の回路でコンデンサの電荷が失われる前に充電しなおすものとして構想された。スタティック・メモリーと比べれば、周囲の回路が余分に必要とされるが、個別のメモリーセルは1つのトランジスタと微小なコンデンサで済むので全体の回路規模は小さくなった。

米ザイログ社が作ったCPUのZ80では、このDRAMのリフレッシュ動作専用の7ビットカウンタ（Rレジスタ）が内蔵されていて、プログラムとは別にDRAMへのメモリーアクセスが自動的に行なわれた。

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構造

動作原理

コンデンサとも呼ばれるキャパシタに電荷を蓄え、この電荷の有無によって1ビットの情報を記憶する。電荷は漏洩しやがて失われるために1秒間に数回程、列単位でデータを読み出して列単位で再び記録し直すリフレッシュが絶えず必要となる。この煩雑な動作はたとえ外部から読み出しの必要が無くとも記憶保持の間は常に必要である。

メモリセル構造

DRAMの内部回路は、各1つずつのキャパシタと電界効果トランジスタ（FET）から構成される「メモリセル」の部分と、多数のメモリセルが配列したマトリックスの周囲を取り巻く「周辺回路」から構成される。

DRAMの集積度を上げるにはメモリセルを出来るだけ小さくすることが有効であるため、キャパシタとFETを狭い場所に詰め込むさまざまな工夫が行なわれている。

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各々のメモリセルはキャパシタ1個とスイッチ用のFET 1個から構成される。記憶セルは碁盤の目状に並べて配置され、横方向と縦方向にワード線とビット線が走っている。

記憶データは、メモリセルのキャパシタに電荷がある場合は論理 "1"、無い場合は論理 "0" というように扱われており、1つのメモリセルで1ビットの記憶を保持している。

メモリセルの微細化

SRAMのメモリセルが6個のトランジスタ（あるいは4個のトランジスタと2個の抵抗）で構成されていてプロセス微細化によるスイッチング速度向上がアクセス速度を向上させているのに対して、DRAMではメモリセルにあるキャパシタとスイッチング・トランジスタに存在する寄生抵抗による時定数回路が存在するため、プロセスの微細化やトランジスタのスイッチング速度向上はメモリのアクセス速度向上にさほど寄与しない。キャパシタの容量を小さくすれば高速化できるがキャパシタの情報を正しく読み取れない恐れが出る。微細化によってキャパシタを作りこめる面積が小さくなったのを補うために、キャパシタとFETを立体的に配置して容量不足を補うようにしている。

スタック型とトレンチ型

DRAMは記憶セルの構造からスタック型とトレンチ型に分類される。スタック型はスイッチング・トランジスタの上方にシリコンを堆積させてから溝を堀りキャパシタ構造体を作る。トレンチ型はスイッチング・トランジスタの横のシリコン基板に鋭い溝を堀りキャパシタ構造体を作る。スタック型はキャパシタを積層するためにトレンチ型より工程数や加工時間が増えるが、トレンチ型では微細化に限界がありほぼスタック型が採用されている。

液晶ディスプレイに使用される薄膜トランジスタと同様に点欠陥が問題となるが、半導体メモリでは欠陥セルのあるカラムは、メモリセルアレイの端にある、冗長領域に論理的に割当てられ、ICチップは良品として出荷され製品コストの上昇が抑えられている。この技術は半導体メモリ一般に利用されている。

これまでは8F²（Fは最小加工寸法）が主流だったが、6F²が主流となりつつある。将来的には4F²が導入される見通しである。

メモリセルアレイと周辺回路

メモリセルはワード線とビット線で作られるマトリックス状に配置され、多数のメモリセルによってメモリセルアレイが作られる。ビット線の寄生容量が読み出し時の精度を制限するために余り長く出来ず、メモリセルアレイの大きさには上限がある。

メモリセルアレイの周辺にはワード線とビット線を制御してデータの書き込み/読み出し/リフレッシュを行ない、外部と信号をやり取りする周辺回路が備わっている。

データの読み出しをする時には、ワード線で指定される1列分のデータをビット線の数だけ用意されたセンスアンプで同時に読み出し、その中から必要とするビットのデータを読み出す。読み出し動作によってキャパシタの電荷は失われる（破壊記憶）ので、ワード線で指定したまま直ちにこの1列分のデータをビット線に流して記憶セルに書き戻し（プリチャージ）、読み出しは完了する。

データの書き込みは、読み出し時の動作とほぼ同じで、ワード線で指定される1列分のデータをビット線の数だけ用意されたセンスアンプで同時に読み出し、その中から書き込みするビットのデータを書き換えてから、ワード線で指定したまま直ちにこの1列分のデータをビット線に流して記憶セルに書き戻し、書き込みは完了する。

リフレッシュ動作においても、外部に信号を出力しない点を除けば読み書きの動作時と同様に、1列分のデータを読み出し再び書き戻している。

メモリセルアレイの周辺にはセンスアンプの他にもラッチ、マルチプレクサ、外部との接続信号を作る3ステート・バッファが取り巻いている。

各々のメモリセルアレイは1ビット分の記憶領域として使用され、いくつかあるアレイをチップのデータ幅に合わせて組み合わせて使用している。メモリモジュールの入出力幅の拡大に合わせて、チップ単体で8ビットや16ビット幅を持つ製品が多い。

データアクセスの方法

DRAMのメモリセルを指定するためのアドレスデータ線は、行アドレスと列アドレスとで共通になっていて、行アドレスと列アドレスを時分割で設定するようになっている。メモリの番地のうち、行アドレスは上位ビットの部分に割り当て、列アドレスは、下位ビットに割り当てて使用する。アドレスデータ線にどちらのデータが加えられているかを区別するために、RAS (row address strobe) およびCAS (column address strobe) と呼ばれる信号を用いる。行アドレスデータを確定した状態でRAS信号をアクティブにすることで、RAS信号の変化点での状態を素子に行アドレスとして認識させる。RAS信号がアクティブな状態のまま、引き続き列アドレスデータに切り替えて、CAS信号をアクティブにし、CAS信号の変化点での状態を素子に列アドレスとして認識させ、必要とするアドレスのデータにアクセスを完了する。

データアクセスの高速化のため、同じ行アドレスで列アドレスが違うデータを次々に読み書きする方法が考案されており、これをページモードと呼ぶ。

ページモードは高速ページモード (fast page mode)、そしてEDO(extended data out、EDO DRAM) と進歩し、21世紀以降はsynchronous DRAM (SDRAM) と呼ばれる、行アドレス内容を同期転送（バーストモード）で高速に入出力する機構を搭載した物が主流となっている。全く工夫のないDRAMでは100nsec以上かかっていた物が、これらのDRAMでは2.5nsec前後まで高速化されている。ただし、列・行アドレス共に指定してセットアップ・プリチャージの時間を含むアクセスタイム自体は、それほど短縮されていない。この10年間で1/3程度高速化されただけである。

また、異なるアドレスに対する読み書きを同時に2つのポートから擬似的に行う事ができるDual Port DRAMがある。PCでは画像表示用のVRAMやCPU-GPU間共有メモリに用いられたり、あるいは互換性のないマルチプロセッサ構成のPCやワークステーション、PCI-PCI間メモリ転送デバイスなどの用途に使われる。

リフレッシュ

メモリセルに蓄えられた電荷は、素子内部の漏れ電流によって徐々に失われていき、電荷の無い状態との区別が困難になってくる。そこで、定期的に電荷を補充する操作が必要となり、この操作をリフレッシュと呼ぶ。リフレッシュは1行単位で同時にアクセスすることで実施され、規定された時間内（数十ミリ秒程度）に素子内の全ての行について行わなければならない。

コンデンサ・メモリーの元祖であるABCマシンではジョギングと呼ばれた。リフレッシュという用語は米インテル社によって付けられた。

リフレッシュアドレス指定方法

リフレッシュを行う行アドレスを指定するには、次のような方法がある。

• RAS only リフレッシュ : DRAMに行アドレスを与え、RAS信号のみをアクティブにすることで、指定された行のリフレッシュを行う。リフレッシュアドレスは、DRAMの外部回路によって作る必要がある。
• CAS before RAS リフレッシュ : CASとRASをアクティブにするタイミングを、通常のデータアクセスと逆にすることで、DRAM内部のリフレッシュ回路を起動する方法。起動毎に内部に用意されたカウンタをアップさせ、必要な行アドレスを順番に発生させるので、DRAMの外部にリフレッシュ用のアドレスカウンタを用意する必要がない。
• オートリフレッシュ

リフレッシュのタイミング

代表的な方法として、以下の二つがある。

• 集中リフレッシュ: 規定された時間毎に素子内の全ての行を一度にリフレッシュする。
• 分散リフレッシュ: 規定された時間を行の数で割った周期で一行ずつリフレッシュする。

技術の変遷

ソフトエラー

情報は各メモリセルのキャパシタの電荷の形で記憶されるが、宇宙線などの放射線がキャパシタに照射されると、電荷が失われデータが書き換わってしまう現象が発生する。これはソフトエラーと呼ばれ、高エネルギーの放射線を常に浴びる可能性のある宇宙航空分野に限らず、地上の日常的な環境でも発生するため、デジタル機器の偶発的な異常動作の原因である。

宇宙線のような高エネルギー放射線でなくとも、可視光線の光子でも同様の現象が発生する。通常のDRAMは樹脂製のパッケージによって遮光されているため、実際の問題とはならないが、この現象を応用しチップに光を当てられるようにすることで、画像素子として応用した製品も存在した。

階層ワード線

ワード線の配線を、主となるメタル配線を間隔を空けて配置し、その下層で1本のメタル配線ごとにゲートポリ配線を4-8本階層する方法である。メタル配線からはデコード機能を兼ねたゲートでもあるサブワードドライバによってゲートポリ配線が分岐され各メモリセルに接続される。外部クロックに同期することで、DRAM素子内部でパイプライン動作を行い、外部のバスクロックに同期してバースト転送することにより、0ウェイトでの出力アクセスを可能とし、外部バスクロックがそのまま使用できるために回路設計も容易となった。登場した当初は同期クロックはIntel製CPUのPentiumに合わせて66MHzであったが、やがてPentium IIやAMD製CPUのK6-2に合わせてPC100 SDRAMと呼ばれる規格で100MHzとなり、2000年のIntel製のPentium III用新チップセット出荷に合わせてPC133 SDRAMが本格的に使用された。パーソナルコンピュータでの使用では多くがDIMMでの実装となっていた。

Direct RDRAM

Direct RDRAMとは米Rambus社が開発した高速DRAM用のバス信号と物理形状の規格のことである。他のDRAMのようにRAS/RASなどの制御信号線によって読み出し/書き込み動作を指示するのではなく、Direct Rambusというバス上に16ビットか18ビットのデータ、アドレス、コマンドをパケット形式でやり取りする。RIMM（Rambus In-line Memory Module）と呼ぶモジュールも規定していた。リフレッシュ機能が内蔵されている。任天堂のゲーム機Nintendo 64で同種のメモリーが採用され、パーソナルコンピュータへの採用も図られたが、バスの技術設計に高額なライセンス使用料を払い、Direct RDRAMコントローラを初めとする周辺回路やDirect RDRAMチップそのものの高価格によって、民生用途ではコスト競争力が無かったために、一部のサーバー機にのみ採用されるに留まり、PCでの主記憶用半導体の次の主役はPC133 SDRAMとDDRに移った。

DDR

DDRはDDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM）のことであり、2009年現在はPCの主記憶用半導体ではDDR2が最も一般的に採用されている規格である。内部のメモリセルアレイの読み出し時には2ビットや4ビット、8ビット分のセルを一度にアクセスし、データバスへの出力には読み出した信号線を切り替えて直列並列変換を行なっている。書き込み時にはこの逆となる。パーソナルコンピュータでの使用ではほとんど全てがDIMM（Dual Inline Memory Module）での実装となっている。DDRの登場によって従来のSDRAMはSDR（シングル・データ・レート）と呼ばれることが多い。

DDR SDRAM

SDRAMでの外部同期クロックの立ち上がりと立ち下り時にデータ入出力を確定するのでSDRに比べて2倍のデータ転送速度となる。クロック信号はSDRのシングルエンド伝送からディファレンシャル伝送に変わり、位相・逆位相信号のエッジ検出を両信号のクロスポイントに置くことでデューティ比を50%に近づけた。SDRには無かったDQS（データ・ストローブ信号）によってメモリ素子とコントローラ間の配線長の自由度が増した。信号のインターフェースはSDRのLVTTLからSSTLに変えられた。

データ転送の動作周波数は200MHz、266MHz、332MHz、400MHz。電源電圧は2.5Vから2.6Vが多い。184ピンDIMM。

DDR2 SDRAM

DDRでの外部同期クロックを2倍に高めそれぞれの立ち上がりと立ち下り時にデータ入出力を確定するのでSDRに比べて4倍のデータ転送速度となる。"Posted CAS"機能が加わり、DDRまでは複数のリード、またはライトが連続するアクセス時にRAS信号からCAS信号までのサイクル間隔時間（tRCD）によってコマンド競合による待ち時間が生じていたが、DDR2からはRAS信号の後でtRCDの経過を待たずにCAS信号を受付け、メモリチップ内部で留め置かれて"Additive Latency"の経過後ただちに内部的にCAS信号が処理されるようになった。また、ODT（One Die Termination）とOCD（Off Chip Driver）が実装されることで終端抵抗をメモリチップ内部に持たせて、ドライバ駆動能力も調整可能として信号反射の低減など信号を最適化するように工夫が加えられた。DDR2用以降のメモリ・コントローラ側では起動時などにキャリブレーションを行うことで、メモリ素子とコントローラ間の配線のバラツキに起因するスキュー、つまり信号到着時間のズレを読み取り、信号線ごとのタイミングと駆動能力の調整を行うものがある。。電源電圧は1.5Vと1.35V。

他のDRAM

GDRAM

グラフィック用途でのDRAMとして書き込みと読み出しが同時平行で行なえるようになっている。今でも高性能グラフィック回路で使用される。

VC-SDRAM

日本のNECが開発したもので、内部にチャンネルを設けてメモリーセルと入出力部との伝送速度を高める工夫がなされたが、普及しなかった。

XDR DRAM

DRAM業界

装置産業

DRAM業界を含むメモリー半導体製造業界は黎明期の1970年代以降は、他社との技術的な差別化の余地が比較的少ないものとなり、メモリー半導体を製造するメーカーは半導体製造装置メーカーと共に、一部は既にCPU等で開発された最先端技術に基づく半導体製造装置を開発して購入することで、生産工場を整えることになっている。メモリー半導体のメーカー自身が新規の独自技術を開発することは比較的少なく、半導体を高い生産性で量産するための工夫と経験が各社の差別化での大きな要素となっている。「半導体製造装置を買える程の投資資金があれば誰でもメモリーメーカーとして起業できる」とは、あまりにも極論であるが、世界的にはほとんど同種の半導体製造装置が各社の生産ラインに並んでいる事実が示すように、製造装置での技術的な差異は少ない。

シリコンサイクル

今ではメモリー半導体メーカー各社は新しいWindows OS製品の登場時のようなパーソナルコンピュータの需要拡大期に合わせて量産体制を拡大したりしているが、過去には「シリコンサイクル」と呼ばれる半導体業界の景気の好不況の循環を主導してきた。パーソナルコンピュータの需要拡大等でメモリー製品が不足すると価格は上昇する。上昇した価格と旺盛なメモリ製品への需要に基づいて将来への投資といった経営判断を下し、生産設備への拡大投資を決定する。1社が生産設備の拡大を行なうだけでなく、ほとんど全てのメモリーメーカーが生産設備を拡大するので、生産ラインが完成して量産に移行する頃には需要拡大は既に終わっており、各社の生み出す大量のメモリー製品がほとんど同時期に市場にあふれて価格は暴落する。こういったサイクルを過去に数回繰り返してきたため、日本の総合家電メーカーのように多くの企業が既に半導体ビジネスから撤退しており、20世紀末からは、過去の失敗から学んだ企業が、将来需要予測へ細心の注意を払いながら設備投資を行ない、長年シリコンサイクルは起きなかった。

ただ、2006年末ごろからは、DDR2からDDR3へ規格の主流が移らずに従来型製品の量産コスト中心の戦いを迫られたDRAMメーカー各社が、Windows Vistaを搭載するPCによって需要が拡大するタイミングで、一気に市場シェアを確保して量産効果による勝ち残りを図り、各社が争そうように生産量を増やしたために、DRAMでのシリコンサイクルが発生した。今回のサイクルはNANDフラッシュ・メモリの生産との関連や米国発の金融不況の影響もある。2006年末から2007年中頃までと2008年中頃から2008年末までの2年程で20分の1以下にまで値下がりし、DRAM最大手のSamsung社以外の各社は、2008年第算四半期の決算ですべて大幅な赤字を記録した。

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市場での寡占

上位5社が世界の市場の8割以上を占めている。コスト競争力の乏しい下位の会社は撤退、吸収が予想される。微細化に伴い露光装置の導入費用がさらに高くなるため、資金面での競争力の差が顕著になり、世界的な再編が始まりつつある。現在は4グループに分かれている。

価格低迷と大幅赤字

DRAMの価格は主力の1Gbit品では2007年の1年間に80%程も低下し、全てのDRAMメーカーが大幅な赤字となった。DRAMの世界市場規模も2007年の310億ドル強から、2008年は250億ドル程に低下するとの予想もあり、既に半導体業界では珍しい生産量の調整が始まっているという情報もある。

業界再編

2009年1月23日には独キマンダ社が会社更生法を申請し、2月4日には日本政府が新たに作成中の改正産業再生法の申請を、日本のエルピーダメモリ社が検討中と報じられた。その後、2009年6月18日に改正産業再生法の申請すると報じられたが、エルピーダメモリ社はWeb上で婉曲的に否定していた。

しかし実際には申請を行っており、2009年6月30日にはエルピーダメモリは産業活力再生特別措置法に基づく第一号案件となった。これにより日本政策投資銀行が第三者割当増資の形でエルピーダメモリに対して、2009年8月に第1弾として300億円を出資する。詳細は調整中というものの、第2弾として200億円の追加投入の可能性も示唆している。

出典