第5章DRAM技术的发明
单晶体管DRAM(Dynamic Random Access Memory，动态随机存储器)技术的发明在数年之间极大地改变了人类的生活，并且对全球科技形成一种跨层式的跃进，该项发明对于人类发展造成了极大震撼，如图5-1所示。有人说，迄今为止DRAM大概是在人造的高科技产品中数量最多的单一产品。
图5-1DRAM技术是对人类发展造成极大震撼的发明
半导体产业背后的故事
第5章DRAM技术的发明
DRAM是目前大部分计算机类产品的标准配备，它是与CPU进行沟通的桥梁，是计算机中重要的部件之一。DRAM内存的性能对计算机的影响非常大，每一份数据都被储存在包含晶体管与储存电量的内存中。所有的DRAM基本单元都是由一个晶体管和一个电容器组成，如图5-2所示。
图5-2DRAM的原理电路图
电容器的状态决定了这个DRAM单位的逻辑状态是“1”还是“0”，一个电容器可以存储一定量的电荷。一个充电的电容器在数字电子中被认为是逻辑上的“1”，而“空”的电容器则是“0”。电容器不能持久地保持储存的电荷，所以内存需要不断定时刷新，才能保持暂存的数据。电容器可以由电流来充电，这个电流是有一定限制的，否则会把电容击穿。同时电容的充放电需要一定的时间，虽然这个时间很短，只有大约0.18~0.2μs(微秒)，在这期间，内存是不能执行存取操作的。相关技术资料显示，内存通常需要每64ms(毫秒)刷新一次，这也就意味着内存有1%的时间要用来刷新，而关键在于当对内存单元进行读取操作时保持内存的内容不变，所以DRAM单元每次读取操作之后都要进行刷新： 执行一次回写操作。
单晶体管DRAM的发明简化了原本复杂的电路晶体管设备，并大幅提高了原磁性密度。如果没有发明DRAM，计算机科技可能不会是今天的面貌了，而计算机科技的历史将走向另一个轨迹。
罗伯特·登纳德(Robert Dennard)，世界公认的DRAM之父(见图5-3)。2009年6月，为了表彰登纳德对全球科技产业所做出的杰出贡献，美国电气和电子工程师协会(IEEE)向76岁的登纳德颁发终身成就荣誉勋章。有媒体随之评论道： “这才是真正的产业英雄，在此，除了送上我们深深的敬意之外，只有四个字可以形容，那就是——实至名归！”
图5-3罗伯特·登纳德是世界公认的DRAM之父
与“摩尔定律”(Moores Law)提出者、英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)相比，登纳德并不太为全球公众所熟悉。但在全球技术研发领域，摩尔和登纳德两人都是备受尊敬的杰出科学家。
所谓摩尔定律，是指摩尔1965年所提出有关半导体技术发展的预言，即认为每隔18~24个月，芯片上的晶体管数量将增加一倍。而登纳德本人则是DRAM内存技术的发明人，他于20世纪60年代末发明了单晶体管DRAM内存技术，70年代中期，他又提出了著名的“标度理论”(scaling theory)，如图5-4所示。该理论阐述了如何不断缩小晶体管尺寸的原理，使科技产业能够持续开发出体积更小、处理速度更快、价格更为低廉的芯片。正因为如此，科技界在谈论“摩尔定律”时，也会谈及登纳德的“标度理论”。登纳德本人也认为，“标度理论”和摩尔定律可谓“相得益彰”。
图5-420世纪70年代中期，登纳德提出了著名的“标度理论”
每当有人问起登纳德是如何发明单晶体管DRAM的时候，登纳德会分三方面来说明他个人在创新和发明上所采用的步骤。首先，要把发明思路和信息仔细记录下来。在他的个人专利笔记本上，他手写记载着所有关于单晶体管DRAM的发明思路和信息，非常细致的数据记录充分体现出了这位大师严谨的工作作风和踏实的学术精神。
然后，在广泛的领域里启发性地发挥创造性思维，试着找出几条方向来做更进一步的分析，和做实验来找出结果。例如，他想到用单个晶体管和单个电容组合成存储技术，就像一个微型的麦片，每一个极性上存储一个比特 (Bit) 的信息。他在稿纸上勾画出他的革命性思维草图： 单晶体管DRAM电路图，包括每一个放大器、数据线及变极器。接着做实验来验证这些想法。
最后，他总是提醒大家要发挥团队精神，集思广益来创新发明。他常说DRAM技术的发明不仅限于他自己和IBM，应该也包括许许多多的工程师，例如，Intel也发布了3个晶体管的存储技术等，这位大师的谦虚品格，多方探讨和卓越的工作风范为后人树立了好榜样。
年幼的登纳德在靠近得克萨斯州刘易斯安娜地区的一个5000人农场社区长大，那儿没有爱因斯坦婴儿班，没有莫扎特交响乐留声机，那里甚至连电力供应都没有。“我们生活得很好，”他说道，并补充说他后来成功的秘密是在孩童的时候有很多空闲的时间，“我慢慢地并深入地学到了很多知识。”
在那个时候，他对科学和工程完全不感兴趣。“我曾有一架晶体收音机，”他说，“但是我没有去研究它。”他感兴趣的是科学幻想小说，着迷于埃德加·巴勒斯（Edgar Rice Burroughs）和赫伯特·乔治·威尔斯（H.G. Wells）的文学作品，“故事对我的影响很大。”他回忆道。
科幻小说使得他对科学产生了强烈兴趣，一直到在美国南方卫理公会大学(Southern Methodist University，SMU)进入物理系。他非常喜欢物理，特别是在半导体物理表面技术领域，他在那里获得了电机工程硕士学位，之后他决定再修读电机工程博士学位。“这是一个有趣的学科并且某些方面尚未完全得以挖掘，我在物理上有一些优势，比如固体态材料等，”他说，“但是我还是不能完全理解晶体管是如何工作的。” 1958年，他在匹兹堡卡内基理工学院(Pittsburgh’s Carnegie Institute of Technology)
现为卡内基梅隆大学Carnegie Mellon University毕业并获得电机工程博士学位。
我们从登纳德的童年以及青年成长经历中可以看到，登纳德当时并没有进入美国东岸的常春藤学府，也没有进西岸的斯坦福或加州理工大学等名校，而是进了得克萨斯州达拉斯市的南方卫理公会大学。该校的校风一向以注重扎实的学习和鼓励创新的精神为主。再加上登纳德细心钻研和吃苦耐劳的作风，最终获得了令人瞩目的科学成就，这也是我们年轻技术工程人员应当学习和借鉴的地方。无独有偶，登纳德在南方卫理公会大学的一位学弟莫汉·饶博士(Dr. Mohan Rao)在单晶体管DRAM发明不到20年内，也在该技术领域取得了显著的成就。莫汉博士在半导体、集成电路及存储器技术等方面有100多项专利，并在德州仪器公司带领一批精英团队首次设计并研发出了100万位存储单元的DRAM。
毕业后的登纳德踏入IBM公司正在筹建中的Thomas J. Watson研发中心开始他的职业生涯，一开始他在应用研发部门担任主管工程师职务，从事MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)设计及电路应用工作。在1966年秋季的一天，他参加IBM公司的一个内部研究会议，其中一个项目是磁芯存储器产品的商业化项目，磁性环在金属网线上串在一起，在一侧形成一个约30cm的栅格。“实际上，这个不可能有效，”登纳德说，“但是看上去挺不错的。虽然体积大了些，但是它们可以存储较多的比特信息在里面。”
登纳德回到家后一直在考虑是否可以将磁性环替换为小的电容以储存电量。所以，两个月后他几乎每天日夜地工作并试着解决这个问题。“我所做的首先是将单个晶体管和单个电容连在一起，然后可以把电量充入电容再关掉它。”但是如何读它呢？数月后，登纳德终于取得突破性的进展： 一个场效应晶体管和数据线可以同时写入和读取储存在电容器的电量（见图5-5）。
图5-5DRAM的原型器件
“登纳德把标度理论与性能联系了在一起，这和单晶体管DRAM的发明一样重要。”马蒂索（Juri Matisoo）强调说。马蒂索曾于1960年在IBM从事磁性记忆体的工作，后来成为半导体产业协会(Semiconductor Industry Association)的技术副总裁。
登纳德认为，半导体技术将持续演进，并仍有意外突破的空间，但我们会好奇还有多少待发掘。登纳德并未排斥半导体业以外相关领域(如磁性或有机方面与电子的组合)的工程师，以及他们可能为人类所做的贡献。另外，他也不预期以硅为基础的技术将被取代。他反而认为半导体业的成本结构及特性方面将维持在高原(plateau)期，并持续在许多新颖有趣的应用上提供绝佳的发展基础，而这并不是任何新技术可轻易加以挑战或取代的。
至于在硅组件技术规模方面，登纳德预测微电子组件的重点将在系统层次(system-level)性能表现上，可采用大量平行的技术。在这个情形下，以处理器为基础加上内存的技术将扮演极为重要的角色。他说： “不论未来如何，我相信它都会是极为平顺的演变。我们必须牢记在过去三十年的演进中，眼前的路程从未清晰可见。”
1997年，IBM公司的三名科学家罗伯特·登纳德、马克·迪恩（Mark Dean）和丹尼斯·默勒（Dennis Moeller）被列入美国国家发明家名人纪念馆。当时，全美国总共只有137人获此殊荣。
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