DRAM是什麼？動態隨機存取記憶體用電容記住資料的原理

生活中的例子：「記憶體16 GB」裡面是什麼

電腦的規格表上，會寫著「記憶體 16 GB DDR5」；手機則寫著「RAM 8 GB」等。這個「記憶體」或「RAM」的真面目，就是DRAM晶片。CPU工作時，它是暫放程式和資料的地方。

桌上型電腦會把幾顆DRAM晶片裝在細長的電路板上，再插進插槽使用。這種板子就是記憶體模組，代表性的形式叫做DIMM。只要改變插的片數，之後就能增加容量。

手機和輕薄筆電，則把DRAM晶片直接焊在電路板上。這樣能節省空間，但之後就不能增加。資料中心的伺服器，裝的DRAM比電腦多得多。AI運算用的晶片（GPU）旁邊，也放著把DRAM堆疊起來的零件。

形狀和位置雖然不同，記住資料的原理都一樣。本文會依序說明這個原理。

原理①：1位元就是「開關」和「容器」一組

DRAM用2個零件，記住一個0或1（1位元）。一個是開關，負責接通或切斷電的通路。這就是電晶體（「電晶體是什麼？」）。

另一個是存電的小容器，這種零件叫做電容器，也常簡稱電容（「電容器是什麼？」）。我們先規定：容器裡存著電就是1，空的就是0。開關切斷時，容器和外面隔開，把電關在裡面。

記住1位元的這一組，叫做「記憶單元」。因為只有2個零件，可以做得非常小。1顆晶片上，排列著數十億個這樣的記憶單元。

打開開關的訊號線，會一起連到橫向排成一排的記憶單元。這條線叫做字元線。對1條字元線送出訊號，那一排的開關就會同時打開。

開關的另一端，接到另一條直向的線。資料就經由這條線，進出記憶單元。這條線叫做位元線。

這個原理是IBM的Robert Dennard在1966年想出來的。現在的DRAM，基本形式也一樣。1970年，Intel推出了產品「1103」。1103每1位元使用3個電晶體，記憶單元的形式稍有不同。即使如此，它仍是第一個能在價格上和磁芯記憶體競爭的半導體記憶體。磁芯記憶體用小小的磁環記住資料，是當時的主流。

原理②：電會漏掉，所以要一直重寫

容器裡的電，即使開關切斷，也會一點一點漏掉。因為開關和容器，都無法完全擋住電。放著不管，記住1的記憶單元，就會變得和0分不出來。

所以DRAM會在內容消失前把它讀出來，再寫回同樣的值。這叫做更新（refresh）。DRAM的「D」是「Dynamic（動態）」的縮寫，表示它需要不停地維護。

重寫的間隔，由制定半導體規格的業界團體JEDEC決定。在DDR4這個世代，85 ℃以下時，要在64毫秒（0.064秒）內，把所有記憶單元各重寫1次。溫度高時漏得更快，所以超過85 ℃就縮短為32毫秒。新的DDR5，即使在85 ℃以下也是32毫秒。

如果一次重寫全部的記憶單元，這段時間內記憶體就不能用。所以在DDR4，CPU端的電路會在64毫秒內，發出8,192次重寫的指令。晶片每收到一次指令，只重寫一部分的記憶單元。指令大約每7.8微秒（1微秒是100萬分之1秒）1次。更新會穿插在平常的讀寫之間進行。

關掉電源，更新也會停止。漏掉的電不會回來，所以內容遲早會消失。這就是DRAM關掉電源就會失去內容的原因。

原理③：一讀取內容就會減少，由感測放大器寫回

記憶單元的容器非常小，能存的電極少。另一方面，位元線是連接許多記憶單元的長線。開關一打開，容器的電就會散到位元線上而被稀釋。線上的電壓，只會變動一點點。

所以在讀取前，要先把位元線調到0和1正中間的電壓。這個準備叫做預充電。記憶單元是1時，電壓會稍微上升；是0時，會稍微下降。

有一種電路，能分辨這微小的升降，並放大成清楚的0或1的電壓。這叫做感測放大器。名稱的意思是「感測（sense）並放大（amplify）」。

散到位元線上的電，不會自己回到容器裡。也就是說，DRAM是一讀取內容就會被破壞的記憶體。不過，感測放大器確定下來的值，會直接經由位元線寫回容器。讀取的同時，也完成了重寫。更新也是利用這個機制。

這裡為了簡化，省略了感測放大器內部的電路。重點是它的任務：「分辨微小的差異並放大，順便寫回去」。

原理④：用列和行決定位置，「隨機存取」的意思

晶片裡的記憶單元，像棋盤的格子一樣縱橫排列。橫的一排叫做「列」（row），直的一排叫做「行」（column）。想讀的位置，用「第幾列第幾行」的號碼指定。

讀取時，先用字元線選出1列。這叫做「開啟一列」。這時，那一列的記憶單元會全部經由各自的位元線，讀到感測放大器裡。接著再用行的號碼，從中只把需要的部分送到外面。以美光（Micron）的DDR4晶片為例，1列有8,192位元（1 KB）。

只要在開啟的列裡面，改變行就能連續快速讀取。要換到別的列時，必須先關閉現在的列，重新對位元線預充電，再開啟新的列。等待時間就會因此變長。

RAM是「Random Access Memory（隨機存取記憶體）」的縮寫。這裡的「隨機」，不是亂七八糟的意思。而是不論哪個號碼的位置，都不必依序經過，就能直接讀寫。這個名稱是和磁帶等裝置相比而來的。磁帶必須從頭依序轉過去，才能到達目標位置。

不過如上所述，同一列連續讀取時快，跨列時就慢。要注意，它並不是「任何位置都完全一樣快」的意思。

1顆晶片裡，裝了好幾組這樣的棋盤格子。能各自獨立動作的1組，叫做記憶體庫（bank）。某個記憶體庫開啟一列時，可以在別的記憶體庫準備下一步，因此能把等待時間藏起來。

DRAM、SRAM、快閃記憶體的差異

半導體記憶體除了DRAM，還有其他代表性的種類。CPU裡有存放常用資料副本的快取，用的是SRAM（「快取記憶體的原理」）。手機的儲存空間和SSD，則使用快閃記憶體。

SRAM通常用6個電晶體的電路記住1位元。只要通著電就能保住值，所以不需要更新。它的速度快，但每1位元占的面積大，不適合做成大容量。

快閃記憶體是把電子關在不導電的膜包住的小室裡，來記住資料。關掉電源也不會消失，但讀寫比DRAM慢得多，覆寫次數也有上限（「SSD與快閃記憶體的原理」）。

等待時間是從CPU來看的大約參考值（1奈秒是10億分之1秒）。SRAM以CPU裡的快取為例，快閃記憶體以SSD等常見的晶片為例，會依產品而不同。3者擅長的事不同，所以電腦會組合使用。想用表格詳細比較，可以看「DRAM與SRAM的差異」和「DRAM與NAND快閃記憶體的差異」。

DDR與LPDDR：世代名稱的看法

電腦和伺服器的DRAM，依照和CPU交換資料的方式規定，分成不同世代。現在的標準方式是DDR SDRAM。規格表上的「DDR5」，意思是它的第5個世代。

DRAM和CPU會配合以固定節奏發出的訊號，來傳送資料。這個訊號叫做「時脈」。DDR是「Double Data Rate（雙倍資料速率）」的縮寫。訊號的波在上升和下降時都會傳送資料，所以1次訊號能傳2次。

下表是JEDEC發表各世代規格的時間，以及1條資料線的速度。MT/s是「每秒傳送100萬次」的單位，3,200 MT/s就是每秒32億次。

速度是各規格最初訂定的範圍（DDR5包含了後來的修訂）。DDR3之前，還有DDR和DDR2的世代。世代一換，插槽的形狀和電氣規定都會改變，所以DDR5不能插進DDR4的插槽。

手機和輕薄筆電使用的是LPDDR，這是為了少用電而改良的DRAM。LP是「Low Power（低功耗）」的縮寫。它會降低電壓，或讓沒在用的部分細分開來休息。2025年7月，JEDEC發表了新一代的LPDDR6。

繪圖用的GDDR，以及把晶片堆疊起來的HBM，裡面也是DRAM。不同的是晶片的排列方式，以及和CPU、GPU的連接方式。HBM在「HBM是什麼？」有詳細說明。

誰在製造？DRAM的廠商

全世界能大量生產DRAM的公司，只有極少數。調查公司TrendForce統計了2026年第2季（4～6月）的營收市占率。第1名是韓國的三星（Samsung），占39.4%。第2名是韓國的SK海力士（SK hynix），占24.9%。第3名是美國的美光，占23.3%。3家合計約占9成。

排名會隨價格的變動，以及AI用HBM的銷售情況而互換。同樣根據TrendForce的調查，2025年第1季（1～3月），是SK海力士超越三星，成為第1名。在新聞上看到市占率時，要確認是什麼時候、由誰調查的。

DRAM也和日本有關。日本的DRAM廠商爾必達記憶體（Elpida），在2013年被美光收購。當時，位於日本廣島的DRAM工廠，也成為美光的工廠。

常見的誤解

從數字來看

這顆晶片每個行號，一次存取8位元。把8 Gb（gigabit）晶片的數字乘起來，是8,589,934,592位元。這是把2連乘33次得到的數，記憶體的「8 Gb」就是用這種算法。8位元是1位元組，所以把8顆這種晶片排在一起，就是8 GB的記憶體。

DDR5的1片記憶體，資料線合計有64條（相當於8位元組）。DDR5-6400是每條線每秒傳送64億次（6,400 MT/s）的產品。8位元組乘以64億，就是每秒51.2 GB。這是理論上的最大值，實際能用的量會少一些。

進一步學習

• 用表格看差異：「DDR4與DDR5的差異」、「DDR、LPDDR、GDDR、HBM的差異」
• 用數字試試看：「記憶體頻寬計算器」（可以從線的條數和速度，算出能搬的量）
• 下一步的用語：1T1C單元（DRAM記憶單元的正式名稱）、列鎚攻擊（Rowhammer，多次開啟同一列，相鄰列的內容就會改變的現象）
• 更進一步的用語：CAS延遲（指定行之後，到資料出來為止的等待時間）、ECC（找出錯誤並更正的機制）、3D DRAM（把記憶單元垂直堆疊的研究）
• 用圖來看：用電路圖符號畫的DRAM記憶單元圖，在圖解的一覽中
• 相關文章：「AI為什麼要用GPU？」（記憶體速度拖慢運算的話題）