内存温度降额：为什么工业级内存高温下性能会下降？

做工业产品的工程师，大概率遇到过这种情况：常温下测试都好好的，一进高温箱跑半小时就出错。查了半天，最后发现是内存扛不住高温。

DRAM对温度的敏感程度，比很多人想象的高。这篇文章讲讲温度到底怎么影响内存，工业级和消费级的区别在哪，设计的时候要怎么留裕量。

一、DRAM是怎么存储数据的？为什么怕热？

先从原理说起。

DRAM的基本单元是一个电容加一个晶体管。电容充电了就是1，放电了就是0。

问题是：电容会漏电。不管你充得多满，电荷总会慢慢跑掉。所以DRAM必须不停刷新——每隔一段时间，把电容里的电读出来、放大、再写回去，不然数据就丢了。

温度越高，漏电越快。

这是半导体的物理特性：温度每升高10℃，漏电流大约翻倍。

漏电流翻倍意味着什么？意味着刷新频率要提高。以前每64ms刷新一次，现在可能要32ms甚至16ms刷新一次。刷新占用的总线时间多了，真正用来读数据的时间就少了，有效带宽就下降了。

更麻烦的是，高温下不只是刷新问题。

第二，高温下数据保持时间变短。

如果系统掉电了，DRAM里的数据理论上还能保持一会儿（因为电容里还有电荷）。温度越高，电荷跑的越快，保持时间就越短。这个参数在有些应用里很重要。

第三，高温下时序裕量变小。

DRAM的工作时序是在常温下定义的。温度升高，芯片内部延迟会变化，建立时间、保持时间的裕量都会变小。本来常温下时序很宽松，高温下可能就刚好踩线。

二、温度每升10℃，失效率翻一倍？

这不是夸张，是半导体可靠性的基本规律——Arrhenius模型。

简单说：半导体器件的失效率，和温度是指数关系。温度每升高10℃，失效率大约翻倍。

什么概念？

假设一颗内存芯片在55℃下，一年的失效率是100ppm。那到了85℃，失效率就可能变成400ppm。到了105℃，可能就是1600ppm。

这就是为什么工业级产品要做全温区筛选——不是常温下测试合格就行，要在整个工作温度范围内都合格。

消费级和工业级的区别，本质上就是"筛选温度范围"的区别。

注意：工业级不是"设计得更好"，而是"筛选得更严"。同一款晶圆，有些颗粒温度特性好，筛出来做工业级；有些一般的，做消费级。成本差别就是筛选成本。

三、高温下内存带宽会降多少？

很多人不知道，高温下不仅稳定性下降，有效带宽也会降。

原因前面说了：刷新频率提高了，占用了更多总线时间。

粗略估算一下：

看到了吗？到了105℃，刷新开销占了15%的总线时间，等于带宽直接打八五折。

如果你设计的时候按常温下的带宽算的余量，高温下可能就不够用了。

做工业级设计，带宽要留多少裕量？

建议：按常温带宽的70~80%做设计目标。也就是说，常温下算出来需要20GB/s的带宽，选芯片的时候要选理论带宽25-30GB/s的，这样高温下还有余量。

四、低温也有坑？别只盯着高温

很多人以为只有高温有问题，其实低温也有坑。

第一，低温下启动更慢。

DRAM在低温下，芯片内部延迟会增加。上电初始化、DDR Training的时间会变长。有些设计比较紧凑的系统，低温下可能启动超时。

第二，低温下信号质量变化。

PCB走线的阻抗随温度变化，芯片内部的驱动强度也随温度变化。常温下调好的DDR参数，低温下可能就不那么好了。

这就是为什么工业级内存要做-40℃的冷启动测试——不是只测高温就行。

五、设计时怎么留裕量？

总结几个实操建议：

我们做汉四ROCFOUR的工业级LPDDR4X的时候，每一颗都要经过全温区100%测试，从-45℃到125℃，高低温循环、高温老化都过一遍才出货。客户拿到手的每一颗，在它标注的温度范围内都是经过验证的，不是靠"标称"。

做工业产品，温度裕量是买不来的，是一颗一颗测出来的。

有内存温度相关的问题，欢迎评论区交流。