半导体存储的基础知识

上周，我给大家仔细介绍了HDD硬盘、软盘和光盘的发展史(链接)。

大家应该都注意到了，在我们的日常生活中，其实远远不止上面三种存储介质。

我们经常使用的U盘、TF卡、SD卡，还有电脑上使用的DDR内存、SSD硬盘，都属于另外一种存储技术。

这种技术，我们称之为“半导体存储”。

今天，小枣君就重点给大家讲讲这方面的知识。

半导体存储的分类

现代存储技术，概括来看，就分为三大部分，分别是磁性存储、光学存储以及半导体存储。

半导体存储器，简而言之，就是以“半导体集成电路”作为存储媒介的存储器。

大家如果拆开自己的U盘或SSD硬盘，就会发现里面都是PCB电路板，以及各自各样的芯片及元器件。其中有一类芯片，就是专门存储数据的，有时候也称“存储芯片”。

SSD硬盘的构造

相比传统磁盘(例如HDD硬盘)，半导体存储器的重量更轻，体积更小，读写速度更快。当然了，价格也更贵。

这些年，整个社会对芯片半导体行业的关注度很高。但是，大家主要关注的其实是CPU、GPU、手机SoC等计算类芯片。

殊不知，半导体存储器也是整个半导体产业的核心支柱之一。2021年，全球半导体存储器的市场规模为1538亿美元，占整个集成电路市场规模的33%，也就是三分之一。

2022年全球半导体主要品类占比情况

存储器有所下降，但仍有26%

半导体存储器也是一个大类，它还可以进一步划分，主要分为：易失性(VM)存储器与非易失性(NVM)存储器。

顾名思义，电路断电后，易失性存储器无法保留数据，非易失性存储器可以保留数据。

这个其实比较好理解。学过计算机基础知识的童鞋应该还记得，存储分为内存和外存。

内存以前也叫运行内存(运存)，计算机通电后，配合CPU等进行工作。断电后，数据就没有了，属于易失性(VM)存储器。

而外存呢，也就是硬盘，存放了大量的数据文件。当计算机关机后，只要你执行了保存(写入)操作，数据就会继续存在，属于非易失性(NVM)存储器。

请大家注意：现在很多资料也将半导体存储器分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)，大家应该很耳熟吧?

ROM只读存储器：很好理解，可以读取，不可以写入。

RAM随机存取存储器：指的是它可以“随机地从存储器的任意存储单元读取或写入数据”，这是相对传统磁存储必须“顺序存取(Sequential Access)”而言的。

有些人认为，易失性存储器就是RAM，非易失性存储器就是ROM。其实，这是不严谨的，原因待会会讲。

易失性存储器(VM)

在过去几十年内，易失性存储器没有特别大的变化，主要分为DRAM(动态随机存取存储器，Dynamic RAM)和SRAM(静态随机存取存储器，Static RAM)。

DRAM

DRAM由许多重复的位元格(Bit Cell)组成，每一个基本单元由一个电容和一个晶体管构成(又称1T1C结构)。电容中存储电荷量的多寡，用于表示“0”和“1”。而晶体管，则用来控制电容的充放电。

图片来源：Lam Research

由于电容会存在漏电现象。所以，必须在数据改变或断电前，进行周期性“动态”充电，保持电势。否则，就会丢失数据。

因此，DRAM才被称为“动态”随机存储器。

DRAM一直是计算机、手机内存的主流方案。计算机的内存条(DDR)、显卡的显存(GDDR)、手机的运行内存(LPDDR)，都是DRAM的一种。(DDR基本是指DDR SDRAM，双倍速率同步动态随机存储器。)

值得一提的是，显存这边，除了GDDR之外，还有一种新型显存，叫做HBM(High Bandwidth Memory)。它是将很多DDR芯片堆叠后，与GPU封装在一起构成的(外观上看不到显存颗粒了)。

SRAM

SRAM大家可能比较陌生。其实，它就是我们CPU缓存所使用的技术。

SRAM的架构，比DRAM复杂很多。

SRAM的基本单元，则最少由6管晶体管组成：4个场效应管(M1, M2, M3, M4)构成两个交叉耦合的反相器，2个场效应管(M5, M6)用于读写的位线(Bit Line)的控制开关，通过这些场效应管构成一个锁存器(触发器)，并在通电时锁住二进制数0和1。

因此，SRAM被称为“静态随机存储器”。

SRAM存储单元

SRAM不需要定期刷新，响应速度快，但功耗大、集成度低、价格昂贵。

所以，它主要用于CPU的主缓存以及辅助缓存。此外，还会用在FPGA内。它的市场占比一直都比较低，存在感比较弱。

非易失性存储器(NVM)

接下来，再看看非易失性存储器产品。

非易失性存储器产品的技术路线，就比较多了。最早期的，就是前面所说的ROM。

最老式的ROM，那是“真正”的ROM——完全只读，出厂的时候，存储内容就已经写死了，无法做任何修改。

这种ROM，灵活性很差，万一有内容写错了，也没办法纠正，只能废弃。

掩模型只读存储器(MASK ROM)，就是上面这种ROM的代表。说白了，就是直接用掩膜工艺，把信息“刻”进存储器里面，让用户无法更改，适合早期的批量生产。

后来，专家们发明了PROM(Programmable ROM，可编程ROM)。这种ROM一般只可以编程一次。出厂时，所有存储单元皆为1。通过专用的设备，以电流或光照(紫外线)的方式，熔断熔丝，可以达到改写数据的效果。

PROM的灵活性，比ROM更高一些，但还是不够。最好是能够对数据进行修改，于是，就有专家发明了EPROM(Erasable Programmable，可擦除可编程ROM)。

擦除的方式，可以是光，也可以是电。电更方便一点，采用电进行擦除的，就叫做EEPROM(电可擦除可编程EEPROM)。

EEPROM是以Byte为最小修改单位的。也就是说，可以往每个bit中写0或者1，就是按“bit”读写，不必将内容全部擦除后再写。它的擦除操作，也是以“bit”为单位，速度还是太慢了。

上世纪80年代，日本东芝的技术专家——舛冈富士雄，发明了一种全新的、能够快速进行擦除操作的存储器，也就是——Flash(闪存)。

舛冈富士雄

Flash在英文里，就是“快速地”的意思。

限于篇幅，FLASH的具体原理我们下次再专门介绍。我们只需要知道，Flash存储是以“块”为单位进行擦除的。

常见的块大小为128KB和256KB。1KB是1024个bit，比起EEPROM按bit擦除，快了几个数量级。

目前，FLASH的主流代表产品也只有两个，即：NOR Flash和NAND Flash。

NOR Flash

NOR Flash属于代码型闪存芯片，其主要特点是芯片内执行(XIP，Execute In Place)，即应用程序不必再把代码读到系统RAM中，而是可以直接在Flash闪存内运行。

所以，NOR Flash适合用来存储代码及部分数据，可靠性高、读取速度快，在中低容量应用时具备性能和成本上的优势。

但是，NOR Flash的写入和擦除速度很慢，而且体积是NAND Flash的两倍，所以用途受到了很多限制，市场占比比较低。

早期的时候，NOR Flash还会用在高端手机上，但是后来，智能机开始引入eMMC后，连这块市场也被排挤了。

近年来，NOR Flash的应用有所回升，市场回暖。低功耗蓝牙模块、TWS耳机、手机触控和指纹、可穿戴设备、汽车电子和工业控制等领域，使用NOR Flash比较多。

NAND Flash

相比之下，NAND Flash的市场占比就大了很多。

NAND Flash属于数据型闪存芯片，可以实现大容量存储。

它以页为单位读写数据，以块为单位擦除数据，故其写入和擦除速度虽比DRAM大约慢3-4个数量级，却也比传统的机械硬盘快3个数量级，被广泛用于eMMC/EMCP、U盘、SSD等市场。

前面提到了eMMC。前几年，这个词还是挺火的。

eMMC

eMMC即嵌入式多媒体卡(embedded Multi Media Card)，它把MMC(多媒体卡)接口、NAND及主控制器都封装在一个小型的BGA芯片中，主要是为了解决NAND品牌差异兼容性等问题，方便厂商快速简化地推出新产品。

而eMCP，是把eMMC与LPDDR封装为一体，进一步减小模块体积，简化电路连接设计。

2011年，UFS(Universal Flash Storage，通用闪存存储)1.0标准诞生。后来，UFS逐渐取代了eMMC，成为智能手机的主流存储方案。当然了，UFS也是基于NAND FLASH的。

这些年主流手机的标配

SSD，大家应该很熟悉了。它基本上都是采用NAND芯片的，目前发展非常迅猛。

SSD内部构造

根据内部电子单元密度的差异，NAND又可以分为SLC(单层存储单元)、MLC(双层存储单元)、TLC(三层存储单元、QLC(四层存储单元)，依次代表每个存储单元存储的数据分别为1位、2位、3位、4位。

由SLC到QLC，存储密度逐步提升，单位比特成本也会随之降低。但相对的，性能、功耗、可靠性与P/E循环(擦写循环次数，即寿命)会下降。

这几年，DIY装机圈围绕SLC/MLC/TLC/QLC的争议比较大。一开始，网友们觉得SSD硬盘的寿命会缩水。后来发现，好像缩水也没那么严重，寿命仍然够用。所以，也就慢慢接受了。

早期的NAND，都是2D NAND。工艺制程进入16nm后，2D NAND的成本急剧上升，平面微缩工艺的难度和成本难以承受。于是，3D NAND出现了。

图片来源：electronics-lab

简单来说，就是从平房到楼房，利用立体堆叠，提升存储器容量，减小2D NAND的工艺压力。

2012 年，三星推出了第一代3D NAND闪存芯片。后来，3D NAND技术不断发展，堆叠层数不断提升，容量也越来越大。

新型存储器(非易失性)

2021年，美国IBM提出“存储级内存〞(SCM, Storage-Class Memory)的概念。IBM认为，SCM能够取代传统硬盘，并对DRAM起到补充作用。

SCM的背后，其实是行业对新型存储器(介质)的探索。

按行业的共识，新型存储器可以结合了DRAM内存的高速存取，以及NAND闪存在关闭电源之后保留数据的特性，打破内存和闪存的界限，使其合二为一，实现更低的功耗，更长的寿命，更快的速度。

目前，新型存储器主要有这么几种：相变存储器(PCM)，阻变存储器(ReRAM/RRAM)，铁电存储器(FeRAM/FRAM)，磁性存储器(MRAM，第二代为STT-RAM)，碳纳米管存储器。

限于篇幅(主要是我也没看懂，太难了)，今天就不逐一介绍了。等将来我研究清楚后，再写专题文章。

结语

汇总一下，小枣君画了一个完整的半导体存储分类图：

上面这个图里，存储器类型很多。但我前面也说了，大家重点看DRAM、NAND Flash和NOR Flash就可以了。因为，在现在的市场上，这三种存储器占了96%以上的市场份额。

其实，所有的存储器，都会基于自己的特性，在市场中找到自己的位置，发挥自己的价值。

一般来说，性能越强的存储器，价格就越贵，会越离计算芯片(CPU/GPU等)越近。性能弱的存储器，可以承担一些对存储时延要求低，写入速度不敏感的需求，降低成本。

计算机系统中的典型存储器层次结构

图片来源：果壳硬科技

半导体存储技术演进的过程，其实一直都受益于摩尔定律，在不断提升性能的同时，降低成本。今后，随着摩尔定律逐渐失效，半导体存储技术将会走向何方，新型存储介质能够崛起?让我们拭目以待。

下一期文章，小枣君将站在历史的角度，详细介绍一下半导体存储的技术演进历程，以及行业格局的风雨变幻。

审核编辑：汤梓红