关于“随机存取存储器（RAM）”的基础知识详解；

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一提到“存储器”，相信很多朋友都会想到计算机。是的，在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。存储器是用来存储程序和数据的部件，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器，主存储器又称内存储器(简称内存)，辅助存储器又称外存储器(简称外存)。外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。内存指的就是主板上的存储部件，是CPU直接与之沟通，并用其存储数据的部件，存放当前正在使用(即执行中)的数据和程序，它的物理实质就是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路，内存只用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据就会丢失。

其中，在计算机中，RAM 、ROM都是数据存储器。RAM 是随机存取存储器，它的特点是易挥发性，即掉电失忆。ROM 通常指固化存储器(一次写入，反复读取)，它的特点与RAM 相反。举个例子来说也就是，如果突然停电或者没有保存就关闭了文件，那么ROM可以随机保存之前没有储存的文件但是RAM会使之前没有保存的文件消失。所以，本章节要跟大家分享的就是关于“随机存取存储器（RAM）”相关的内容，如有不对或是遗漏之处，还希望大家多多批评指正。

一、随机存取存储器（RAM）的概述

随机存取存储器，英文全称：Random Access Memory，简称RAM，也叫主存。是计算机和其他电子设备中用于存储数据的一种半导体存储器。它允许数据在任何时间被读取或写入，因此被称为“随机存取”。RAM是计算机运行时的主要存储器，因为它提供了快速的数据访问速度，这对于执行程序和处理数据至关重要。

同时，它还可以随时读写(刷新时除外)，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入(存入)或读出(取出)信息。它与ROM的最大区别是数据的易失性，即一旦断电所存储的数据将随之丢失。RAM在计算机和数字系统中用来暂时存储程序、数据和中间结果。

二、随机存取存储器（RAM）的特点

1、快速访问速度

RAM的访问时间非常短，通常在纳秒级别，这使得它能够快速响应CPU的指令和数据请求。

2、易失性

RAM是一种易失性存储器，这意味着一旦断电，存储在其中的数据就会丢失。这与硬盘驱动器（HDD）或固态驱动器（SSD）等非易失性存储器形成对比。

3、随机存取能力

与顺序存取存储器（如磁带）不同，RAM允许随机存取，即可以直接访问存储器中的任何位置，而无需先读取前面的数据。

4、动态和静态之分

RAM可以分为动态RAM（DRAM）和静态RAM（SRAM）。DRAM需要定期刷新电荷以保持数据，而SRAM不需要刷新，因此速度更快，但成本也更高。

5、容量

RAM的容量可以从几百KB到数GB不等，取决于应用的需求和成本考虑。

6、成本

与其他类型的存储器相比，RAM的成本相对较高，尤其是对于大容量的RAM。

7、可扩展性

RAM可以通过添加更多的内存模块来扩展容量。

8、多任务处理

RAM允许计算机同时运行多个程序，因为它可以存储多个程序的数据。

9、数据完整性

RAM在正常使用条件下不会发生数据损坏，除非发生硬件故障。

10、与CPU的直接交互

RAM直接与CPU交互，因此它的速度对于整个系统的运行速度至关重要。

三、随机存取存储器（RAM）的组成部分

随机存取存储器（RAM）由存储矩阵、地址译码器、读/写控制器、输入/输出、片选控制等几部分组成：

1、存储矩阵

随机存取存储器（RAM）的核心部分是一个寄存器矩阵，用来存储信息，称为存储矩阵。

2、地址译码器

地址译码器的作用是将寄存器地址所对应的二进制数译成有效的行选信号和列选信号，从而选中该存储单元。

3、读/写控制器

访问随机存取存储器（RAM）时，对被选中的寄存器进行读操作还是进行写操作，是通过读写信号来进行控制的。读操作时，被选中单元的数据经数据线、输入/输出线传送给CPU(中央处理单元);写操作时，CPU将数据经输入/输出线、数据线存入被选中单元。

4、输入/输出

随机存取存储器（RAM）通过输入/输岀端与计算机的CPU交换数据，读出时它是输岀端，写入时它是输入端，一线两用。由读/写控制线控制。输入/输出端数据线的条数，与一个地址中所对应的寄存器位数相同，也有的随机存取存储器（RAM）芯片的输入/输出端是分开的。通常随机存取存储器（RAM）的输出端都具有集电极开路或三态输出结构。

5、片选控制

由于受随机存取存储器（RAM）的集成度限制。一台计算机的存储器系统往往由许多随机存取存储器（RAM）组合而成。CPU访问存储器时，一次只能访问随机存取存储器（RAM）中的某一片(或几片)，即存储器中只有一片(或几片)随机存取存储器（RAM）中的一个地址接受CPU访问，与其交换信息，而其他片随机存取存储器（RAM）与CPU不发生联系，片选就是用来实现这种控制的。通常一片随机存取存储器（RAM）有一根或几根片选线，当某一片的片选线接入有效电平时，该片被选中，地址译码器的输出信号控制该片某个地址的寄存器与CPU接通;当片选线接入无效电平时，则该片与CPU之间处于断开状态。

四、随机存取存储器（RAM）的类型

1、动态随机存取存储器（DRAM）

a.DRAM的介绍

内存是计算机运行的基础。当与CPU结合使用时，可以运行指令集（程序）和存储工作数据。随机存取存储器（RAM）是众所周知的存储器类型，因为它能够以大致相同的时间延迟访问存储器中的任何位置。动态随机存取存储器（DRAM）是一种特定类型的随机存取存储器，它允许以较低的成本获得更高的密度。笔记本电脑和台式机中的内存模块使用DRAM。

b.工作原理

DRAM使用电容存储数据，每个单元由一个晶体管和一个电容组成。由于电容会逐渐放电，因此需要定期刷新。

其实，DRAM是由RobertDennard于1966年在IBM发明，其工作原理与其他类型的内存大不相同。DRAM中的基本存储单元由两个元件组成：晶体管和电容器。当需要将一个位放入存储器时，晶体管用于对电容器充电或放电。充电电容表示逻辑高或“1”，而放电电容表示逻辑低或“0”。充电/放电通过字线和位线完成，如下图所示：

在读或写期间，字线变高，晶体管将电容器连接到位线。位线上的任何值（“1”或“0”）都会从电容器中存储或检索。存储在每个电容器上的电荷太小而无法直接读取，而是由称为感测放大器的电路测量。传感器放大器检测电荷的微小差异并输出相应的逻辑电平。从位线读取的动作迫使电荷流出电容器。因此，在DRAM中，读取是破坏性的。为了解决这个问题，需要进行一种称为预充电的操作，将从位线读取的值放回电容器中。

同样有问题的是，随着时间的推移，电容器会泄漏电荷。因此，为了保持存储在内存中的数据，必须定期刷新电容器。刷新就像读取一样，确保数据永不丢失。这就是DRAM从DRAM单元上的电荷获得“动态”名称的地方，每隔一段时间就会动态刷新一次。与SRAM（静态RAM）形成对比，后者不需要刷新就可以保持其状态。

c.应用

由于成本较低，DRAM广泛应用于个人电脑、服务器和大多数需要大容量内存的设备中。

d.刷新机制

DRAM需要定期刷新，以防止数据丢失。

2、静态随机存取存储器（SRAM）

a.工作原理

SRAM使用触发器（通常是双稳态电路）存储数据，不需要刷新。

b.应用

SRAM通常用于高速缓存（如CPU缓存）和某些嵌入式系统中，因为它的访问速度比DRAM快。

c.成本

SRAM的成本比DRAM高，因为它的制造过程更复杂。

3、同步动态随机存取存储器（SDRAM）

a.工作原理

SDRAM是一种改进的DRAM，它通过同步时钟信号与系统总线同步，以提高数据传输速度。

b.应用

SDRAM曾广泛用于个人电脑和服务器，但随着DDR RAM的出现，SDRAM的使用逐渐减少。

4、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（DDR SDRAM）

a.工作原理

DDR SDRAM在每个时钟周期内传输两次数据，从而实现双倍的数据传输速率。

b.应用

DDR SDRAM及其后续版本（如DDR2、DDR3、DDR4）是目前个人电脑和服务器中使用最广泛的RAM类型。

5、图形随机存取存储器（VRAM）

a.工作原理

VRAM是一种特殊类型的DRAM，它具有双端口访问能力，允许同时进行数据读取和写入。

b.应用

VRAM主要用于图形处理，如图形卡和视频处理设备。

6、WRAM（Windows RAM）

a.工作原理

WRAM是一种特殊类型的RAM，它结合了DRAM和SRAM的特点，用于特定应用，如便携式设备的内存。

b.应用

WRAM因其低功耗和快速访问速度，适用于需要长时间电池供电的设备。

五、随机存取存储器（RAM）应用知识分享

以下是本章节主要跟大家分享的关于随机存取存储器（RAM）应用方面的内容：

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六、主流存储器技术的发展现状

半导体存储器可以简单分成易失性存储器和非易失性存储器，易失存储器在过去的几十年里没有特别大的变化，依然是以静态随机存取存储器SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)为主，非易失存储器反而不断有新的技术出来。除了主流的电荷捕获(charge trap)存储器外，还有铁电存储器(FRAM)、相变存储器(PRAM)、磁存储器(MRAM)和阻变存储器(RRAM)

铁电存储器与DRAM类似，是基于电荷存储机制，传统的铁电存储器由于存在微缩化的问题，仅仅在0.13um节点以上，在RFID、汽车电子等小众市场(niche market)上实现了产品化。

新型的非易失存储器PRAM、MRAM和RRAM主要通过器件电阻的变化来存储信息。

主流的存储器最重要市场份额有两大类DRAM和NAND闪存。图1给出了其市场的分布，目前DRAM行业基本上被三星、海力士和美光三家垄断，大概占了全球市场的95%，NAND市场的垄断情况更为严重，三星、东芝/闪迪、美光、海力士几乎垄断了整个NAND市场，占了全球市场的99.2%。

从技术的角度来看，DRAM发展过程中研究者也做了很多其他尝试，例如尝试capacitorlessDRAM，但遗憾的是都没有成功，目前DRAM依然是一个选通晶体管加一个Capacitor的结构。

在不断微缩的过程中，选通晶体管可以像逻辑工艺一样做，但Capacitor做起来非常难，所以DRAM现在到了1Xnm向1Ynm转变的过程遇到了非常大的挑战。目前，大容量、高带宽、低功耗、低成本，是DRAM发展的一个趋势，可以考虑从模块封装的角度做一些工作。国内整体长期以来没有在存储器里做太多的投入，但也有个别企业通过装机和试产阶段，均在平稳发展中。

所以，目前来说，NAND技术发展现状主要有以下两个方面:

1、2DNAND工艺已经迈入1znm阶段，三星14 nm、东芝12 nm、SK海力士13 nm、美光15nm已于2015年宣布量产;

2、由于2D NAND缩放受限，自2014年开始，3D NAND技术进入市场，目前Samsung和WD/Sandisk均已量产64层/512Gb的3DNAND，计划量产96层3D NAND。

七、新型存储器技术的发展现状

1、磁存储器(MRAM)

所有的新型存储器都是从凝聚态物理基础研究演变而来。MRAM(magnetic random accessmemory)最早是由巨磁阻效应发展而来，磁科学家研究发现可以在很薄的一个磁性隧道结里展现出磁阻效应，并且在很小的磁场下会有一个巨大的电阻变化。基本原理如图示:这是一个固定层，自旋方向是固定的，中间是遂穿层，如果自由层的自旋方向与固定层一致，整个隧道结磁阻就比较小，反之磁阻就大，外加电场撤掉后，状态依然维持，所以可以用于非易失存储。磁存储器有其他存储器无法抗衡的优点，疲劳特性好、速度快，当然也存在一些问题，例如传统的MRAM需要一个特别大的磁场。由磁场驱动转向更高性能的电流驱动(STT-MRAM)，临界电流密度和功耗仍需进一步降低，电控磁化反转是目前研究热点。目前全球工业界给予MRAM很多关注，美国、欧洲、日本和韩国等政府及公司巨资投入开发，并依靠工艺突破保持技术领先，包括IBM.Seagate、WD、Headway、TDK、 Toshiba.Samsung、Honeywell、Sony、Toshiba等公司。

2、相变存储器:(PRAM)

相变存储器(phase-change random accessmemo，PRAM)，是一种新兴的非易失性存储器技术。相变存储材料在加热的情况下可以在晶态和非晶态之间转变，实现在高阻态和低阻态的可逆转变工业界对该项技术也投入了很大的力量，但非常遗憾，在平面的独立式存储上没有获得成功。2015年Intel和美光推出的3D Xpoint技术，为PRAM的量产带来了新的生机，被誉为20年来存储器领域革命性的新技术，揭开了存储器层次架构演变的新篇章，对于计算机系统的重构与优化具有深远的影响。与DRAM相比，3D X-point不需要刷新，另外DRAM的读取过程是破坏性的，电荷会丢失，在读操作后需要重新写入数据，但3D X-point不需要，虽然速度慢一些，但比NAND快很多，同时它的密度又比DRAM大，几乎可以与NAND相抗衡:

遗憾的是，3D X-point采用是平面堆叠的方式，不像3D NAND的垂直堆叠架构，与之带来的就是高成本，这也是3D X-point技术进一步发展的局限性。另外，相变材料基本的原理，就是要在热的作用下发生晶态和非晶态的转变，所以它对温度非常敏感，在高温环境中的可靠性问题是一个挑战。

3、阻变式存储器(RRAM)

有关阻变式存储器(resistive random accessmemory，RRAM)的第一篇论文也很早，JAP上有一篇文章是关于所谓电阻效应的工作，但并没有引起多少关注，因为跟巨磁阻效应相比，它的物理重要性并没有那么大。但在2000年的时候，休斯公司把一个专利卖给了夏普公司，由此引发RRAM研究热潮随后学术界和工业界都在这方面开展了广泛的研究工作，RRAM技术得到了快速发展，

同时RRAM作为嵌入式存储器已经在一些领域得到应用，特别是到22 nm节点以后，eFlash在嵌入式应用面临挑战，基于后段工艺集成的新型存储器RRAM、MRAM将成为嵌入式存储的主要技术方案。台积电2017年就宣布，2019年开始在嵌入式应用里，RRAM和MRAM都将试产。

目前来看，这两个技术(MRAM、RRAM)在嵌入式应用里的相对来说更有可能进入量产。新型存储器现在可能还找不到能够像当年的3D NAND或NAND的应用场景，但的确他们有各自的优势和势找到自己的应用。

八、非易失（Non-Volatile）存储器发展趋势

传统的闪存技术获得巨大成功，但随着器件尺寸的不断缩小，遂穿层厚度难以同步减小。如下图所示，未来非易失存储器有以下两种不同的技术发展路线：

1、将导电的多晶硅存储层换成分布式的存储介质，这样可以降低对阻挡层厚度的要求，能够把电子禁锢在存储层里，这种技术叫电荷俘获存储。

2、抛弃原有结构，采用两端器件作为基本存储单元。

而在集成架构方面，独立式存储如果无法实现三维集成，集成密度将无法提升。电荷俘获存储器是3D NAND的基础器件，实现了三维集成。同样的道理，新型存储器如何无法实现三维集成将很难在独立市场上得到应用，三维集成是高密度存储器发展的主要方向。

九、磁阻随机存取存储器（MRAM）的介绍

其实在本章节讲到“磁阻随机存取存储器（MRAM）”是属于一个题外话，但因为上面讲到非易失性（Non-Volatile）存储，所以就不得不讲到这个了。

因为伴随着物联网、人工智能等应用的兴起，存储器也面临着革新。传统的DRAM受限于EUV的发展，平面NAND也面临着微缩的限制，而最终采取垂直方向上朝着3D方向发展。在传统存储技术接受挑战的过程中，类似于MRAM等新型存储技术也开始逐渐在市场上崭露头角。

据相关资料介绍，磁阻随机存取存储器MRAM（Magnetic Random Access Memory） 是一种非易失性（Non-Volatile）的磁性随机存储器。MRAM拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

与传统的RAM技术不同，MRAM不以电荷或电流存储数据，而是由磁性隧道结MTJ （Magnetic tunnel junction）磁性存储数据。MTJ 是MRAM的基本存储单元，其核心部分是由两个铁磁金属层（典型厚度为1~2.5nm）夹着一个隧穿势垒层（绝缘材料，典型厚度为1~1.5nm）构成类似于三明治结构的纳米多层膜。其中一个铁磁层被称为参考层或固定层，它的磁化沿易磁化轴方向固定不变。另一个铁磁层被称为自由层，它的磁化有两个稳定的取向，分别与参考层平行或反平行。

MRAM中记忆单元MTJ则是由多层的磁性、氧化物、金属等薄膜所构成。MTJ产生记忆单元所需磁矩的物理特性，则是由磁性薄膜与氧化层的界面效应所决定，MTJ的元件表现深受薄膜质量所影响。

对于MTJ薄膜的研究可追溯至1975年，当年，法国学者Julliere在低温下成功观测到隧穿磁阻效应（自由层的取向将使磁隧道结处于低阻态或高阻态，该现象被称为隧穿磁阻效应），但在当时并未引起较多的关注，此后的研究进展也极其缓慢，原因是当时的工艺水平难以制备出高质量的纳米薄膜。

而今，伴随着人工智能的应用，使得存储技术需要更进步一发展。在非易失性存储器、逻辑电路和神经形态计算等应用驱动下，存储器得到了广泛的研究，MRAM也是未来存储发展的方向之一。而在这个过程中，高质量薄膜的制备又重新被人们所重视。

在这当中，氧化物半导体薄膜充当了重要角色。为什么要掺杂氧化物？氧化物半导体材料的平衡组成因氧的压力改变而改变，氧原子浓度决定其导电的类型。由于金属和氧之间的负电性差别较大，化学键离子性成分较强，破坏这样一个离子键要比共价键容易，使它含有的点缺陷浓度较大，所以化学计量比偏离对材料的电学性质影响也大。如化学计量比偏离缺氧时（或金属过剩时），则此氧化物半导体材料即呈现n型，此时氧空位或间隙金属离子形成施主能级而提供电子，属于此类半导体材料的有ZnO、CdO、TiO2、Al2O3、SnO等。

正离子n-p对在氧化物中的磁化机理可解释为，两个磁性掺杂剂可以在氧空位周围稳定，并且被铁磁耦合以形成局部磁极化子。 此外，电子掺杂起到双重作用，即进一步增强局部极化子的铁磁稳定性，并介导两个极化子之间的非局域磁耦合。

以阳离子负离子n-p（V-N）共掺杂ZnO薄膜为例，V4 +和V5 +共存是n型掺杂剂以取代Zn2 +，N3-作为p型掺杂剂代替O2-。这是在氧化物中固定的非常有效的方法。

十、总结一下

总之，随机存取存储器（RAM）是计算机系统中至关重要的组件之一。它具有快速、可靠和随机访问的特点，并且广泛应用于各种类型的计算机和设备中。

而存储器应用广泛，市场非常庞大，又是国家战略性高技术产业。新的存储技术层出不穷，在新型存储器研究方面，国内的基础研究走在了前列，也希望基础研究的优势能够转化成未来产业发展的优势，抓住存储器技术发展多元化的新机遇及国家大力发展存储器产业的契机，实现突破。兼顾自主创新和国际合作两者要有一个共赢的模式;同时在产业发展的新形势下更要注重原始创新;鼓励原始创新/技术突破，开展共性基础研究为产业自主发展奠定基础。中国最大的优势就是市场需求，面向中国市场需求是创新跨越的新机遇，实现存储器技术的跨越式发展。

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审核编辑 黄宇