區(qū)別于HDD硬盤,、軟盤和光盤,，我們經(jīng)常使用的U盤、TF卡,、SD卡,，還有電腦上使用的DDR內(nèi)存,、SSD硬盤，都屬于另外一種存儲技術(shù),。

　　這種技術(shù),，我們稱之為“半導(dǎo)體存儲”。

　　今天,，小棗君就重點給大家講講這方面的知識,。

　　█ 半導(dǎo)體存儲的分類

　　現(xiàn)代存儲技術(shù)，概括來看,，就分為三大部分,，分別是磁性存儲,、光學(xué)存儲以及半導(dǎo)體存儲,。

　　半導(dǎo)體存儲器，簡而言之,，就是以“半導(dǎo)體集成電路”作為存儲媒介的存儲器,。

　　大家如果拆開自己的U盤或SSD硬盤,，就會發(fā)現(xiàn)里面都是PCB電路板，以及各自各樣的芯片及元器件,。其中有一類芯片,，就是專門存儲數(shù)據(jù)的，有時候也稱“存儲芯片”,。

　　SSD硬盤的構(gòu)造

　　相比傳統(tǒng)磁盤（例如HDD硬盤）,，半導(dǎo)體存儲器的重量更輕，體積更小,，讀寫速度更快,。當(dāng)然了，價格也更貴,。

　　這些年,，整個社會對芯片半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)注度很高。但是,，大家主要關(guān)注的其實是CPU,、GPU、手機SoC等計算類芯片,。

　　殊不知,，半導(dǎo)體存儲器也是整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心支柱之一。2021年,，全球半導(dǎo)體存儲器的市場規(guī)模為1538億美元,，占整個集成電路市場規(guī)模的33%，也就是三分之一,。

　　半導(dǎo)體存儲器也是一個大類,，它還可以進一步劃分，主要分為：易失性（VM）存儲器與非易失性（NVM）存儲器,。

　　顧名思義,，電路斷電后，易失性存儲器無法保留數(shù)據(jù),，非易失性存儲器可以保留數(shù)據(jù),。

　　這個其實比較好理解。學(xué)過計算機基礎(chǔ)知識的童鞋應(yīng)該還記得,，存儲分為內(nèi)存和外存,。

　　內(nèi)存以前也叫運行內(nèi)存（運存），計算機通電后,，配合CPU等進行工作,。斷電后，數(shù)據(jù)就沒有了,，屬于易失性（VM）存儲器,。

　　而外存呢,，也就是硬盤，存放了大量的數(shù)據(jù)文件,。當(dāng)計算機關(guān)機后,，只要你執(zhí)行了保存（寫入）操作，數(shù)據(jù)就會繼續(xù)存在,，屬于非易失性（NVM）存儲器,。

　　請大家注意：現(xiàn)在很多資料也將半導(dǎo)體存儲器分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM），大家應(yīng)該很耳熟吧,？

　　ROM只讀存儲器：很好理解,，可以讀取，不可以寫入,。

　　RAM隨機存取存儲器：指的是它可以“隨機地從存儲器的任意存儲單元讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)”,，這是相對傳統(tǒng)磁存儲必須“順序存取（Sequential Access）”而言的,。

　　有些人認(rèn)為,，易失性存儲器就是RAM，非易失性存儲器就是ROM,。其實,，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模虼龝v,。

　　█ 易失性存儲器（VM）

　　在過去幾十年內(nèi),，易失性存儲器沒有特別大的變化，主要分為DRAM（動態(tài)隨機存取存儲器,，Dynamic RAM）和SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器,，Static RAM）。

　　DRAM

　　DRAM由許多重復(fù)的位元格（Bit Cell）組成,，每一個基本單元由一個電容和一個晶體管構(gòu)成（又稱1T1C結(jié)構(gòu)）,。電容中存儲電荷量的多寡，用于表示“0”和“1”,。而晶體管,，則用來控制電容的充放電。

　　由于電容會存在漏電現(xiàn)象,。所以,，必須在數(shù)據(jù)改變或斷電前，進行周期性“動態(tài)”充電,，保持電勢,。否則，就會丟失數(shù)據(jù),。

　　因此,，DRAM才被稱為“動態(tài)”隨機存儲器,。

　　DRAM一直是計算機,、手機內(nèi)存的主流方案,。計算機的內(nèi)存條（DDR）、顯卡的顯存（GDDR）,、手機的運行內(nèi)存（LPDDR）,，都是DRAM的一種。（DDR基本是指DDR SDRAM,，雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器,。）

　　值得一提的是，顯存這邊,，除了GDDR之外,，還有一種新型顯存，叫做HBM（High Bandwidth Memory）,。它是將很多DDR芯片堆疊后,，與GPU封裝在一起構(gòu)成的（外觀上看不到顯存顆粒了）。

　　SRAM

　　SRAM大家可能比較陌生,。其實,，它就是我們CPU緩存所使用的技術(shù)。

　　SRAM的架構(gòu),，比DRAM復(fù)雜很多,。

　　SRAM的基本單元，則最少由6管晶體管組成：4個場效應(yīng)管（M1, M2, M3, M4）構(gòu)成兩個交叉耦合的反相器,，2個場效應(yīng)管（M5, M6）用于讀寫的位線（Bit Line）的控制開關(guān),，通過這些場效應(yīng)管構(gòu)成一個鎖存器（觸發(fā)器），并在通電時鎖住二進制數(shù)0和1,。

　　因此,，SRAM被稱為“靜態(tài)隨機存儲器”。

　　SRAM不需要定期刷新,，響應(yīng)速度快,，但功耗大、集成度低,、價格昂貴,。

　　所以，它主要用于CPU的主緩存以及輔助緩存,。此外,，還會用在FPGA內(nèi)。它的市場占比一直都比較低,，存在感比較弱,。

　　█ 非易失性存儲器（NVM）

　　接下來,，再看看非易失性存儲器產(chǎn)品。

　　非易失性存儲器產(chǎn)品的技術(shù)路線,，就比較多了,。最早期的，就是前面所說的ROM,。

　　最老式的ROM,，那是“真正”的ROM——完全只讀，出廠的時候,，存儲內(nèi)容就已經(jīng)寫死了,，無法做任何修改。

　　這種ROM,，靈活性很差,，萬一有內(nèi)容寫錯了，也沒辦法糾正,，只能廢棄,。

　　掩模型只讀存儲器（MASK ROM），就是上面這種ROM的代表,。說白了,，就是直接用掩膜工藝，把信息“刻”進存儲器里面,，讓用戶無法更改,，適合早期的批量生產(chǎn)。

　　后來,，專家們發(fā)明了PROM（Programmable ROM,，可編程ROM）。這種ROM一般只可以編程一次,。出廠時,，所有存儲單元皆為1。通過專用的設(shè)備,，以電流或光照（紫外線）的方式,，熔斷熔絲，可以達(dá)到改寫數(shù)據(jù)的效果,。

　　PROM的靈活性,，比ROM更高一些，但還是不夠,。最好是能夠?qū)?shù)據(jù)進行修改,，于是，就有專家發(fā)明了EPROM（Erasable Programmable，可擦除可編程ROM）,。

　　擦除的方式,，可以是光，也可以是電,。電更方便一點,，采用電進行擦除的，就叫做EEPROM（電可擦除可編程EEPROM）,。

　　EEPROM是以Byte為最小修改單位的,。也就是說,，可以往每個bit中寫0或者1,，就是按“bit”讀寫，不必將內(nèi)容全部擦除后再寫,。它的擦除操作,，也是以“bit”為單位，速度還是太慢了,。

　　上世紀(jì)80年代,，日本東芝的技術(shù)專家——舛岡富士雄，發(fā)明了一種全新的,、能夠快速進行擦除操作的存儲器,，也就是——Flash（閃存）。

　　Flash在英文里,，就是“快速地”的意思,。

　　限于篇幅，F(xiàn)LASH的具體原理我們下次再專門介紹,。我們只需要知道,，F(xiàn)lash存儲是以“塊”為單位進行擦除的。

　　常見的塊大小為128KB和256KB,。1KB是1024個bit,，比起EEPROM按bit擦除，快了幾個數(shù)量級,。

　　目前,，F(xiàn)LASH的主流代表產(chǎn)品也只有兩個，即：NOR Flash和NAND Flash,。

　　NOR Flash

　　NOR Flash屬于代碼型閃存芯片,，其主要特點是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，Execute In Place）,，即應(yīng)用程序不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中,，而是可以直接在Flash閃存內(nèi)運行。

　　所以，NOR Flash適合用來存儲代碼及部分?jǐn)?shù)據(jù),，可靠性高,、讀取速度快，在中低容量應(yīng)用時具備性能和成本上的優(yōu)勢,。

　　但是,，NOR Flash的寫入和擦除速度很慢，而且體積是NAND Flash的兩倍,，所以用途受到了很多限制,，市場占比比較低。

　　早期的時候,，NOR Flash還會用在高端手機上,，但是后來，智能機開始引入eMMC后,，連這塊市場也被排擠了,。

　　近年來，NOR Flash的應(yīng)用有所回升,，市場回暖,。低功耗藍(lán)牙模塊、TWS耳機,、手機觸控和指紋,、可穿戴設(shè)備、汽車電子和工業(yè)控制等領(lǐng)域,，使用NOR Flash比較多,。

　　NAND Flash

　　相比之下，NAND Flash的市場占比就大了很多,。

　　NAND Flash屬于數(shù)據(jù)型閃存芯片,，可以實現(xiàn)大容量存儲。

　　它以頁為單位讀寫數(shù)據(jù),，以塊為單位擦除數(shù)據(jù),，故其寫入和擦除速度雖比DRAM大約慢3-4個數(shù)量級，卻也比傳統(tǒng)的機械硬盤快3個數(shù)量級,，被廣泛用于eMMC/EMCP,、U盤、SSD等市場,。

　　前面提到了eMMC,。前幾年，這個詞還是挺火的,。

　　eMMC即嵌入式多媒體卡（embedded Multi Media Card）,，它把MMC（多媒體卡）接口,、NAND及主控制器都封裝在一個小型的BGA芯片中，主要是為了解決NAND品牌差異兼容性等問題,，方便廠商快速簡化地推出新產(chǎn)品,。

　　而eMCP，是把eMMC與LPDDR封裝為一體,，進一步減小模塊體積,，簡化電路連接設(shè)計。

　　2011年,，UFS（Universal Flash Storage,，通用閃存存儲）1.0標(biāo)準(zhǔn)誕生。后來,，UFS逐漸取代了eMMC,，成為智能手機的主流存儲方案。當(dāng)然了,，UFS也是基于NAND FLASH的,。

　　SSD,，大家應(yīng)該很熟悉了,。它基本上都是采用NAND芯片的，目前發(fā)展非常迅猛,。

　　根據(jù)內(nèi)部電子單元密度的差異,，NAND又可以分為SLC（單層存儲單元）、MLC（雙層存儲單元）,、TLC(三層存儲單元,、QLC（四層存儲單元），依次代表每個存儲單元存儲的數(shù)據(jù)分別為1位,、2位,、3位、4位,。

　　由SLC到QLC,，存儲密度逐步提升，單位比特成本也會隨之降低,。但相對的,，性能、功耗,、可靠性與P/E循環(huán)（擦寫循環(huán)次數(shù),，即壽命）會下降。

　　這幾年,，DIY裝機圈圍繞SLC/MLC/TLC/QLC的爭議比較大,。一開始，網(wǎng)友們覺得SSD硬盤的壽命會縮水。后來發(fā)現(xiàn),，好像縮水也沒那么嚴(yán)重,，壽命仍然夠用。所以,，也就慢慢接受了,。

　　早期的NAND，都是2D NAND,。工藝制程進入16nm后,，2D NAND的成本急劇上升，平面微縮工藝的難度和成本難以承受,。于是,，3D NAND出現(xiàn)了。

　　簡單來說,，就是從平房到樓房,，利用立體堆疊，提升存儲器容量,，減小2D NAND的工藝壓力,。

　　2012 年，三星推出了第一代3D NAND閃存芯片,。后來,，3D NAND技術(shù)不斷發(fā)展，堆疊層數(shù)不斷提升,，容量也越來越大,。

　　█ 新型存儲器（非易失性）

　　2021年，美國IBM提出“存儲級內(nèi)存〞（SCM, Storage-Class Memory）的概念,。IBM認(rèn)為,，SCM能夠取代傳統(tǒng)硬盤，并對DRAM起到補充作用,。

　　SCM的背后,，其實是行業(yè)對新型存儲器（介質(zhì)）的探索。

　　按行業(yè)的共識,，新型存儲器可以結(jié)合了DRAM內(nèi)存的高速存取,，以及NAND閃存在關(guān)閉電源之后保留數(shù)據(jù)的特性，打破內(nèi)存和閃存的界限,，使其合二為一,，實現(xiàn)更低的功耗，更長的壽命,，更快的速度,。

　　目前,，新型存儲器主要有這么幾種：相變存儲器（PCM），阻變存儲器（ReRAM/RRAM）,，鐵電存儲器（FeRAM/FRAM）,，磁性存儲器（MRAM，第二代為STT-RAM）,，碳納米管存儲器,。

　　限于篇幅（主要是我也沒看懂，太難了）,，今天就不逐一介紹了,。等將來我研究清楚后，再寫專題文章,。

　　█ 結(jié)語

　　匯總一下,，小棗君畫了一個完整的半導(dǎo)體存儲分類圖：

　　上面這個圖里，存儲器類型很多,。但我前面也說了,，大家重點看DRAM、NAND Flash和NOR Flash就可以了,。因為,，在現(xiàn)在的市場上，這三種存儲器占了96%以上的市場份額,。

　　其實,，所有的存儲器，都會基于自己的特性,，在市場中找到自己的位置，發(fā)揮自己的價值,。

　　一般來說,，性能越強的存儲器，價格就越貴,，會越離計算芯片（CPU/GPU等）越近,。性能弱的存儲器，可以承擔(dān)一些對存儲時延要求低,，寫入速度不敏感的需求,，降低成本。

　　半導(dǎo)體存儲技術(shù)演進的過程,，其實一直都受益于摩爾定律,，在不斷提升性能的同時，降低成本,。今后,，隨著摩爾定律逐漸失效,，半導(dǎo)體存儲技術(shù)將會走向何方，新型存儲介質(zhì)能夠崛起,？讓我們拭目以待,。