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(chǔ)技術(shù),。

　　這種技術(shù)，我們稱之為“半導(dǎo)體存儲(chǔ)”,。

　　今天,，小棗君就重點(diǎn)給大家講講這方面的知識(shí)。

　　█ 半導(dǎo)體存儲(chǔ)的分類

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

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

　　大家如果拆開自己的U盤或SSD硬盤，就會(huì)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(chǔ)數(shù)據(jù)的,，有時(shí)候也稱“存儲(chǔ)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(chǔ)器的重量更輕,，體積更小,，讀寫速度更快。當(dāng)然了,，價(jià)格也更貴,。

　　這些年，整個(gè)社會(huì)對(duì)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(shí)是CPU、GPU,、手機(jī)SoC等計(jì)算類芯片,。

　　殊不知，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器也是整個(gè)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(chǔ)器的市場(chǎng)規(guī)模為1538億美元,，占整個(gè)集成電路市場(chǎng)規(guī)模的33%，也就是三分之一,。

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

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

　　這個(gè)其實(shí)比較好理解。學(xué)過計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的童鞋應(yīng)該還記得,，存儲(chǔ)分為內(nèi)存和外存,。

　　內(nèi)存以前也叫運(yùn)行內(nèi)存（運(yùn)存），計(jì)算機(jī)通電后,，配合CPU等進(jìn)行工作,。斷電后，數(shù)據(jù)就沒有了,，屬于易失性（VM）存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后，只要你執(zhí)行了保存（寫入）操作,，數(shù)據(jù)就會(huì)繼續(xù)存在,，屬于非易失性（NVM）存儲(chǔ)器。

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

　　ROM只讀存儲(chǔ)器：很好理解,，可以讀取,，不可以寫入。

　　RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：指的是它可以“隨機(jī)地從存儲(chǔ)器的任意存儲(chǔ)單元讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)”,，這是相對(duì)傳統(tǒng)磁存儲(chǔ)必須“順序存?。⊿equential Access）”而言的。

　　有些人認(rèn)為,，易失性存儲(chǔ)器就是RAM,，非易失性存儲(chǔ)器就是ROM。其實(shí),，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，原因待?huì)會(huì)講,。

　　█ 易失性存儲(chǔ)器（VM）

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

　　DRAM

　　DRAM由許多重復(fù)的位元格（Bit Cell）組成,，每一個(gè)基本單元由一個(gè)電容和一個(gè)晶體管構(gòu)成（又稱1T1C結(jié)構(gòu)）。電容中存儲(chǔ)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(huì)存在漏電現(xiàn)象,。所以，必須在數(shù)據(jù)改變或斷電前,，進(jìn)行周期性“動(dòng)態(tài)”充電,，保持電勢(shì)。否則,，就會(huì)丟失數(shù)據(jù),。

　　因此，DRAM才被稱為“動(dòng)態(tài)”隨機(jī)存儲(chǔ)器,。

　　DRAM一直是計(jì)算機(jī),、手機(jī)內(nèi)存的主流方案。計(jì)算機(jī)的內(nèi)存條（DDR）,、顯卡的顯存（GDDR）,、手機(jī)的運(yùn)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(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(shí)，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(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（M1, M2, M3, M4）構(gòu)成兩個(gè)交叉耦合的反相器,，2個(gè)場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成一個(gè)鎖存器（觸發(fā)器），并在通電時(shí)鎖住二進(jìn)制數(shù)0和1,。

　　因此,，SRAM被稱為“靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器”。

　　SRAM不需要定期刷新,，響應(yīng)速度快,，但功耗大、集成度低,、價(jià)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(huì)用在FPGA內(nèi)。它的市場(chǎng)占比一直都比較低,，存在感比較弱,。

　　█ 非易失性存儲(chǔ)器（NVM）

　　接下來，再看看非易失性存儲(chǔ)器產(chǎn)品,。

　　非易失性存儲(chǔ)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(shí)候,，存儲(chǔ)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(cuò)了,，也沒辦法糾正，只能廢棄,。

　　掩模型只讀存儲(chǔ)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(jìn)存儲(chǔ)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(shí)，所有存儲(chǔ)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(jìn)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(diǎn),，采用電進(jìn)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(gè)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(jìn)行擦除操作的存儲(chǔ)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(chǔ)是以“塊”為單位進(jìn)行擦除的。

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

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

　　NOR Flash

　　NOR Flash屬于代碼型閃存芯片,，其主要特點(diǎn)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(yùn)行。

　　所以,，NOR Flash適合用來存儲(chǔ)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(shí)具備性能和成本上的優(yōu)勢(shì),。

　　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(chǎng)占比比較低,。

　　早期的時(shí)候,，NOR Flash還會(huì)用在高端手機(jī)上，但是后來,，智能機(jī)開始引入eMMC后,，連這塊市場(chǎng)也被排擠了。

　　近年來,，NOR Flash的應(yīng)用有所回升,，市場(chǎng)回暖。低功耗藍(lán)牙模塊,、TWS耳機(jī),、手機(jī)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(chǎng)占比就大了很多,。

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

　　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(gè)數(shù)量級(jí),，卻也比傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤快3個(gè)數(shù)量級(jí),，被廣泛用于eMMC/EMCP、U盤,、SSD等市場(chǎng),。

　　前面提到了eMMC。前幾年,，這個(gè)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(gè)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(jìn)一步減小模塊體積,，簡化電路連接設(shè)計(jì),。

　　2011年，UFS（Universal Flash Storage,，通用閃存存儲(chǔ)）1.0標(biāo)準(zhǔn)誕生,。后來，UFS逐漸取代了eMMC,，成為智能手機(jī)的主流存儲(chǔ)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(chǔ)單元）、MLC（雙層存儲(chǔ)單元）,、TLC(三層存儲(chǔ)單元,、QLC（四層存儲(chǔ)單元），依次代表每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分別為1位,、2位,、3位、4位,。

　　由SLC到QLC,，存儲(chǔ)密度逐步提升，單位比特成本也會(huì)隨之降低,。但相對(duì)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(huì)下降。

　　這幾年,，DIY裝機(jī)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(huì)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(jìn)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(chǔ)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(chǔ)器（非易失性）

　　2021年，美國IBM提出“存儲(chǔ)級(jí)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(duì)DRAM起到補(bǔ)充作用,。

　　SCM的背后，其實(shí)是行業(yè)對(duì)新型存儲(chǔ)器（介質(zhì)）的探索,。

　　按行業(yè)的共識(shí),，新型存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)更低的功耗,，更長的壽命,，更快的速度。

　　目前,，新型存儲(chǔ)器主要有這么幾種：相變存儲(chǔ)器（PCM）,，阻變存儲(chǔ)器（ReRAM/RRAM），鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM/FRAM）,，磁性存儲(chǔ)器（MRAM,，第二代為STT-RAM），碳納米管存儲(chǔ)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(gè)完整的半導(dǎo)體存儲(chǔ)分類圖：

　　上面這個(gè)圖里,，存儲(chǔ)器類型很多。但我前面也說了,，大家重點(diǎn)看DRAM,、NAND Flash和NOR Flash就可以了。因?yàn)?，在現(xiàn)在的市場(chǎng)上,，這三種存儲(chǔ)器占了96%以上的市場(chǎng)份額,。

　　其實(shí)，所有的存儲(chǔ)器,，都會(huì)基于自己的特性,，在市場(chǎng)中找到自己的位置，發(fā)揮自己的價(jià)值,。

　　一般來說,，性能越強(qiáng)的存儲(chǔ)器，價(jià)格就越貴,，會(huì)越離計(jì)算芯片（CPU/GPU等）越近,。性能弱的存儲(chǔ)器，可以承擔(dān)一些對(duì)存儲(chǔ)時(shí)延要求低,，寫入速度不敏感的需求,，降低成本。

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