新闻资讯

在我们的日常生活中，存储介质实际上远远不止三种：硬盘、软盘和CD-ROM。我们经常使用的U盘、TF卡、SD卡，以及计算机中使用的DDR内存和SSD硬盘都是其他存储技术。这种技术，我们称之为“半导体存储”。今天，我将重点向大家介绍这些知识。

Ⅰ. 半导体存储器的分类

现代存储技术一般分为三大部分，即磁存储、光存储和半导体存储。

图1

简而言之，半导体存储器是一种使用“半导体集成电路”作为存储介质的存储器。

如果你拆开你的U盘或SSD硬盘，你会发现里面有PCB电路板，以及各种芯片和组件。其中有一种芯片，专门用于存储数据，有时被称为“存储芯片”。

图2固态硬盘的结构

与传统磁盘（如HDD硬盘）相比，半导体存储器重量更轻，体积更小，读写速度更快。当然，价格也更贵。

近年来，芯片半导体产业受到了全社会的高度重视。然而，大家主要关注的是CPU、GPU和手机SoC等计算芯片。

众所周知，半导体存储器也是整个半导体产业的核心支柱之一。2021年，全球半导体存储器市场价值1538亿美元，占整个集成电路市场的33%，即三分之一。

图3.2022年全球主要半导体类别的比例有所下降，但仍为26%

半导体存储器也是一大类，可进一步分为：易失性存储器和非易失性存储

图4

顾名思义，当电路断电时，易失性存储器无法保留数据，而非易失性内存可以。

这其实更容易理解。学过计算机基础知识的童鞋们应该还记得，存储分为内存和外部内存。

内存过去被称为运行内存（running Memory）。计算机通电后，它与CPU一起工作。电源关闭后，数据就不见了，属于易失性（VM）内存。

外部存储器，即硬盘，存储大量的数据文件。当计算机关闭时，只要执行保存（写入）操作，数据就会继续存在，属于非易失性（NVM）存储器。

请注意：现在许多材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）。你应该很熟悉吧？

图5

ROM只读存储器：很好理解，可以读，不能写。

RAM随机存取存储器：这意味着它可以“从存储器的任何存储单元随机读取或写入数据”，这是相对于传统的磁存储，必须是“顺序存取（sequential access）”。

有些人认为易失性存储器是RAM，非易失性内存是ROM。事实上，这并不严谨，原因将在后面讨论。

Ⅱ. Volatile Memory (VM)

在过去的几十年里，易失性存储器没有发生显著的变化，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、静态RAM）。

图6

DRAM

DRAM由许多重复的位单元（bit Cell）组成，每个基本单元由一个电容器和一个晶体管（也称为1T1C结构）组成。电容器中存储的电荷量，用于表示“0”和“1”。晶体管用于控制电容器的充电和放电。

图7

电容器会导致泄漏。因此，必须定期进行“动态”充电，以在数据更改或停电之前保持电势。否则，数据将丢失。

因此，DRAM被称为“动态”随机存取存储器。

DRAM一直是计算机和手机内存的主流解决方案。计算机存储器（DDR）、图形卡存储器（GDDR）和手机操作存储器（LPDDR）都是DRAM的类型。（DDR基本上是指DDR SDRAM，双倍速率同步动态随机存取存储器。）。

值得一提的是，除了GDDR，还有一种新型的视频存储器，称为HBM（高带宽存储器）。它是通过堆叠许多DDR芯片并将它们与GPU封装在一起而形成的（在外部看不到内存颗粒）。

SRAM

SRAM可能大家都不熟悉。事实上，它是我们的CPU缓存所使用的技术。

SRAM的结构比DRAM的结构复杂得多。

SRAM的基本单元至少由6个晶体管组成：4个FET（M1、M2、M3、M4）形成两个交叉耦合的反相器，2个FET用于读取。写入的位线（位线）的控制开关通过这些场效应晶体管形成锁存器（触发器），并在通电时锁定二进制数0和1。

因此，SRAM被称为“静态随机存取存储器”。

图8

SRAM存储器单元

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。

因此，它主要用于CPU的主缓存和辅助缓存。此外，它还将用于FPGA中。它的市场份额一直相对较低，而且它的影响力相对较弱。

Ⅲ. 非易失性存储器

接下来，看看非易失性存储器产品。

非易失性存储器产品有许多技术路线。最早的是前面提到的ROM。

最古老的ROM，即“真正的”ROM——完全只读，当它出厂时，存储器的内容已经硬编码，不能以任何方式修改。

这种ROM的灵活性很差。如果有什么不对劲，就没有办法纠正，只能丢弃。

掩模只读存储器（Mask ROM）就是上述ROM的代表。说白了，就是直接使用掩模工艺将信息“雕刻”到存储器中，让用户无法更改，适合早期批量生产。

后来，专家们发明了PROM（可编程ROM，可编程ROM）。这样的ROM通常只能被编程一次。出厂时，所有内存单元都设置为1。通过专用设备，保险丝可以通过电流或光线（紫外线）熔断，达到重写数据的效果。

PROM的灵活性高于ROM，但仍然不够。最好是能够修改数据，因此一些专家发明了EPROM（可擦除可编程只读存储器）。

擦除的方法可以是光或电。用电更方便。用电擦除被称为EEPROM（电可擦除可编程EEPROM）。

图9

EEPROM以字节为最小修改单位。也就是说，你可以对每个位写0或1，即根据“位”读写，并且不需要在写之前擦除所有内容。它的擦除操作也是基于“位”的，并且速度仍然太慢。

20世纪80年代，东芝的技术专家冈冈富雄发明了一种可以快速擦除操作的新型存储器，即闪存。

Flash在英语中的意思是“快速”。

由于篇幅限制，我们下次将介绍FLASH的具体原理。我们只需要知道闪存是在“块”中擦除的。

常见的块大小有128KB和256KB。1KB是1024位，这比EEPROM逐位擦除快几个数量级。

目前，FLASH的主流代表产品只有两种，即：NOR FLASH和NAND FLASH。

图10

NOR闪存

NOR闪存是一种代码型闪存芯片，其主要特点是在芯片中执行（XIP，Execute in Place），即应用程序不需要将代码读入系统RAM，而是可以直接在闪存中运行。

因此，NOR闪存适用于存储代码和一些数据，具有高可靠性和快速读取速度，在中低容量应用中具有性能和成本优势。

然而，NOR闪存的写入和擦除速度非常慢，体积是NAND闪存的两倍，因此使用有限，市场份额相对较低。

早期NOR Flash也用于高端手机，但后来eMMC在智能手机中推出后，甚至这个市场也被挤掉了。

近年来，NOR Flash的应用有所反弹，市场也有所复苏。NOR Flash广泛应用于低功耗蓝牙模块、TWS耳机、手机触摸和指纹、可穿戴设备、汽车电子和工业控制。

NAND闪存

相比之下，NAND闪存的市场份额要大得多。

NAND闪存是一种可以实现大容量存储的数据型闪存芯片。

它以页为单位读取和写入数据，以块为单位擦除数据。因此，尽管它的写入和擦除速度比DRAM慢大约3-4个数量级，但它也比传统的机械硬盘快3个数量级。适用于eMMC/EMCP、U盘、SSD等市场。

eMMC在前面提到过。在过去的几年里，这个词仍然很流行。

图11 eMMC

eMMC是一种嵌入式多媒体卡。它将MMC（多媒体卡）接口、NAND和主控制器封装在一个小型BGA芯片中，主要解决NAND品牌差异和兼容性等问题。制造商可以快速方便地推出新产品。

eMCP是eMMC和LPDDR的封装，进一步减小了模块尺寸，简化了电路连接设计。

2011年，UFS（通用闪存，通用闪存）1.0标准诞生。后来，UFS逐渐取代eMMC，成为智能手机的主流存储解决方案。当然，UFS也是基于NAND FLASH的。

图12近年来主流手机的标准配置

固态硬盘，大家应该都很熟悉。它基本上使用NAND芯片，目前发展非常快。

图13固态硬盘的内部结构

根据内部电子单元密度的差异，NAND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）和QLC（四层存储单元，依次表示每个存储单元）。存储的数据分别为1位、2位、3位和4位。

从SLC到QLC，存储密度将逐渐增加，每比特的成本也将降低。但相对而言，性能、功耗、可靠性和P/E周期（擦除和写入周期的数量，即寿命）将降低。

近年来，在DIY安装界，围绕SLC/MLC/TLC/QLC一直存在很多争议。起初，网友们觉得固态硬盘的使用寿命会缩短。后来，人们发现收缩并没有那么严重，而且使用寿命仍然足够。所以，它慢慢地被接受了。

早期的NAND都是2D NAND。工艺进入16nm后，2D NAND的成本急剧上升，平面缩放工艺的难度和成本难以承受。于是，3D NAND出现了。

图14

简单来说，从平房到建筑，都采用了三维堆叠的方式来增加存储容量，降低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，堆叠层的数量不断增加，容量越来越大。

Ⅳ. 新内存（非易失性）

2021年，美国IBM提出了“存储类内存”（SCM，Storage Class Memory）的概念。IBM认为，SCM可以取代传统的硬盘驱动器，补充DRAM。

供应链管理背后是业界对新型存储器（介质）的探索。

根据业界的共识，新型存储器可以结合DRAM存储器的高速访问和NAND闪存的特性，在断电后保留数据，打破存储器和闪存的界限，使其成为一体，实现更低的功耗、更长的寿命、更快的速度。

目前，主要有几种新型存储器：相变存储器（PCM）、电阻存储器（ReRAM/RRAM）、铁电存储器（FeRAM/FRAM）、磁存储器（MRAM，第二代是STT-RAM）、碳纳米管存储器。

Ⅴ. 结论

综上所述，我绘制了一个完整的半导体存储分类图：

图15

在上图中，有许多类型的内存。但正如我之前所说，您可以关注DRAM、NAND闪存和NOR闪存。因为，在目前的市场中，这三种存储器占据了96%以上的市场份额。

事实上，所有的记忆都会根据自己的特点在市场上找到自己的位置，发挥自己的价值。

一般来说，内存越强大，成本就越高，离计算芯片（CPU/GPU等）也就越近。性能较弱的内存可以满足低存储延迟和对写入速度不敏感的要求，从而降低成本。

计算机系统中的典型内存层次结构

事实上，半导体存储技术的演变一直受益于摩尔定律，它在降低成本的同时不断提高性能。未来，随着摩尔定律逐渐失效，半导体存储技术将走向何方，新的存储介质可以崛起？让我们拭目以待。