关于半导体存储的最强入门科普

此前，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。

█ 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。

参考文献：

1、《数据存力白皮书》，华为、罗兰贝格；
2、《中国存力白皮书》，2022 算力大会；
3、《计算机存储历史》，中国存储网
4、《硬盘发展简史》，SunnyZhang 的 I 世界；
5、《存储技术发展历程》，谢长生；
6、《存储介质发展史》，B站，阴冷未遂；
7、《下一代数据存储技术研究报告》，信通院；
8、《存储芯片行业研究报告》，国信证券；
9、《国产存储等待一场革命》，付斌，果壳；
10、《关于半导体存储，没有比这篇更全的了》，芯师爷
11、《科技简章 035-半导体存储之闪存》，悟弥津，知乎
12、维基百科相关词条。