半導(dǎo)體存儲的基礎(chǔ)知識

上周，我給大家仔細(xì)介紹了HDD硬盤、軟盤和光盤的發(fā)展史(鏈接)。

大家應(yīng)該都注意到了，在我們的日常生活中，其實遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上面三種存儲介質(zhì)。

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。

2022年全球半導(dǎo)體主要品類占比情況

存儲器有所下降，但仍有26%

半導(dǎo)體存儲器也是一個大類，它還可以進(jìn)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(jìn)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)?，原因待會會講。

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。

圖片來源：Lam Research

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(jìn)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(jìn)制數(shù)0和1。

因此，SRAM被稱為“靜態(tài)隨機存儲器”。

SRAM存儲單元

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(jìn)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(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，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)行擦除操作的存儲器，也就是——Flash(閃存)。

舛岡富士雄

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(jìn)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

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(jìn)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。

這些年主流手機的標(biāo)配

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。

SSD內(nèi)部構(gòu)造

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(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。

圖片來源：electronics-lab

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。

計算機系統(tǒng)中的典型存儲器層次結(jié)構(gòu)

圖片來源：果殼硬科技

半導(dǎo)體存儲技術(shù)演進(jìn)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。

下一期文章，小棗君將站在歷史的角度，詳細(xì)介紹一下半導(dǎo)體存儲的技術(shù)演進(jìn)歷程，以及行業(yè)格局的風(fēng)雨變幻。

審核編輯：湯梓紅