存儲(chǔ)器RAM中按原理的分類(lèi)和總結(jié)

存儲(chǔ)器類(lèi)型有很多，常見(jiàn)的有ROM（Read-onlymemory只讀的），RAM（Random-accessmemory可讀可寫(xiě)的），還有一類(lèi)被大家忽略的CAM（可以自行百度）。

網(wǎng)上另一種方法把SRAM/DRAM/DDRAM歸為RAM類(lèi)，ROM/EEPROM/HDD/FLASH歸到ROM類(lèi)。其實(shí)，這種歸類(lèi)方法大致是以掉電是否丟失信息的標(biāo)準(zhǔn)劃歸的，而不是簡(jiǎn)單的readonly。 下文不采用上述方法分類(lèi)

目前主流存儲(chǔ)器大部分都是RAM，在RAM中按原理還分為兩類(lèi)——易失性的（Volatile）和非易失的（Non-Volatile），區(qū)別在于斷電后是否保存數(shù)據(jù)。易失性存儲(chǔ)器有SRAM、DRAM、SDRAM和DDR等，主要用途分別是高速緩存（cache）和內(nèi)存條。非易失性存儲(chǔ)器主要是包含硬盤(pán)（磁學(xué)，HardDisk Drive, HDD）、Flash、光盤(pán)（光學(xué)），用在我們的U盤(pán)，SD卡和SSD硬盤(pán)中。下文中不涉及光學(xué)的光盤(pán)和磁學(xué)的硬盤(pán)。

01 ROM

ROM 是英文Read-OnlyMemory的縮寫(xiě)，翻譯成中文就是"只能讀取的記憶"，計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)叫"只讀存儲(chǔ)器"。這種存儲(chǔ)器里的內(nèi)容是人們?cè)谥谱骱盟?，?a target="_blank">電子工藝預(yù)先寫(xiě)進(jìn)去的。在這之后一般就不能修改它里面的內(nèi)容了，而只能從中讀取內(nèi)容，不過(guò)也有可擦寫(xiě)的ROM，里面的數(shù)據(jù)是不會(huì)掉的。

02 非易失性RAM

2.1原理

FlashMemory的標(biāo)準(zhǔn)物理結(jié)構(gòu)稱之為位（cell），其特色為一般MOS的閘極（Gate）和通道的間隔為氧化層之絕緣（gateoxide），而FlashMemory在控制閘（Controlgate）與通道間卻多了一層物質(zhì)，稱之為浮閘（floatinggate）。拜這層浮閘之賜，使得FlashMemory可以完成三種基本操作模式，亦即讀（byte或word）、寫(xiě)（byte或word）、抹除（一個(gè)或多個(gè)內(nèi)存空間），就算在不提供電源給內(nèi)存的環(huán)境下，也能透過(guò)此浮閘，保存數(shù)據(jù)的完整性。

由于浮閘的物理特性與結(jié)構(gòu)，使得當(dāng)浮閘被注入負(fù)電子時(shí)，此一位就由數(shù)字"1"被寫(xiě)成"0"；相對(duì)的當(dāng)負(fù)電子從浮閘中移走后，此一位就由數(shù)字"0"變成"1"，此過(guò)程稱之為抹除。目前產(chǎn)業(yè)界有許多將負(fù)電子注入浮閘或移除技術(shù)的探討，其中熱電子注入法（hot-electroninjection），是當(dāng)源極（source）接地，控制閘的電壓大于汲極（Drain）的電壓時(shí)，浮閘與通道間氧化層的能量帶會(huì)變得很狹隘，因此在通道中的負(fù)電子會(huì)被加速自通道上跳到浮閘中，進(jìn)而完成寫(xiě)的動(dòng)作。同樣的原理可以運(yùn)用在抹除的功能上，當(dāng)控制閘接地且源極接至一個(gè)高壓時(shí)，浮閘上的負(fù)電子將會(huì)自浮閘中拉至源極，進(jìn)而完成抹除的動(dòng)作。FlashMemory就是透過(guò)這種負(fù)電子存放或移除于浮閘的原理，使得本身具有重復(fù)讀寫(xiě)的特性。

2.2發(fā)展

首先登場(chǎng)的EEPROM，在1970年代初期，各種公司和組織進(jìn)行了電可重新編程非易失性存儲(chǔ)器的一些研究，發(fā)明和開(kāi)發(fā)。1971年，最早的研究報(bào)告已提交第三次會(huì)議上的固態(tài)設(shè)備，東京的樽井康夫，豐林，和永井清子在日本電工實(shí)驗(yàn)室;日本國(guó)家研究所。他們?cè)?972年制造了EEPROM器件。

EEPROM組織為浮柵晶體管陣列。EEPROM可以通過(guò)施加特殊的編程信號(hào)進(jìn)行在線編程和擦除。最初，EEPROM僅限于單字節(jié)操作，這使其運(yùn)行速度較慢，但是現(xiàn)代EEPROM允許多字節(jié)頁(yè)面操作。EEPROM的擦除和重新編程壽命有限。

1980年在EEPROM基礎(chǔ)上發(fā)明了閃存，也就是Flash，可以對(duì)其進(jìn)行電擦除和重新編程。閃存的兩種主要類(lèi)型，即NOR閃存和NAND閃存，以NAND和NOR邏輯門(mén)命名。閃存的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，它只能在特定塊中忍受相對(duì)較少的寫(xiě)周期。東芝于1987年向市場(chǎng)推出了閃存。閃存具有非易失性之外，閃存還提供了快速的讀取訪問(wèn)時(shí)間，盡管不如靜態(tài)RAM或ROM快。它的機(jī)械抗震性有助于解釋其在便攜式設(shè)備中優(yōu)于硬盤(pán)的原因。

由于閃存的成本遠(yuǎn)低于字節(jié)可編程EEPROM，并且在系統(tǒng)需要大量非易失性固態(tài)存儲(chǔ)的任何地方，閃存已成為主導(dǎo)的存儲(chǔ)類(lèi)型。但是，EEPROM仍用于僅需要少量存儲(chǔ)的應(yīng)用，例如在串行狀態(tài)檢測(cè)中。

NAND和NORflash的差別。從下圖來(lái)看，顯然，NANDflash的gate的source和drain都是連續(xù)的，呈casode鏈接，所以每個(gè)cell的面積要小得多，而NOR的所有source和drain都是分開(kāi)的，占用更多面積。另外，NOR的每個(gè)cell都和bitline有連接，可以隨機(jī)任意讀取。而NANDcell只有最頭上的cell連上了bitline，因此只能順序塊狀讀取。因此NAND往往容量大，但是不能隨機(jī)讀取，而NOR雖然容量受限，但是讀取方便。

NorFlash

NORFlash需要很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行抹寫(xiě)，但是它提供完整的尋址與數(shù)據(jù)總線，并允許隨機(jī)存取存儲(chǔ)器上的任何區(qū)域，這使的它非常適合取代老式的ROM芯片。NORFlash可以忍受一萬(wàn)到一百萬(wàn)次抹寫(xiě)循環(huán)，它同時(shí)也是早期的可移除式快閃存儲(chǔ)媒體的基礎(chǔ)。

NandFlash

NAND Flash是東芝在1989年的國(guó)際固態(tài)電路研討會(huì)(ISSCC)上發(fā)表的，要在NandFlash上面讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，要外部加主控和電路設(shè)計(jì)。NANDFlash具有較快的抹寫(xiě)時(shí)間,而且每個(gè)存儲(chǔ)單元的面積也較小，這讓NANDFlash相較于NORFlash具有較高的存儲(chǔ)密度與較低的每比特成本。同時(shí)它的可抹除次數(shù)也高出NORFlash十倍。然而NANDFlash 的I/O接口并沒(méi)有隨機(jī)存取外部地址總線，它必須以區(qū)塊性的方式進(jìn)行讀取，NANDFlash典型的區(qū)塊大小是數(shù)百至數(shù)千比特。

物理結(jié)構(gòu)大概介紹完畢之后，剩下就各種協(xié)會(huì)的協(xié)議了。

MMC的全稱是”MultiMediaCard”，MMC是一種通信協(xié)議，支持兩種模式SPI和MMC。MMC模式是標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)模式，具有MMC的全部特性。而SPI模式則是MMC存貯卡可選的第二種模式，這個(gè)模式是MMC協(xié)議的一個(gè)子集。

下面介紹的SD卡，emmc，UFS是IC芯片，詳細(xì)點(diǎn)說(shuō)，NANDFlash 是一種存儲(chǔ)介質(zhì)，要在上面讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，外部要加主控和電路設(shè)計(jì)，eMMC是NANDflash+主控IC，對(duì)外的接口協(xié)議與SD、TF卡類(lèi)似；對(duì)廠家而言簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本。

SD卡數(shù)據(jù)傳送和物理規(guī)范由MMC發(fā)展而來(lái)，大小和MMC差不多。長(zhǎng)寬和MMC一樣，比MMC稍微厚了一點(diǎn)。兼容性方面SD卡向下兼容多媒體卡（MultiMedia Card）。所以SD卡也支持SPI接口訪問(wèn)。

emmc存儲(chǔ)芯片簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)，將NANDFlash芯片和控制芯片以MCP技術(shù)封裝在一起，省去零組件耗用電路板的面積，同時(shí)也讓手機(jī)廠商或是計(jì)算機(jī)廠商在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)的便利性大大提高。eMMC則在其內(nèi)部集成了FlashController，包括了協(xié)議、擦寫(xiě)均衡、壞塊管理、ECC校驗(yàn)、電源管理、時(shí)鐘管理、數(shù)據(jù)存取等功能。相比于直接將NANDFlash接入到Host端，eMMC屏蔽了NAND Flash 的物理特性，可以減少Host 端軟件的復(fù)雜度，讓Host 端專(zhuān)注于上層業(yè)務(wù)，省去對(duì)NAND Flash 進(jìn)行特殊的處理。同時(shí)，eMMC通過(guò)使用Cache、MemoryArray 等技術(shù)，在讀寫(xiě)性能上也比NAND Flash要好很多。另一方面，emmc的讀寫(xiě)速度也比NANDFlash的讀寫(xiě)速度快，emmc的讀寫(xiě)可高達(dá)每秒50MB到100MB以上。

關(guān)注手機(jī)圈的同學(xué)經(jīng)常聽(tīng)到UFS這個(gè)詞，下面就講述下UFS和emmc的關(guān)系。

電腦上，從HDD到SSD，從SATASSD到PCIeSSD，硬盤(pán)是越來(lái)越快；

手機(jī)上，從SD卡，到eMMC卡，再到UFS卡，存儲(chǔ)卡的速度也是越來(lái)越快。

UFS（UniversalFlashStorage）通用閃存存儲(chǔ)。它有兩個(gè)意思，一是指手機(jī)存儲(chǔ)接口協(xié)議，類(lèi)似SATA，PCIe/NVMe；二是使用該協(xié)議的存儲(chǔ)設(shè)備。UFS最新標(biāo)準(zhǔn)是UFS3.0，于2018年1月30日發(fā)布。它最大帶寬可以達(dá)到2163MB/s！4倍SATA3.0的速度（600MB/s），超過(guò)PCIe3.0x2的速度（2GB/s單向速度）。

不過(guò)，目前市面上的UFS產(chǎn)品還是UFS2.0/2.1，其最大帶寬1081MB/s，也是秒殺一般的SSD。

UFS解決了emmc的很多痛點(diǎn)，eMMC，使用的是并行數(shù)據(jù)傳輸。并行最大的問(wèn)題是速度上不去，因?yàn)橐坏r(shí)鐘上去，干擾就變大，信號(hào)完整性無(wú)法保證。UFS使用差分信號(hào)，并且是全雙工模式。UFS是手機(jī)存儲(chǔ)的未來(lái)，關(guān)于UFS有很多內(nèi)容，這里不再講述了。

2.3摩爾定律

上面講述非易失性RAM的發(fā)展，基本都是協(xié)議的更新，不同IC芯片的設(shè)計(jì)等等。

著名的摩爾定律：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)24個(gè)月便會(huì)增加一倍。

由此可見(jiàn)，工藝的提升和不同廠家的技術(shù)，對(duì)于非易失性RAM的性能提升有很大的作用，特別是在容量上的提升。

早在十年前，NANDflash早已撞上了摩爾定律落幕的鐵墻。由于flash擦寫(xiě)需要高壓，所以，在16nm以下工藝?yán)?，高壓很容易串?dāng)_到相近的gate導(dǎo)致錯(cuò)誤地寫(xiě)入。

從現(xiàn)在往回看，我們會(huì)突然發(fā)現(xiàn)，過(guò)去的10年，無(wú)論是DRAM還是NANDflash都在3D化的道路上越走越遠(yuǎn)。在NANDflash領(lǐng)域，存儲(chǔ)器巨頭們分別提出了各種堆疊式的flash的夠做，如下圖

3D NANDflash并不是多個(gè)芯片的堆疊，而是直接把NAND的豎起來(lái)造。這樣，在單位面積上，存在的晶體管數(shù)量就是堆疊的數(shù)量。于是，摩爾定律指望晶體管面積下將，轉(zhuǎn)為了堆疊層數(shù)的增加。目前，據(jù)說(shuō)64層甚至更高層數(shù)的NANDflash已經(jīng)投入量產(chǎn)。

03 易失性RAM

易失性隨機(jī)存取半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的兩種主要類(lèi)型是靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）。半導(dǎo)體RAM的商業(yè)用途可以追溯到1965年，當(dāng)時(shí)IBM為他們的System/ 360 Model 95計(jì)算機(jī)引入了SP95SRAM芯片，而東芝則為其ToscalBC-1411電子計(jì)算器使用了DRAM存儲(chǔ)單元，兩者均基于雙極晶體管。基于MOS晶體管的商用MOS存儲(chǔ)器是在1960年代后期開(kāi)發(fā)的，此后一直是所有商用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)。1970年10月推出了第一款商用DRAMIC芯片Intel1103。同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SDRAM）隨后于1992年與三星KM48SL2000芯片一起首次亮相。

3.1原理

存儲(chǔ)器單元是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的基本構(gòu)建塊。所述存儲(chǔ)器單元是一個(gè)電子電路，它存儲(chǔ)一個(gè)比特的二進(jìn)制信息，它必須被設(shè)置為存儲(chǔ)邏輯1（高電壓電平）和復(fù)位以存儲(chǔ)邏輯0（低電壓電平）。它的值一直保持/存儲(chǔ)，直到通過(guò)設(shè)置/重置過(guò)程對(duì)其進(jìn)行更改?？梢酝ㄟ^(guò)讀取來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)單元中的值。

在SRAM中，存儲(chǔ)單元是一種觸發(fā)器電路，通常使用FET來(lái)實(shí)現(xiàn)。這意味著SRAM在不被訪問(wèn)時(shí)需要非常低的功耗，但是它昂貴且存儲(chǔ)密度低。

第二種類(lèi)型，DRAM，基于電容器。對(duì)該電容器進(jìn)行充電和放電可以在電池中存儲(chǔ)“1”或“0”。但是，該電容器中的電荷會(huì)慢慢泄漏掉，必須定期刷新。由于此刷新過(guò)程，DRAM使用更多的功率，但與SRAM相比，它可以實(shí)現(xiàn)更大的存儲(chǔ)密度和更低的單位成本。

3.2發(fā)展

MOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管），也被稱為MOS晶體管，由穆罕默德M.Atalla和達(dá)沃·卡在貝爾實(shí)驗(yàn)室，1959年導(dǎo)致的發(fā)展金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）由John施密特存儲(chǔ)器在仙童半導(dǎo)體公司在1964年除了更高的性能，MOS半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是便宜和消耗比磁芯存儲(chǔ)器更少的功率。費(fèi)德里科·法金（FedericoFaggin）開(kāi)發(fā)的硅柵MOS集成電路（MOSIC）技術(shù)1968年在仙童半導(dǎo)體公司（Fairchild）實(shí)現(xiàn)了MOS存儲(chǔ)芯片的生產(chǎn)。在1970年代初期，MOS存儲(chǔ)器已取代磁芯存儲(chǔ)器成為主導(dǎo)的存儲(chǔ)器技術(shù)。

1963年，F(xiàn)airchildSemiconductor的RobertH. Norman發(fā)明了集成的雙極靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）。1964年，F(xiàn)airchild的JohnSchmidt發(fā)明了MOSSRAM。SRAM成為了一種替代磁芯內(nèi)存，但需要6個(gè)MOS晶體管的每個(gè)比特的數(shù)據(jù)。SRAM的商業(yè)使用始于1965年，當(dāng)時(shí)IBM為System/ 360 Model 95推出了SP95存儲(chǔ)芯片。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）允許為每個(gè)存儲(chǔ)位用單個(gè)晶體管替換4或6晶體管鎖存電路，從而以易失性為代價(jià)大大提高了存儲(chǔ)密度。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在每個(gè)晶體管的微小電容中，必須每隔幾毫秒定期刷新一次，以免電荷泄漏。東芝于1965年推出的ToscalBC-1411電子計(jì)算器，使用了一種電容性雙極DRAM形式，將180位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在由鍺雙極晶體管和電容器組成的離散存儲(chǔ)單元中。。盡管雙極DRAM提供了比磁芯存儲(chǔ)器更高的性能，但它無(wú)法與當(dāng)時(shí)占主導(dǎo)地位的磁芯存儲(chǔ)器的較低價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)。

MOS技術(shù)是現(xiàn)代DRAM的基礎(chǔ)。1966年，博士羅伯特·丹納德在IBMThomas J.Watson研究中心正在對(duì)MOS內(nèi)存。在檢查MOS技術(shù)的特性時(shí)，他發(fā)現(xiàn)它可以構(gòu)建電容器，并且在MOS電容器上存儲(chǔ)電荷或不存儲(chǔ)電荷可以表示1和0，而MOS晶體管可以控制將電荷寫(xiě)入到MOS。電容器。這導(dǎo)致他開(kāi)發(fā)了單晶體管DRAM存儲(chǔ)單元。1967年，丹納德（Dennard）向IBM申請(qǐng)了一項(xiàng)基于MOS技術(shù)的單晶體管DRAM存儲(chǔ)單元的專(zhuān)利。第一個(gè)商用DRAMIC芯片是Intel1103，它是它是在8 μm MOS工藝上制造的，容量為1Kibit，并于1970年發(fā)布。

同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SDRAM）由SamsungElectronics開(kāi)發(fā)。第一個(gè)商業(yè)SDRAM芯片是三星KM48SL2000，其容量為16Mibit。它由三星于1992年推出，并于1993年批量生產(chǎn)。第一個(gè)商用DDRSDRAM（雙倍數(shù)據(jù)速率SDRAM）存儲(chǔ)芯片是1998年6月發(fā)布的三星64Mibit DDR SDRAM芯片。GDDR（圖形DDR）是DDRSGRAM（同步圖形RAM）的一種形式，它于1998年由三星作為16Mibit存儲(chǔ)芯片首次發(fā)布。

3.3總結(jié)

SRAM（StaticRandom AccessMemory，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器），它是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是速度快，不必配合內(nèi)存刷新電路，可提高整體的工作效率。缺點(diǎn)是集成度低，功耗較大，相同的容量體積較大，而且價(jià)格較高，少量用于關(guān)鍵性系統(tǒng)以提高效率。

DRAM（DynamicRandom AccessMemory，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）是最為常見(jiàn)的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲(chǔ)，所以必須隔一段時(shí)間刷新（refresh）一次，如果存儲(chǔ)單元沒(méi)有被刷新，存儲(chǔ)的信息就會(huì)丟失。

SDRAM：（SynchronousDynamic Random AccessMemory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），是在DRAM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，為DRAM的一種，同步是指Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以時(shí)鐘為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

DDRSDRAM又是在SDRAM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，這種改進(jìn)型的DRAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在于它可以在一個(gè)時(shí)鐘讀寫(xiě)兩次數(shù)據(jù)，這樣就使得數(shù)據(jù)傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用得最多的內(nèi)存，而且它有著成本優(yōu)勢(shì)。

后面的就是電腦里熟悉的DDR2SDRAM、DDR3SDRAM和DDR4SDRAM了。

04 總結(jié)

一個(gè)圖總結(jié)下

原文標(biāo)題：存儲(chǔ)器RAM原理與分類(lèi)

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