關(guān)于半導體存儲的最強入門科普

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

大家應該都注意到了，在我們的日常生活中，其實遠遠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“半導體存儲”。

今天，小棗君就重點給大家講講這方面的知識。

█半導體存儲的分類

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、光學存儲以及半導體存儲。

半導體存儲器，簡而言之，就是以“半導體集成電路”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），半導體存儲器的重量更輕，體積更小，讀寫速度更快。當然了，價格也更貴。

這些年，整個社會對芯片半導體行業(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，半導體存儲器也是整個半導體產(chǎn)業(yè)的核心支柱之一。2021 年，全球半導體存儲器的市場規(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 年全球半導體主要品類占比情況存儲器有所下降，但仍有 26%

半導體存儲器也是一個大類，它還可以進一步劃分，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。學過計算機基礎(chǔ)知識的童鞋應該還記得，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體存儲器分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM），大家應該很耳熟吧？

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，這是不嚴謹?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 個場效應管（M1, M2, M3, M4）構(gòu)成兩個交叉耦合的反相器，2 個場效應管（M5, M6）用于讀寫的位線（Bit Line）的控制開關(guān)，通過這些場效應管構(gòu)成一個鎖存器（觸發(fā)器），并在通電時鎖住二進制數(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 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數(shù)據(jù)，可靠性高、讀取速度快，在中低容量應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，NORFlash 的應用有所回升，市場回暖。低功耗藍牙模塊、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 標準誕生。后來，UFS 逐漸取代了 eMMC，成為智能手機的主流存儲方案。當然了，UFS 也是基于 NAND FLASH 的。

▲這些年主流手機的標配

SSD，大家應該很熟悉了。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。

█結(jié)語

匯總一下，小棗君畫了一個完整的半導體存儲分類圖：

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

半導體存儲技術(shù)演進的過程，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。

參考文獻：

1、《數(shù)據(jù)存力白皮書》，華為、羅蘭貝格；

2、《中國存力白皮書》，2022 算力大會；

3、《計算機存儲歷史》，中國存儲網(wǎng)

4、《硬盤發(fā)展簡史》，SunnyZhang 的 I 世界；

5、《存儲技術(shù)發(fā)展歷程》，謝長生；

6、《存儲介質(zhì)發(fā)展史》，B站，陰冷未遂；

7、《下一代數(shù)據(jù)存儲技術(shù)研究報告》，信通院；

8、《存儲芯片行業(yè)研究報告》，國信證券；

9、《國產(chǎn)存儲等待一場革命》，付斌，果殼；

10、《關(guān)于半導體存儲，沒有比這篇更全的了》，芯師爺

11、《科技簡章 035-半導體存儲之閃存》，悟彌津，知乎

12、維基百科相關(guān)詞條。

文章來源：鮮棗課堂

審核編輯 黃宇