存儲芯片的基礎知識

眾所周知，存儲芯片是半導體產(chǎn)業(yè)里的一大分支，而且隨著信息時代的到來，地位越來越重要。近十年來，存儲器的市場規(guī)模步步攀升，現(xiàn)在已經(jīng)占到了半導體總體的30%多。今天就來淺淺地聊一下存儲器。

其實，“存儲”雖然是個偏技術的名詞，但也是一個非常浪漫的詞，是人類保存文明所必不可少的過程。最古老的存儲器可能是石器和甲骨，再然后是紙和筆，再到磁帶、光盤和U盤等等。最后這三類，就是技術時代的三種存儲介質：磁性存儲器、光學存儲器和存儲芯片。

存儲芯片，也被稱為半導體存儲器，是以半導體電路作為存儲媒介的記憶設備，用于保存二進制數(shù)據(jù)。它在計算機系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色，用于臨時或永久地存儲數(shù)據(jù)和指令。

最基本的分類：RAM和ROM

存儲芯片通常分為兩種主要類型：隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。

最直觀的理解，我們買手機的時候都要選擇的“XXGB+XXXGB”中，前面的那個指的是RAM，后面的那個指的是ROM。

隨機存取存儲器 (RAM)：RAM 全稱為“Random Access Memory”，是易失性存儲器，其特點是斷電后會丟失數(shù)據(jù)。舉例來說，當我們在使用 Word 或 Excel 時，如果沒有保存文件，突然關機或斷電后再重啟，文件中的數(shù)據(jù)就會丟失。這是因為我們在沒有點擊保存時，數(shù)據(jù)存儲在計算機內存中，只有在點擊保存后，數(shù)據(jù)才會保存到硬盤中。RAM 的每一個位單元由一個電容和一個晶體管組成，電容在斷電的情況下會漏電，因此數(shù)據(jù)會丟失。雖然 RAM 存在斷電丟失數(shù)據(jù)的缺點，但由于其讀寫速度較快，被廣泛應用于 PC 機的內存、智能手機和服務器，一般被用來存儲用戶當前正在運行的程序。所以我們手機中后臺運行的程序，其實利用的是RAM的存儲空間。所以RAM越大，可以同時運行的東西也就越多。

比方說，現(xiàn)在的安卓手機如果只有8G內存，一般是不太夠用的，同時運行幾個程序，就會出現(xiàn)后臺程序被清退的情況，再切回去要重新打開應用，非常惱火。

關于RAM，還有一個概念需要關注，也就是它的“標準”，我們常聽到的LPDDR5，說的就是標準。LPDDR全稱為“Low Power Double Data Rate SDRAM”， 它是美國 JEDEC 固態(tài)技術協(xié)會面向低功耗內存而制定的通信標準，以低功耗和小體積著稱，專門用于移動式電子產(chǎn)品。

LPDDR的版本號越高，RAM的讀寫速度就越快。LPDDR至今已經(jīng)發(fā)展到了LPDDR5，目前市場上的旗艦機型用的幾乎都是LPDDR5，中端機型大多數(shù)用的都是LPDDR4X或LPDDR5。

只讀存儲器 (ROM)：ROM全稱為“Read-Only Memory”，中文名是“只讀存儲器”，屬于非易失性存儲器。與RAM不同，存放在ROM當中的數(shù)據(jù)可以被永久存儲，即使設備斷電關閉，ROM中的內容也不會丟失。我們電腦中的硬盤所用的存儲芯片就是一種 ROM。ROM 的存儲原理是通過電子在隧穿效應下從隧穿層進入浮柵存儲起來，閾值電壓較高，對應邏輯為 0；在向柵極施加負向偏壓時，浮柵中的電子退出隧穿層，閾值電壓較小，對應邏輯為 1。即使電流消失，阻擋層與隧穿層也能保證浮柵中的電子不丟失，從而保證數(shù)據(jù)的完整性。相比 RAM，ROM 的優(yōu)點在于斷電不失數(shù)據(jù)，且成本較低，但寫入速度較慢。

ROM同樣也有相應的標準，也是由美國 JEDEC 固態(tài)技術協(xié)會制定的，目前最新的版本號為UFS 3.1。從性能上來說，從高到低依次為UFS 3.1＞UFS 3.0＞UFS 2.1＞UFS 2.0。

進一步分類：DRAM和NAND是主流

RAM中的主要產(chǎn)品包括DRAM和SRAM，一個是“動態(tài)”（Dynamic），一個是“靜態(tài)”（Static）。所謂的“靜態(tài)”，是指這種存儲器只要保持通電，里面儲存的數(shù)據(jù)就可以恒常保持。相對之下，DRAM里面所儲存的數(shù)據(jù)就需要周期性地更新。然而，當電力供應停止時，SRAM儲存的數(shù)據(jù)還是會消失（被稱為volatile memory）。

SRAM的集成度和功耗都不如DRAM，造價也比較高，所以SRAM主要用于高速緩存（Cache），主要是CPU和存儲器臨時交換數(shù)據(jù)的地方。主要的運行存儲還是靠DRAM。當前很火的HBM，實際上也是DRAM的衍生產(chǎn)品。

ROM（只讀存儲器）的特點是只能讀出而不能寫入信息，通常在電腦主板的ROM里面固化一個基本輸入/輸出系統(tǒng)，稱為BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）。其主要作用是完成對系統(tǒng)的加電自檢、系統(tǒng)中各功能模塊的初始化、系統(tǒng)的基本輸入/輸出的驅動程序及引導操作系統(tǒng)。

后來，又出現(xiàn)了可以快擦除的讀寫存儲器，也就是閃存（Flash），關于閃存是否屬于ROM，一向存在爭議。閃存又分為NOR和NAND，兩者在結構和性能表現(xiàn)上有所差別：

因為NOR讀取快、寫入慢、造價高，所以一般用來存儲一些需要固定讀取的程序，比如汽車的啟動器；NAND正相反，所以適合作為大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲器。

近二十年來，也不斷涌現(xiàn)了一些新型的存儲器，希望能結合DRAM速度快和NAND不斷電的優(yōu)勢，比如之前美光與英特爾合作的3D-Xpoint、相變存儲器等，但都沒有達到大規(guī)模量產(chǎn)的要求。所以現(xiàn)在DRAM和NAND依然是存儲芯片中的主流產(chǎn)品，在存儲器市場中占比超過90%，DRAM略微多一點點，但在現(xiàn)在的信息社會中，普遍預測NAND將會超過DRAM。

CPU和存儲器是如何合作的？

主流電子產(chǎn)品中，CPU和存儲器可以說是最重要最核心的兩大芯片，一個負責運算，一個負責存儲，兩者之間的聯(lián)系也很緊密，會在電子產(chǎn)品運行的過程中，大量交換數(shù)據(jù)。

現(xiàn)代計算機或嵌入式系統(tǒng)中，一般有幾種不同的存儲器，這些存儲器越靠近 CPU ，速度越快，容量越小，價格越貴。主要有以下幾種：

寄存器(Register)：寄存器與其說是存儲器，其實更像是 CPU 本身的一部分，只能存放極其有限的信息，但是速度非?？?，和CPU同步。

高速緩存(CPU Cache)：使用靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory，簡稱SRAM）的芯片。

內存(DRAM)：使用動態(tài)隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory，簡稱DRAM）的芯片，比起 SRAM 來說，它的密度更高，有更大的容量，而且它也比 SRAM 芯片便宜不少。

硬盤：目前主要分為固態(tài)硬盤(Solid-state drive，簡稱SSD)和機械硬盤(Hard Disk Drive，簡稱HDD)。SSD的核心就是DRAM和NAND，HHD則是磁性存儲器，不屬于半導體存儲器了，雖然造價比SSD低，但已經(jīng)逐漸被市場淘汰。

隨著信息社會的發(fā)展，要通過電子設備存儲的數(shù)據(jù)越來越多，質量越來越高，也會帶動存儲器需求的繼續(xù)上漲。期待國內的存儲廠商把握技術革新和迭代的機遇，縮小與國際的差距！