关于半导体存储的最强入门科普

前面给大家详细介绍了HDD硬盘，软盘，光驱的历史。

大家应该都注意到了，在我们的日常生活中，其实远不止以上三种存储介质。

我们经常使用的u盘，TF卡，SD卡，电脑中使用的DDR内存，SSD硬盘都属于另外一种存储技术。

这项技术被称为半导体存储。

今天小枣君就重点给大家讲讲这些知识。

半导体存储分类

一般来说，现代存储技术可以分为三部分:磁存储，光存储和半导体存储。

半导体存储器，简而言之，就是以半导体集成电路为存储介质的存储器。

如果你打开你的u盘或者SSD硬盘，你会发现里面全是PCB板，还有各种芯片和元器件有一种芯片，专门用来存储数据，有时叫做存储芯片

固态硬盘的构建

与传统磁盘相比，半导体存储器重量更轻，体积更小，读写速度更快当然价格更贵

最近几年来，全社会对芯片半导体产业给予了极大的关注但人们关注的主要是CPU，GPU，手机SoC等计算芯片

众所周知，半导体存储器也是整个半导体产业的核心支柱之一2021年，全球半导体存储器市场规模为1538亿美元，占整个IC市场的33%，即三分之一

2022年半导体各大类在全球的占比有所下降，但仍为26%。

半导体存储器也是一个大类，可以进一步分为易失性存储器和非易失性存储器。

顾名思义，当电路断电时，易失性存储器不能保留数据，但非易失性存储器可以。

其实这个比较好理解学过计算机基础知识的童鞋应该记得，存储分为内存和外存

内存过去被称为运行内存电脑上电后，和CPU等一起工作断电后，数据不见了，属于易失性内存

外部存储器，即硬盘，存储了大量的数据文件当电脑关机时，只要执行保存操作，数据就会继续存在，属于非易失性存储器

请注意:现在很多材料也把半导体存储器分为随机存取存储器和只读存储器你熟悉它吗

ROM:很容易理解，可以读，但不能写。

RAM:是指可以从存储器的任意存储单元随机读取或写入数据，这是相对于必须顺序存取的传统磁存储而言的。

有人认为易失性存储器是RAM，非易失性存储器是ROM其实这并不严谨，原因后面会解释

易失性存储器

过去几十年，易失性存储器变化不大，主要分为DRAM和SRAM。

动态随机存取存储器

DRAM由许多重复的位组成，每个基本单元由一个电容和一个晶体管组成存储在电容器中的电荷量用于表示0和1晶体管用于控制电容器的充电和放电

电容器中会有漏电因此，必须进行周期性的动态充电，以保持数据变化或断电前的电位否则，数据将会丢失

因此，DRAM被称为动态随机存取存储器。

DRAM一直是电脑和手机的主流内存方案电脑的内存，显卡的GDDR，手机的LPDDR都是各种DRAM

值得一提的是，在内存方面，除了GDDR之外，还有一个名为HBM的新内存它是由很多DDR芯片堆叠在一起，用GPU封装而成

静态随机存取储存器

你可能不熟悉SRAM其实就是我们CPU缓存用的技术

SRAM的架构比DRAM的架构复杂得多。

SRAM的基本单元由至少六个晶体管组成:四个场效应晶体管组成两个交叉耦合的反相器，两个场效应晶体管用于控制位线读写这些场效应晶体管形成一个锁存器，并在通电时锁定二进制数0和1

因此，SRAM被称为静态随机存取存储器。

SRAM存储单元

SRAM不需要定期刷新，响应速度快，但是功耗高，集成度低，价格高。

所以主要用于CPU的主缓存和辅助缓存此外，它还将用于FPGA中其市场份额一直较低，存在感较弱

非易失性存储器

接下来看非易失性内存产品。

非易失性存储器产品的技术路线有很多最早的就是前面提到的ROM

最老的ROM，那是真正的ROM—完全只读的出厂时，存储的内容已经写死，无法修改

这种ROM的灵活性很差如果东西写错了，没有办法改正，只能丢弃

Mask ROM就是上述ROM的代表说白了就是直接用掩膜工艺把信息刻进内存，让用户无法更改，适合早期量产

后来，专家发明了舞会一般来说，这个ROM只能被编程一次在工厂，所有的存储单元都是1借助特殊设备，通过电流或光线熔断保险丝，达到重写数据的效果

PROM的灵活性比ROM高，但还是不够最好能修改数据，于是有专家发明了EPROM

擦除的方式可以是光，也可以是电电更方便用电擦除的叫EEPROM

EEPROM以字节为最小单位进行修改也就是说，你可以给每一位写0或1，也就是按bit读写，写之前不用把所有内容都擦除它的擦除操作也是基于位的，还是太慢了

上世纪80年代，日本东芝公司的技术专家藤尾发明了一种全新的可以快速擦除的存储器，即Flash。

八岗藤雄

在英语中，Flash的意思是迅速。

限于篇幅，下次再介绍FLASH的具体原理我们只需要知道，闪存是以块为单位擦除的

常见的块大小为128KB和256KB1KB是1024位，比EEPROM逐位擦除快几个数量级

目前FLASH的主流代表产品只有NOR Flash和NAND Flash两种。

或非闪光

NOR Flash是一款代码型闪存芯片，其主要特点是片内执行，即应用程序可以直接在闪存中运行，而不用将代码读入系统ram。

所以NOR Flash适合存储代码和一些数据，可靠性高，读取速度快，在中低容量应用中具有性能和成本优势。

而NOR闪存的写入和擦除速度非常慢，体积是NAND闪存的两倍，因此使用受到限制，市场份额相对较低。

早期高端手机还在用NOR Flash，但是后来智能手机引入eMMC后，连这个市场都被挤掉了。

最近几年来，NORFlash的应用有所回升，市场也有所回暖NOR Flash广泛应用于低功耗蓝牙模块，TWS耳机，手机触摸和指纹，可穿戴设备，汽车电子和工业控制

资料储存型闪存

相比之下，NAND Flash的市场份额要大得多。

NAND是一种数据型闪存芯片，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，因此其写入和擦除速度比DRAM慢3—4个数量级左右，但也比传统机械硬盘快3个数量级它广泛应用于eMMC/EMCP，u盘，SSD等市场

前面提到了EMMC几年前，这个词还挺流行的

字库模块

EMMC即嵌入式多媒体卡，将MMC接口，NAND和主控制器封装在一个小小的BGA芯片中，主要解决NAND品牌差异和兼容性问题，方便厂商快速简单地推出新产品。

EMCP将eMMC和LPDDR封装成一体，进一步缩小了模块体积，简化了电路连接设计。

2011年，UFS1.0标准诞生后来，UFS逐渐取代eMMC，成为智能手机的主流存储方案当然，UFS也是基于NAND FLASH的

这些年主流手机的水准

SSD，你应该很熟悉吧基本都是用NAND芯片，目前发展非常迅速

SSD内部结构

根据内部电子单元密度的不同，NAND可分为SLC，MLC，TLC，QLC，依次表示每个存储单元存储的数据分别为1位，2位，3位和4位。

从SLC到QLC，存储密度会逐渐增加，单位比特成本也会降低但性能，功耗，可靠性，P/E周期会下降

最近几年来，围绕SLC/MLC/TLC/QLC，DIY安装圈一直存在较大争议一开始网友觉得SSD硬盘寿命会缩水后来发现缩水没那么严重，生活还是够用的于是，我慢慢接受了

早期的南德人都是2D南德人工艺达到16nm后，2D NAND的成本急剧上升，平面小型化工艺的难度和成本难以承受于是，3D NAND出现了

简单来说，就是从平房到楼房，采用立体堆叠，提高内存容量，降低2D NAND的工艺压力。

2012年，三星推出了第一代3D NAND闪存芯片后来伴随着3D NAND技术的发展，堆叠层数不断提高，容量也越来越大

新型存储器

2021年，美国IBM提出了存储级内存的概念IBM认为SCM可以取代传统硬盘，补充DRAM

SCM的背后其实是业界对新内存的探索。

根据业界的共识，新型存储器可以结合DRAM存储器的高速存取和NAND闪存断电后保留数据的特性，打破存储器和闪存的界限，合二为一，实现功耗更低，寿命更长，速度更快。

目前有几种新型存储器:相变存储器，阻变存储器，铁电存储器，磁存储器和碳纳米管存储器。

结论

综上所述，小早君画了一张完整的半导体存储分类图:

在上图中，内存有很多种类型但是我前面说了，大家关注DRAM，NAND Flash，NOR Flash也是可以的因为，在目前的市场上，这三种存储器占据了96%以上的市场份额

其实所有的记忆都会在市场中找到自己的位置，根据自己的特点发挥自己的价值。

一般来说，内存越强大，价格越贵，离计算芯片越近性能较弱的存储器可以承受一些存储延迟低，对写入速度不敏感的要求，从而降低成本

计算机系统中典型的存储器层次结构

事实上，半导体技术的演进过程一直受益于摩尔定律，不断提高性能，降低成本未来，伴随着摩尔定律的逐渐失效，半导体存储技术将何去何从，新型存储介质能否崛起让我们拭目以待

参考资料:

1.华为和罗兰·贝格的数据保留白皮书，

2.中国生存力白皮书，2022计算力大会，

3.计算机存储史，中国存储网

4.硬盘发展简史，SunnyZhang的《我的世界》，

5.《存储技术史》，谢长生，

6.存储介质发展史，哔哩哔哩，一次惨淡的尝试，

7.ICT研究所关于下一代数据存储技术的研究报告，

8.国信证券《存储芯片行业研究报告》，

9.国产存储等待一场革命，付斌，壳牌，

10.关于半导体存储，没有什么比这个更完整的了，core吹捧道

11.科技指南035—半导体存储用闪存，五米金，知乎。

12.维基百科相关条目。

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