我們經常使用的U盤、TF卡、SD卡，還有電腦上使用的DDR內存、SSD硬盤，都屬于我們稱之為“半導體存儲”的技術。

今天，小編就重點給大家講講這方面的知識。

█ 半導體存儲的分類

現代存儲技術，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，就會發現里面都是PCB電路板，以及各自各樣的芯片及元器件。其中有一類芯片，就是專門存儲數據的，有時候也稱“存儲芯片”。

SSD硬盤的構造

相比傳統磁盤（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的關注度很高。但是，大家主要關注的其實是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業的核心支柱之一。2021年，全球半導體存儲器的市場規模為1538億美元，占整個集成電路市場規模的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據，非易失性存儲器可以保留數據。

這個其實比較好理解。學過計算機基礎知識的童鞋應該還記得，存儲分為內存和外存。

內存以前也叫運行內存（運存），計算機通電后，配合CPU等進行工作。斷電后，數據就沒有了，屬于易失性（VM）存儲器。

而外存呢，也就是硬盤，存放了大量的數據文件。當計算機關機后，只要你執行了保存（寫入）操作，數據就會繼續存在，屬于非易失性（NVM）存儲器。

請大家注意：現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寫入數據”，這是相對傳統磁存儲必須“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，這是不嚴謹的，原因待會會講。

█?易失性存儲器（VM）

在過去幾十年內，易失性存儲器沒有特別大的變化，主要分為DRAM（動態隨機存取存儲器，Dynamic RAM）和SRAM（靜態隨機存取存儲器，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成（又稱1T1C結構）。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象。所以，必須在數據改變或斷電前，進行周期性“動態”充電，保持電勢。否則，就會丟失數據。

因此，DRAM才被稱為“動態”隨機存儲器。

DRAM一直是計算機、手機內存的主流方案。計算機的內存條（DDR）、顯卡的顯存（GDDR）、手機的運行內存（LPDDR），都是DRAM的一種。（DDR基本是指DDR SDRAM，雙倍速率同步動態隨機存儲器。）

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。

SRAM的架構，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，通過這些場效應管構成一個鎖存器（觸發器），并在通電時鎖住二進制數0和1。

因此，SRAM被稱為“靜態隨機存儲器”。

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。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品。

非易失性存儲器產品的技術路線，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，存儲內容就已經寫死了，無法做任何修改。

這種ROM，靈活性很差，萬一有內容寫錯了，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。

后來，專家們發明了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。通過專用的設備，以電流或光照（紫外線）的方式，熔斷熔絲，可以達到改寫數據的效果。

PROM的靈活性，比ROM更高一些，但還是不夠。最好是能夠對數據進行修改，于是，就有專家發明了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，日本東芝的技術專家——舛岡富士雄，發明了一種全新的、能夠快速進行擦除操作的存儲器，也就是——Flash（閃存）。

Flash在英文里，就是“快速地”的意思。Flash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，快了幾個數量級。

目前，FLASH的主流代表產品也只有兩個，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執行（XIP，Execute In Place），即應用程序不必再把代碼讀到系統RAM中，而是可以直接在Flash閃存內運行。

所以，NOR Flash適合用來存儲代碼及部分數據，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、可穿戴設備、汽車電子和工業控制等領域，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屬于數據型閃存芯片，可以實現大容量存儲。

它以頁為單位讀寫數據，以塊為單位擦除數據，故其寫入和擦除速度雖比DRAM大約慢3-4個數量級，卻也比傳統的機械硬盤快3個數量級，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，目前發展非常迅猛。

SSD內部構造

根據內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據分別為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（擦寫循環次數，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，網友們覺得SSD硬盤的壽命會縮水。后來發現，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技術不斷發展，堆疊層數不斷提升，容量也越來越大。

█?新型存儲器（非易失性）

2021年，美國IBM提出“存儲級內存〞（SCM, Storage-Class Memory）的概念。IBM認為，SCM能夠取代傳統硬盤，并對DRAM起到補充作用。

SCM的背后，其實是行業對新型存儲器（介質）的探索。

按行業的共識，新型存儲器可以結合了DRAM內存的高速存取，以及NAND閃存在關閉電源之后保留數據的特性，打破內存和閃存的界限，使其合二為一，實現更低的功耗，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，今天就不逐一介紹了。

█?結語

匯總一下，小編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。

計算機系統中的典型存儲器層次結構

圖片來源：果殼硬科技

半導體存儲技術演進的過程，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，半導體存儲技術將會走向何方，新型存儲介質能夠崛起？讓我們拭目以待。

編輯：黃飛

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