什么是半導(dǎo)體存儲(chǔ)，如何定義分類？

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(chǔ)技術(shù)。這種技術(shù)，我們稱之為“半導(dǎo)體存儲(chǔ)”。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)的分類

現(xiàn)代存儲(chǔ)技術(shù)，概括來看，就分為三大部分，分別是磁性存儲(chǔ)、光學(xué)存儲(chǔ)以及半導(dǎo)體存儲(chǔ)。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)而言之，就是以“半導(dǎo)體集成電路”作為存儲(chǔ)媒介的存儲(chǔ)器。

大家如果拆開自己的 U 盤或 SSD 硬盤，就會(huì)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(chǔ)數(shù)據(jù)的，有時(shí)候也稱“存儲(chǔ)芯片”。

相比傳統(tǒng)磁盤(例如 HDD 硬盤)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的重量更輕，體積更小，讀寫速度更快。當(dāng)然了，價(jià)格也更貴。

這些年，整個(gè)社會(huì)對(duì)芯片半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)注度很高。但是，大家主要關(guān)注的其實(shí)是 CPU、GPU、手機(jī) SoC 等計(jì)算類芯片。

殊不知，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器也是整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心支柱之一。2021 年，全球半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的市場(chǎng)規(guī)模為 1538 億美元，占整個(gè)集成電路市場(chǎng)規(guī)模的 33%，也就是三分之一。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器也是一個(gè)大類，它還可以進(jìn)一步劃分，主要分為：易失性(VM)存儲(chǔ)器與非易失性(NVM)存儲(chǔ)器。

顧名思義，電路斷電后，易失性存儲(chǔ)器無法保留數(shù)據(jù)，非易失性存儲(chǔ)器可以保留數(shù)據(jù)。

這個(gè)其實(shí)比較好理解。學(xué)過計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的童鞋應(yīng)該還記得，存儲(chǔ)分為內(nèi)存和外存。

內(nèi)存以前也叫運(yùn)行內(nèi)存(運(yùn)存)，計(jì)算機(jī)通電后，配合 CPU 等進(jìn)行工作。斷電后，數(shù)據(jù)就沒有了，屬于易失性(VM)存儲(chǔ)器。

而外存呢，也就是硬盤，存放了大量的數(shù)據(jù)文件。當(dāng)計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后，只要你執(zhí)行了保存(寫入)操作，數(shù)據(jù)就會(huì)繼續(xù)存在，屬于非易失性(NVM)存儲(chǔ)器。

請(qǐng)大家注意：現(xiàn)在很多資料也將半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)，大家應(yīng)該很耳熟吧?

ROM 只讀存儲(chǔ)器：很好理解，可以讀取，不可以寫入。

RAM 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：指的是它可以“隨機(jī)地從存儲(chǔ)器的任意存儲(chǔ)單元讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)”，這是相對(duì)傳統(tǒng)磁存儲(chǔ)必須“順序存取(Sequential Access)”而言的。

有些人認(rèn)為，易失性存儲(chǔ)器就是 RAM，非易失性存儲(chǔ)器就是 ROM。其實(shí)，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模虼龝?huì)會(huì)講。

易失性存儲(chǔ)器(VM)

在過去幾十年內(nèi)，易失性存儲(chǔ)器沒有特別大的變化，主要分為 DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，Dynamic RAM)和 SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，Static RAM)。

? DRAM

DRAM 由許多重復(fù)的位元格(Bit Cell)組成，每一個(gè)基本單元由一個(gè)電容和一個(gè)晶體管構(gòu)成(又稱 1T1C 結(jié)構(gòu))。電容中存儲(chǔ)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。

由于電容會(huì)存在漏電現(xiàn)象。所以，必須在數(shù)據(jù)改變或斷電前，進(jìn)行周期性“動(dòng)態(tài)”充電，保持電勢(shì)。否則，就會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

因此，DRAM 才被稱為“動(dòng)態(tài)”隨機(jī)存儲(chǔ)器。

DRAM 一直是計(jì)算機(jī)、手機(jī)內(nèi)存的主流方案。計(jì)算機(jī)的內(nèi)存條(DDR)、顯卡的顯存(GDDR)、手機(jī)的運(yùn)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(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(shí)，它就是我們 CPU 緩存所使用的技術(shù)。

SRAM 的架構(gòu)，比 DRAM 復(fù)雜很多。

SRAM 的基本單元，則最少由 6 管晶體管組成：4 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管(M1, M2, M3, M4)構(gòu)成兩個(gè)交叉耦合的反相器，2 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管(M5, M6)用于讀寫的位線(Bit Line)的控制開關(guān)，通過這些場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成一個(gè)鎖存器(觸發(fā)器)，并在通電時(shí)鎖住二進(jìn)制數(shù) 0 和 1。

因此，SRAM 被稱為“靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器”。

SRAM 不需要定期刷新，響應(yīng)速度快，但功耗大、集成度低、價(jià)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(huì)用在 FPGA 內(nèi)。它的市場(chǎng)占比一直都比較低，存在感比較弱。

非易失性存儲(chǔ)器(NVM)

接下來，再看看非易失性存儲(chǔ)器產(chǎn)品。

非易失性存儲(chǔ)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(shí)候，存儲(chǔ)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(cuò)了，也沒辦法糾正，只能廢棄。

掩模型只讀存儲(chǔ)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(jìn)存儲(chǔ)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(shí)，所有存儲(chǔ)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(dá)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(jìn)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(diǎn)，采用電進(jìn)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(gè) 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(jì) 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(jìn)行擦除操作的存儲(chǔ)器，也就是 ——Flash(閃存)。

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(chǔ)是以“塊”為單位進(jìn)行擦除的。

常見的塊大小為 128KB 和 256KB。1KB 是 1024 個(gè) bit，比起 EEPROM 按 bit 擦除，快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

目前，F(xiàn)LASH 的主流代表產(chǎn)品也只有兩個(gè)，即：NOR Flash 和 NAND Flash。

? NOR Flash

NOR Flash 屬于代碼型閃存芯片，其主要特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP，Execute In Place)，即應(yīng)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(yùn)行。

所以，NOR Flash 適合用來存儲(chǔ)代碼及部分?jǐn)?shù)據(jù)，可靠性高、讀取速度快，在中低容量應(yīng)用時(shí)具備性能和成本上的優(yōu)勢(shì)。

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(chǎng)占比比較低。

早期的時(shí)候，NOR Flash 還會(huì)用在高端手機(jī)上，但是后來，智能機(jī)開始引入 eMMC 后，連這塊市場(chǎng)也被排擠了。

近年來，NOR Flash 的應(yīng)用有所回升，市場(chǎng)回暖。低功耗藍(lán)牙模塊、TWS 耳機(jī)、手機(jī)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(chǎng)占比就大了很多。

NAND Flash 屬于數(shù)據(jù)型閃存芯片，可以實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)。

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(gè)數(shù)量級(jí)，卻也比傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤快 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，被廣泛用于 eMMC / EMCP、U 盤、SSD 等市場(chǎng)。

前面提到了 eMMC。前幾年，這個(gè)詞還是挺火的。

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(gè)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(jiǎn)化地推出新產(chǎn)品。

而 eMCP，是把 eMMC 與 LPDDR 封裝為一體，進(jìn)一步減小模塊體積，簡(jiǎn)化電路連接設(shè)計(jì)。

2011 年，UFS(Universal Flash Storage，通用閃存存儲(chǔ))1.0 標(biāo)準(zhǔn)誕生。后來，UFS 逐漸取代了 eMMC，成為智能手機(jī)的主流存儲(chǔ)方案。當(dāng)然了，UFS 也是基于 NAND FLASH 的。

SSD，大家應(yīng)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。

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(chǔ)單元)、MLC(雙層存儲(chǔ)單元)、TLC (三層存儲(chǔ)單元、QLC(四層存儲(chǔ)單元)，依次代表每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分別為 1 位、2 位、3 位、4 位。

由 SLC 到 QLC，存儲(chǔ)密度逐步提升，單位比特成本也會(huì)隨之降低。但相對(duì)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(huì)下降。

這幾年，DIY 裝機(jī)圈圍繞 SLC / MLC / TLC / QLC 的爭(zhēng)議比較大。一開始，網(wǎng)友們覺得 SSD 硬盤的壽命會(huì)縮水。后來發(fā)現(xiàn)，好像縮水也沒那么嚴(yán)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(jìn)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(jiǎn)單來說，就是從平房到樓房，利用立體堆疊，提升存儲(chǔ)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(chǔ)器(非易失性)

2021 年，美國(guó) IBM 提出“存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存〞(SCM, Storage-Class Memory)的概念。IBM 認(rèn)為，SCM 能夠取代傳統(tǒng)硬盤，并對(duì) DRAM 起到補(bǔ)充作用。

SCM 的背后，其實(shí)是行業(yè)對(duì)新型存儲(chǔ)器(介質(zhì))的探索。

按行業(yè)的共識(shí)，新型存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)更低的功耗，更長(zhǎng)的壽命，更快的速度。

目前，新型存儲(chǔ)器主要有這么幾種：相變存儲(chǔ)器(PCM)，阻變存儲(chǔ)器(ReRAM / RRAM)，鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM / FRAM)，磁性存儲(chǔ)器(MRAM，第二代為 STT-RAM)，碳納米管存儲(chǔ)器。