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

大家應(yīng)該都注意到了，在我們的日常生活中，其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上面三種存儲(chǔ)介質(zhì)。

我們經(jīng)常使用的 U 盤(pán)、TF 卡、SD 卡，還有電腦上使用的 DDR 內(nèi)存、SSD 硬盤(pán)，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)”。

今天，小棗君就重點(diǎn)給大家講講這方面的知識(shí)。

█半導(dǎo)體存儲(chǔ)的分類(lèi)

現(xiàn)代存儲(chǔ)技術(shù)，概括來(lái)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(kāi)自己的 U 盤(pán)或 SSD 硬盤(pán)，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(lèi)芯片，就是專(zhuān)門(mén)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，有時(shí)候也稱“存儲(chǔ)芯片”。

▲SSD 硬盤(pán)的構(gòu)造

相比傳統(tǒng)磁盤(pán)（例如 HDD 硬盤(pán)），半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的重量更輕，體積更小，讀寫(xiě)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(lèi)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。

▲2022 年全球半導(dǎo)體主要品類(lèi)占比情況存儲(chǔ)器有所下降，但仍有 26%

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器也是一個(gè)大類(lèi)，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(wú)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(guò)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(méi)有了，屬于易失性（VM）存儲(chǔ)器。

而外存呢，也就是硬盤(pán)，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(xiě)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(xiě)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?。⊿equential 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(guò)去幾十年內(nèi)，易失性存儲(chǔ)器沒(méi)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(lái)控制電容的充放電。

▲圖片來(lái)源：Lam Research

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(xiě)的位線（Bit Line）的控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)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 存儲(chǔ)單元

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(lái)，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(shuō)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(xiě)死了，無(wú)法做任何修改。

這種 ROM，靈活性很差，萬(wàn)一有內(nèi)容寫(xiě)錯(cuò)了，也沒(méi)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(shuō)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(wú)法更改，適合早期的批量生產(chǎn)。

后來(lái)，專(zhuān)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(guò)專(zhuān)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(xiě)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(zhuān)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(shuō)，可以往每個(gè) bit 中寫(xiě) 0 或者 1，就是按“bit”讀寫(xiě)，不必將內(nèi)容全部擦除后再寫(xiě)。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(zhuān)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）。

▲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(zhuān)門(mén)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(jiàn)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(lái)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(xiě)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(lái)，智能機(jī)開(kāi)始引入 eMMC 后，連這塊市場(chǎng)也被排擠了。

近年來(lái)，NORFlash 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(chē)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(yè)為單位讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，以塊為單位擦除數(shù)據(jù)，故其寫(xiě)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(pán)快 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，被廣泛用于 eMMC / EMCP、U 盤(pán)、SSD 等市場(chǎng)。

前面提到了 eMMC。前幾年，這個(gè)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(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(wèn)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(lái)，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。

▲這些年主流手機(jī)的標(biāo)配

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。

▲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(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(xiě)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(kāi)始，網(wǎng)友們覺(jué)得 SSD 硬盤(pán)的壽命會(huì)縮水。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，好像縮水也沒(méi)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(lái)說(shuō)，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(lái)，3D NAND 技術(shù)不斷發(fā)展，堆疊層數(shù)不斷提升，容量也越來(lái)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(pán)，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。

█結(jié)語(yǔ)

匯總一下，小棗君畫(huà)了一個(gè)完整的半導(dǎo)體存儲(chǔ)分類(lèi)圖：

上面這個(gè)圖里，存儲(chǔ)器類(lèi)型很多。但我前面也說(shuō)了，大家重點(diǎn)看 DRAM、NAND Flash 和 NOR Flash 就可以了。因?yàn)椋诂F(xiàn)在的市場(chǎng)上，這三種存儲(chǔ)器占了 96% 以上的市場(chǎng)份額。

其實(shí)，所有的存儲(chǔ)器，都會(huì)基于自己的特性，在市場(chǎng)中找到自己的位置，發(fā)揮自己的價(jià)值。

一般來(lái)說(shuō)，性能越強(qiáng)的存儲(chǔ)器，價(jià)格就越貴，會(huì)越離計(jì)算芯片（CPU / GPU 等）越近。性能弱的存儲(chǔ)器，可以承擔(dān)一些對(duì)存儲(chǔ)時(shí)延要求低，寫(xiě)入速度不敏感的需求，降低成本。

▲計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的典型存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)

圖片來(lái)源：果殼硬科技

半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)演進(jìn)的過(guò)程，其實(shí)一直都受益于摩爾定律，在不斷提升性能的同時(shí)，降低成本。今后，隨著摩爾定律逐漸失效，半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)將會(huì)走向何方，新型存儲(chǔ)介質(zhì)能夠崛起？讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)：

1、《數(shù)據(jù)存力白皮書(shū)》，華為、羅蘭貝格；

2、《中國(guó)存力白皮書(shū)》，2022 算力大會(huì)；

3、《計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)歷史》，中國(guó)存儲(chǔ)網(wǎng)

4、《硬盤(pán)發(fā)展簡(jiǎn)史》，SunnyZhang 的 I 世界；

5、《存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展歷程》，謝長(zhǎng)生；

6、《存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)展史》，B站，陰冷未遂；

7、《下一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)研究報(bào)告》，信通院；

8、《存儲(chǔ)芯片行業(yè)研究報(bào)告》，國(guó)信證券；

9、《國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)等待一場(chǎng)革命》，付斌，果殼；

10、《關(guān)于半導(dǎo)體存儲(chǔ)，沒(méi)有比這篇更全的了》，芯師爺

11、《科技簡(jiǎn)章 035-半導(dǎo)體存儲(chǔ)之閃存》，悟彌津，知乎

12、維基百科相關(guān)詞條。

文章來(lái)源：鮮棗課堂

審核編輯 黃宇