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關(guān)于半導(dǎo)體存儲的最強(qiáng)入門科普

2022/09/28
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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)不止上面三種存儲介質(zhì)。

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技術(shù)。

這種技術(shù),我們稱之為“半導(dǎo)體存儲”。

今天,小棗君就重點(diǎn)給大家講講這方面的知識。

半導(dǎo)體存儲的分類

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

半導(dǎo)體存儲器,簡而言之,就是以“半導(dǎo)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(fā)現(xiàn)里面都是PCB電路板,以及各自各樣的芯片元器件。其中有一類芯片,就是專門存儲數(shù)據(jù)的,有時(shí)候也稱“存儲芯片”。

相比傳統(tǒng)磁盤(例如HDD硬盤),半導(dǎo)體存儲器的重量更輕,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)社會對芯片半導(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)體存儲器的市場規(guī)模為1538億美元,占整個(gè)集成電路市場規(guī)模的33%,也就是三分之一。

2022年全球半導(dǎo)體主要品類占比情況

存儲器有所下降,但仍有26%

半導(dǎo)體存儲器也是一個(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(shù)據(jù),非易失性存儲器可以保留數(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)知識的童鞋應(yīng)該還記得,存儲分為內(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)就會繼續(xù)存在,屬于非易失性(NVM)存儲器。

請大家注意:現(xiàn)在很多資料也將半導(dǎo)體存儲器分為隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器ROM),大家應(yīng)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(jī)存取存儲器:指的是它可以“隨機(jī)地從存儲器的任意存儲單元讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)”,這是相對傳統(tǒng)磁存儲必須“順序存?。⊿equential Access)”而言的。

有些人認(rèn)為,易失性存儲器就是RAM,非易失性存儲器就是ROM。其實(shí),這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?,原因待會會講。

易失性存儲器(VM)

在過去幾十年內(nèi),易失性存儲器沒有特別大的變化,主要分為DRAM(動態(tài)隨機(jī)存取存儲器,Dynamic RAM)和SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器,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(xiàn)象。所以,必須在數(shù)據(jù)改變或斷電前,進(jìn)行周期性“動態(tài)”充電,保持電勢。否則,就會丟失數(shù)據(jù)。

因此,DRAM才被稱為“動態(tài)”隨機(jī)存儲器。

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,雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)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(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)存儲器”。


SRAM存儲單元

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,還會用在FPGA內(nèi)。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(chǎn)品。

非易失性存儲器產(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。

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。

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

近年來,NOR Flash的應(yīng)用有所回升,市場回暖。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。

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,卻也比傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤快3個(gè)數(shù)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(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,簡化電路連接設(shè)計(jì)。

2011年,UFS(Universal Flash Storage,通用閃存存儲)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(gè)存儲單元存儲的數(shù)據(jù)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(huán)(擦寫循環(huán)次數(shù),即壽命)會下降。

這幾年,DIY裝機(jī)圈圍繞SLC/MLC/TLC/QLC的爭議比較大。一開始,網(wǎng)友們覺得SSD硬盤的壽命會縮水。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(shù)不斷發(fā)展,堆疊層數(shù)不斷提升,容量也越來越大。

新型存儲器(非易失性)

2021年,美國IBM提出“存儲級內(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DRAM起到補(bǔ)充作用。

SCM的背后,其實(shí)是行業(yè)對新型存儲器(介質(zhì))的探索。

按行業(yè)的共識,新型存儲器可以結(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(主要是我也沒看懂,太難了),今天就不逐一介紹了。等將來我研究清楚后,再寫專題文章。

結(jié)語

匯總一下,小棗君畫了一個(gè)完整的半導(dǎo)體存儲分類圖:

上面這個(gè)圖里,存儲器類型很多。但我前面也說了,大家重點(diǎn)看DRAM、NAND Flash和NOR Flash就可以了。因?yàn)?,在現(xiàn)在的市場上,這三種存儲器占了96%以上的市場份額。

其實(shí),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(fā)揮自己的價(jià)值。

一般來說,性能越強(qiáng)的存儲器,價(jià)格就越貴,會越離計(jì)算芯片(CPU/GPU等)越近。性能弱的存儲器,可以承擔(dān)一些對存儲時(shí)延要求低,寫入速度不敏感的需求,降低成本。


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

圖片來源:果殼硬科技

半導(dǎo)體存儲技術(shù)演進(jìn)的過程,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)體存儲技術(shù)將會走向何方,新型存儲介質(zhì)能夠崛起?讓我們拭目以待。

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電子產(chǎn)業(yè)圖譜

通信行業(yè)知名新媒體鮮棗課堂創(chuàng)始人,通信行業(yè)資深專家、行業(yè)分析師、自媒體作者,《智聯(lián)天下:移動通信改變中國》叢書作者。通信行業(yè)13年工作經(jīng)驗(yàn),曾長期任職于中興通訊股份有限公司,從事2/3/4G及5G相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域方面的研究,曾擔(dān)任中興通訊核心網(wǎng)產(chǎn)品線產(chǎn)品經(jīng)理、能力提升總監(jiān)、中興通訊學(xué)院二級講師、中興通訊高級主任工程師,擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和積累。