半导体存储器科普|从内存、存储器看国产工业级HMI芯片Model4性能

Model4芯片是一款高性能的全高清显示和智能控制SOC，采用国产自主 64 位高算力 RISC-V 内核，提供了丰富的互联外设接口，具备大容量存储和极强的扩展性。片内存储BROM 32KB、SRAM 96KB以及DRAM SiP 16bit KGD（两种规格可选：DDR2 512Mb、 DDR3 1Gb），存储接口QSPI 支持 SPI NAND Flash / SPI Nor Flash，支持eMMC5.0接口。

如此多的存储器和存储接口，究竟有何区别？本文将以半导体存储类型为主线，带大家了解各个存储器的特点、优势以及联系。

一、半导体存储分类

在介绍之前，我们先看一张图，以便理解。

现代存储技术，概括起来分为三部分：磁性存储（磁带、软盘等）、光学存储（DVD、蓝光光盘等）、半导体存储。我们今天要介绍的就是以“半导体集成电路”作为存储媒介的存储器——半导体存储。

半导体存储主要分为易失性（VM）存储器与非易失性（NVM）存储器。

（一）易失性存储器（VN）

易失性存储器主要分为DRAM和SRAM两种。

1.DRAM

DRAM由许多重复的位元格（Bit Cell）组成，每一个基本单元由一个电容和一个晶体管构成（又称1T1C结构）。电容中存储电荷量的多寡，用于表示“0”和“1”。而晶体管，则用来控制电容的充放电。

由于电容会存在漏电现象。所以，必须在数据改变或断电前，进行周期性“动态”充电，保持电势。否则，就会丢失数据。因此，DRAM才被称为“动态”随机存储器。

DRAM一直是计算机、手机内存的主流方案。计算机的内存条（DDR）、显卡的显存（GDDR）、手机的运行内存（LPDDR），都是DRAM的一种。（DDR基本是指DDR SDRAM，双倍速率同步动态随机存储器。）

2.SRAM

SRAM是CPU缓存所使用的技术，它的架构相较于DRAM要复杂很多。

SRAM的基本单元，则最少由6管晶体管组成：4个场效应管（M1, M2, M3, M4）构成两个交叉耦合的反相器，2个场效应管（M5, M6）用于读写的位线（Bit Line）的控制开关，通过这些场效应管构成一个锁存器（触发器），并在通电时锁住二进制数0和1。因此，SRAM被称为“静态随机存储器”。

SRAM不需要定期刷新，响应速度非常快，但价格昂贵，用于CPU的一级缓冲、二级缓冲。Model4中也有SRAM，具备96KB的SRAM，用于程序运行时变量、堆栈的暂存等，非常适用于需要大量数据计算的场合。

（二）非易失性存储器（NVM）

非易失性存储器产品的技术路线比较多，早起NVM的发展可以简要概括为下图：

早期的这些NVM要不就是无法修改，要不就是修改方式都太慢。直到上世纪80年代，日本东芝的技术专家——舛冈富士雄，发明了一种全新的、能够快速进行擦除操作的存储器，也就是——Flash（闪存）。

Flash存储是以“块”为单位进行擦除的。常见的块大小为128KB和256KB。1KB是1024个bit，比起EEPROM按bit擦除，快了几个数量级。目前，FLASH的主流代表产品也只有两个，即：NOR Flash和NAND Flash。

1. NOR Flash

NOR Flash属于代码型闪存芯片，其主要特点是芯片内执行（XIP，Execute In Place），即应用程序不必再把代码读到系统RAM中，而是可以直接在Flash闪存内运行。

所以，NOR Flash适合用来存储代码及部分数据，可靠性高、读取速度快，在中低容量应用时具备性能和成本上的优势。

但是，NOR Flash的写入和擦除速度很慢，而且体积是NAND Flash的两倍，所以用途受到了很多限制，市场占比比较低。

近年来，NOR Flash的应用有所回升，市场回暖。低功耗蓝牙模块、TWS耳机、手机触控和指纹、可穿戴设备、汽车电子和工业控制等领域，使用NOR Flash比较多。

2. NAND Flash

NAND Flash属于数据型闪存芯片，可以实现大容量存储。它基于浮栅晶体管设计，通过浮栅来锁存电荷，由于浮栅是电隔离的，所以即使在去除电压之后，到达栅极的电子也会被捕获。这就是闪存非易失性的原理所在。数据存储在这类设备中，即使断电也不会丢失。

NAND Flash以页为单位读写数据，以块为单位擦除数据，故其写入和擦除速度虽比DRAM大约慢3-4个数量级，却也比传统的机械硬盘快3个数量级，被广泛用于eMMC/EMCP、U盘、SSD等市场。

相对于机械硬盘等传统存储介质，采用NAND Flash 芯片的SD 卡、固态硬盘等存储装置没有机械结构，无噪音、寿命长、功耗低、可靠性高、体积小、读写速度快、工作温度范围广，是未来大容量存储的发展方向。随着大数据时代的到来，NAND Flash 芯片将在未来得到巨大发展。

3. Nor Flash与NAND Flash的区别

二、eMMC与UFS

（一）eMMC

eMMC ( Embedded Multi Media Card) 采用统一的MMC标准接口， 把高密度NAND Flash以及MMC Controller封装在一颗BGA芯片中。针对Flash的特性，产品内部已经包含了Flash管理技术，包括错误探测和纠正，flash平均擦写，坏块管理，掉电保护等技术。用户无需担心产品内部flash晶圆制程和工艺的变化。同时eMMC单颗芯片为主板内部节省更多的空间。

简单地说，eMMC=Nand Flash+控制器+标准封装。

eMMC的整体架构如下图片所示：

eMMC 则在其内部集成了 Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块理、ECC校验等功能，让 Host 端专注于上层业务，省去对 NAND Flash 进行特殊的处理。

eMMC具有以下优势：

1.简化类手机产品存储器的设计。

2.更新速度快。

3.加速产品研发速度。

它与NAND Flash有何区别？

(二)UFS

UFS：Univeral Flash Storage，我们可以将它视为eMMC的进阶版，是由多个闪存芯片、主控、缓存组成的阵列式存储模块。UFS弥补了eMMC仅支持半双工运行（读写必须分开执行）的缺陷，可以实现全双工运行，所以性能得以翻番。

三、DDR、LPDDR

DDR全称Double Data Rate双倍速率同步动态随机存储器，严格的来讲，DDR应该叫DDR SDRAM。虽然美国固态技术协会2018年宣布正式发布DDR5标准，但实际上最终的规范要到2020年才能完成，其目标是将内存带宽在DDR4基础上翻倍，速率3200MT/s起，最高可达6400MT/s，电压则从1.2V降至1.1V，功耗减少30%。

LPDDR是在DDR的基础上多了LP(Low Power)前缀,全称是Low Power Double Data Rate SDRAM，简称“低功耗内存”是DDR的一种，以低功耗和小体积著称。目前最新的标准LPDDR5被称为5G时代的标配，但目前市场上的主流依然是LPDDR3/4X。

DDR与LPDDR的区别：

四、eMCP与uMCP

eMCP是结合eMMC和LPDDR封装而成的智慧型手机记忆体标准，与传统的MCP相较之下，eMCP因为有内建的NAND Flash控制晶片，可以减少主晶片运算的负担，并且管理更大容量的快闪记忆体。以外型设计来看，不论是eMCP或是eMMC内嵌式记忆体设计概念，都是为了让智慧型手机的外型厚度更薄，更省空间。

uMCP是结合了UFS和LPDDR封装而成的智慧型手机记忆体标准，与eMCP相比,国产的uMCP在性能上更为突出，提供了更高的性能和功率节省。

总结

综上，我们能看到内存和存储器不断地向着低功耗、高性能发展，也理解了各个内存、存储器的特点与优势。从而我们也能得出一个结论：Model4芯片充分融合了高性能内存、存储以及存储接口，结合高响应速度的96KB的SRAM以及64MB DDR2存储，支持接入NAND Flash 和Nor Flash，支持eMMC5.0接口，具备高性能、高稳定性的特点。