存储芯片的基础知识

众所周知，存储芯片是半导体产业里的一大分支，而且随着信息时代的到来，地位越来越重要。近十年来，存储器的市场规模步步攀升，现在已经占到了半导体总体的30%多。今天就来浅浅地聊一下存储器。

其实，“存储”虽然是个偏技术的名词，但也是一个非常浪漫的词，是人类保存文明所必不可少的过程。最古老的存储器可能是石器和甲骨，再然后是纸和笔，再到磁带、光盘和U盘等等。最后这三类，就是技术时代的三种存储介质：磁性存储器、光学存储器和存储芯片。

存储芯片，也被称为半导体存储器，是以半导体电路作为存储媒介的记忆设备，用于保存二进制数据。它在计算机系统中扮演着至关重要的角色，用于临时或永久地存储数据和指令。

最基本的分类：RAM和ROM

存储芯片通常分为两种主要类型：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

最直观的理解，我们买手机的时候都要选择的“XXGB+XXXGB”中，前面的那个指的是RAM，后面的那个指的是ROM。

随机存取存储器 (RAM)：RAM 全称为“Random Access Memory”，是易失性存储器，其特点是断电后会丢失数据。举例来说，当我们在使用 Word 或 Excel 时，如果没有保存文件，突然关机或断电后再重启，文件中的数据就会丢失。这是因为我们在没有点击保存时，数据存储在计算机内存中，只有在点击保存后，数据才会保存到硬盘中。RAM 的每一个位单元由一个电容和一个晶体管组成，电容在断电的情况下会漏电，因此数据会丢失。虽然 RAM 存在断电丢失数据的缺点，但由于其读写速度较快，被广泛应用于 PC 机的内存、智能手机和服务器，一般被用来存储用户当前正在运行的程序。所以我们手机中后台运行的程序，其实利用的是RAM的存储空间。所以RAM越大，可以同时运行的东西也就越多。

比方说，现在的安卓手机如果只有8G内存，一般是不太够用的，同时运行几个程序，就会出现后台程序被清退的情况，再切回去要重新打开应用，非常恼火。

关于RAM，还有一个概念需要关注，也就是它的“标准”，我们常听到的LPDDR5，说的就是标准。LPDDR全称为“Low Power Double Data Rate SDRAM”， 它是美国 JEDEC 固态技术协会面向低功耗内存而制定的通信标准，以低功耗和小体积著称，专门用于移动式电子产品。

LPDDR的版本号越高，RAM的读写速度就越快。LPDDR至今已经发展到了LPDDR5，目前市场上的旗舰机型用的几乎都是LPDDR5，中端机型大多数用的都是LPDDR4X或LPDDR5。

只读存储器 (ROM)：ROM全称为“Read-Only Memory”，中文名是“只读存储器”，属于非易失性存储器。与RAM不同，存放在ROM当中的数据可以被永久存储，即使设备断电关闭，ROM中的内容也不会丢失。我们电脑中的硬盘所用的存储芯片就是一种 ROM。ROM 的存储原理是通过电子在隧穿效应下从隧穿层进入浮栅存储起来，阈值电压较高，对应逻辑为 0；在向栅极施加负向偏压时，浮栅中的电子退出隧穿层，阈值电压较小，对应逻辑为 1。即使电流消失，阻挡层与隧穿层也能保证浮栅中的电子不丢失，从而保证数据的完整性。相比 RAM，ROM 的优点在于断电不失数据，且成本较低，但写入速度较慢。

ROM同样也有相应的标准，也是由美国 JEDEC 固态技术协会制定的，目前最新的版本号为UFS 3.1。从性能上来说，从高到低依次为UFS 3.1＞UFS 3.0＞UFS 2.1＞UFS 2.0。

进一步分类：DRAM和NAND是主流

RAM中的主要产品包括DRAM和SRAM，一个是“动态”（Dynamic），一个是“静态”（Static）。所谓的“静态”，是指这种存储器只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持。相对之下，DRAM里面所储存的数据就需要周期性地更新。然而，当电力供应停止时，SRAM储存的数据还是会消失（被称为volatile memory）。

SRAM的集成度和功耗都不如DRAM，造价也比较高，所以SRAM主要用于高速缓存（Cache），主要是CPU和存储器临时交换数据的地方。主要的运行存储还是靠DRAM。当前很火的HBM，实际上也是DRAM的衍生产品。

ROM（只读存储器）的特点是只能读出而不能写入信息，通常在电脑主板的ROM里面固化一个基本输入/输出系统，称为BIOS（基本输入输出系统）。其主要作用是完成对系统的加电自检、系统中各功能模块的初始化、系统的基本输入/输出的驱动程序及引导操作系统。

后来，又出现了可以快擦除的读写存储器，也就是闪存（Flash），关于闪存是否属于ROM，一向存在争议。闪存又分为NOR和NAND，两者在结构和性能表现上有所差别：

因为NOR读取快、写入慢、造价高，所以一般用来存储一些需要固定读取的程序，比如汽车的启动器；NAND正相反，所以适合作为大规模的数据存储器。

近二十年来，也不断涌现了一些新型的存储器，希望能结合DRAM速度快和NAND不断电的优势，比如之前美光与英特尔合作的3D-Xpoint、相变存储器等，但都没有达到大规模量产的要求。所以现在DRAM和NAND依然是存储芯片中的主流产品，在存储器市场中占比超过90%，DRAM略微多一点点，但在现在的信息社会中，普遍预测NAND将会超过DRAM。

CPU和存储器是如何合作的？

主流电子产品中，CPU和存储器可以说是最重要最核心的两大芯片，一个负责运算，一个负责存储，两者之间的联系也很紧密，会在电子产品运行的过程中，大量交换数据。

现代计算机或嵌入式系统中，一般有几种不同的存储器，这些存储器越靠近 CPU ，速度越快，容量越小，价格越贵。主要有以下几种：

寄存器(Register)：寄存器与其说是存储器，其实更像是 CPU 本身的一部分，只能存放极其有限的信息，但是速度非常快，和CPU同步。

高速缓存(CPU Cache)：使用静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，简称SRAM）的芯片。

内存(DRAM)：使用动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，简称DRAM）的芯片，比起 SRAM 来说，它的密度更高，有更大的容量，而且它也比 SRAM 芯片便宜不少。

硬盘：目前主要分为固态硬盘(Solid-state drive，简称SSD)和机械硬盘(Hard Disk Drive，简称HDD)。SSD的核心就是DRAM和NAND，HHD则是磁性存储器，不属于半导体存储器了，虽然造价比SSD低，但已经逐渐被市场淘汰。

随着信息社会的发展，要通过电子设备存储的数据越来越多，质量越来越高，也会带动存储器需求的继续上涨。期待国内的存储厂商把握技术革新和迭代的机遇，缩小与国际的差距！