什么是存储芯片?

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。

 

CU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!

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