此前，我給大家仔細介紹了 HDD 硬盤、軟盤和光盤的發展史（鏈接）。

大家應該都注意到了，在我們的日常生活中，其實遠遠不止上面三種存儲介質。

我們經常使用的 U 盤、TF 卡、SD 卡，還有電腦上使用的 DDR 內存、SSD 硬盤，都屬于另外一種存儲技術。

這種技術，我們稱之為“半導體存儲”。

今天，小棗君就重點給大家講講這方面的知識。

█半導體存儲的分類

現代存儲技術，概括來看，就分為三大部分，分別是磁性存儲、光學存儲以及半導體存儲。

半導體存儲器，簡而言之，就是以“半導體集成電路”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，就會發現里面都是 PCB 電路板，以及各自各樣的芯片及元器件。其中有一類芯片，就是專門存儲數據的，有時候也稱“存儲芯片”。

▲SSD 硬盤的構造

相比傳統磁盤（例如 HDD 硬盤），半導體存儲器的重量更輕，體積更小，讀寫速度更快。當然了，價格也更貴。

這些年，整個社會對芯片半導體行業的關注度很高。但是，大家主要關注的其實是 CPU、GPU、手機 SoC 等計算類芯片。

殊不知，半導體存儲器也是整個半導體產業的核心支柱之一。2021 年，全球半導體存儲器的市場規模為 1538 億美元，占整個集成電路市場規模的 33%，也就是三分之一。

▲2022 年全球半導體主要品類占比情況存儲器有所下降，但仍有 26%

半導體存儲器也是一個大類，它還可以進一步劃分，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據，非易失性存儲器可以保留數據。

這個其實比較好理解。學過計算機基礎知識的童鞋應該還記得，存儲分為內存和外存。

內存以前也叫運行內存（運存），計算機通電后，配合 CPU 等進行工作。斷電后，數據就沒有了，屬于易失性（VM）存儲器。

而外存呢，也就是硬盤，存放了大量的數據文件。當計算機關機后，只要你執行了保存（寫入）操作，數據就會繼續存在，屬于非易失性（NVM）存儲器。

請大家注意：現在很多資料也將半導體存儲器分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM），大家應該很耳熟吧？

ROM 只讀存儲器：很好理解，可以讀取，不可以寫入。

RAM 隨機存取存儲器：指的是它可以“隨機地從存儲器的任意存儲單元讀取或寫入數據”，這是相對傳統磁存儲必須“順序存取（Sequential Access）”而言的。

有些人認為，易失性存儲器就是 RAM，非易失性存儲器就是 ROM。其實，這是不嚴謹的，原因待會會講。

█易失性存儲器（VM）

在過去幾十年內，易失性存儲器沒有特別大的變化，主要分為 DRAM（動態隨機存取存儲器，Dynamic RAM）和 SRAM（靜態隨機存取存儲器，Static RAM）。

DRAM

DRAM 由許多重復的位元格（Bit Cell）組成，每一個基本單元由一個電容和一個晶體管構成（又稱 1T1C 結構）。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象。所以，必須在數據改變或斷電前，進行周期性“動態”充電，保持電勢。否則，就會丟失數據。

因此，DRAM 才被稱為“動態”隨機存儲器。

DRAM 一直是計算機、手機內存的主流方案。計算機的內存條（DDR）、顯卡的顯存（GDDR）、手機的運行內存（LPDDR），都是 DRAM 的一種。（DDR 基本是指 DDR SDRAM，雙倍速率同步動態隨機存儲器。）

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，它就是我們 CPU 緩存所使用的技術。

SRAM 的架構，比 DRAM 復雜很多。

SRAM 的基本單元，則最少由 6 管晶體管組成：4 個場效應管（M1, M2, M3, M4）構成兩個交叉耦合的反相器，2 個場效應管（M5, M6）用于讀寫的位線（Bit Line）的控制開關，通過這些場效應管構成一個鎖存器（觸發器），并在通電時鎖住二進制數 0 和 1。

因此，SRAM 被稱為“靜態隨機存儲器”。

▲SRAM 存儲單元

SRAM 不需要定期刷新，響應速度快，但功耗大、集成度低、價格昂貴。

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。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品。

非易失性存儲器產品的技術路線，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，出廠的時候，存儲內容就已經寫死了，無法做任何修改。

這種 ROM，靈活性很差，萬一有內容寫錯了，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”進存儲器里面，讓用戶無法更改，適合早期的批量生產。

后來，專家們發明了PROM（Programmable ROM，可編程 ROM）。這種 ROM 一般只可以編程一次。出廠時，所有存儲單元皆為 1。通過專用的設備，以電流或光照（紫外線）的方式，熔斷熔絲，可以達到改寫數據的效果。

PROM 的靈活性，比 ROM 更高一些，但還是不夠。最好是能夠對數據進行修改，于是，就有專家發明了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，采用電進行擦除的，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 bit 中寫 0 或者 1，就是按“bit”讀寫，不必將內容全部擦除后再寫。它的擦除操作，也是以“bit”為單位，速度還是太慢了。

上世紀 80 年代，日本東芝的技術專家 ——舛岡富士雄，發明了一種全新的、能夠快速進行擦除操作的存儲器，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，FLASH 的具體原理我們下次再專門介紹。我們只需要知道，Flash 存儲是以“塊”為單位進行擦除的。

常見的塊大小為 128KB 和 256KB。1KB 是 1024 個 bit，比起 EEPROM 按 bit 擦除，快了幾個數量級。

目前，FLASH 的主流代表產品也只有兩個，即：NOR Flash和NAND Flash。

NOR Flash

NOR Flash 屬于代碼型閃存芯片，其主要特點是芯片內執行（XIP，Execute In Place），即應用程序不必再把代碼讀到系統 RAM 中，而是可以直接在 Flash 閃存內運行。

所以，NOR Flash 適合用來存儲代碼及部分數據，可靠性高、讀取速度快，在中低容量應用時具備性能和成本上的優勢。

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。

早期的時候，NOR Flash 還會用在高端手機上，但是后來，智能機開始引入 eMMC 后，連這塊市場也被排擠了。

近年來，NORFlash 的應用有所回升，市場回暖。低功耗藍牙模塊、TWS 耳機、手機觸控和指紋、可穿戴設備、汽車電子和工業控制等領域，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 屬于數據型閃存芯片，可以實現大容量存儲。

它以頁為單位讀寫數據，以塊為單位擦除數據，故其寫入和擦除速度雖比 DRAM 大約慢 3-4 個數量級，卻也比傳統的機械硬盤快 3 個數量級，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品。

而 eMCP，是把 eMMC 與 LPDDR 封裝為一體，進一步減小模塊體積，簡化電路連接設計。

2011 年，UFS（Universal Flash Storage，通用閃存存儲）1.0 標準誕生。后來，UFS 逐漸取代了 eMMC，成為智能手機的主流存儲方案。當然了，UFS 也是基于 NAND FLASH 的。

▲這些年主流手機的標配

SSD，大家應該很熟悉了。它基本上都是采用 NAND 芯片的，目前發展非常迅猛。

▲SSD 內部構造

根據內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），依次代表每個存儲單元存儲的數據分別為 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（擦寫循環次數，即壽命）會下降。

這幾年，DIY 裝機圈圍繞 SLC / MLC / TLC / QLC 的爭議比較大。一開始，網友們覺得 SSD 硬盤的壽命會縮水。后來發現，好像縮水也沒那么嚴重，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 技術不斷發展，堆疊層數不斷提升，容量也越來越大。

█新型存儲器（非易失性）

2021 年，美國 IBM 提出“存儲級內存〞（SCM, Storage-Class Memory）的概念。IBM 認為，SCM 能夠取代傳統硬盤，并對 DRAM 起到補充作用。

SCM 的背后，其實是行業對新型存儲器（介質）的探索。

按行業的共識，新型存儲器可以結合了 DRAM 內存的高速存取，以及 NAND 閃存在關閉電源之后保留數據的特性，打破內存和閃存的界限，使其合二為一，實現更低的功耗，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。

█結語

匯總一下，小棗君畫了一個完整的半導體存儲分類圖：

上面這個圖里，存儲器類型很多。但我前面也說了，大家重點看 DRAM、NAND Flash 和 NOR Flash 就可以了。因為，在現在的市場上，這三種存儲器占了 96% 以上的市場份額。

其實，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，發揮自己的價值。

一般來說，性能越強的存儲器，價格就越貴，會越離計算芯片（CPU / GPU 等）越近。性能弱的存儲器，可以承擔一些對存儲時延要求低，寫入速度不敏感的需求，降低成本。

▲計算機系統中的典型存儲器層次結構

圖片來源：果殼硬科技

半導體存儲技術演進的過程，其實一直都受益于摩爾定律，在不斷提升性能的同時，降低成本。今后，隨著摩爾定律逐漸失效，半導體存儲技術將會走向何方，新型存儲介質能夠崛起？讓我們拭目以待。

參考文獻：

1、《數據存力白皮書》，華為、羅蘭貝格；

2、《中國存力白皮書》，2022 算力大會；

3、《計算機存儲歷史》，中國存儲網

4、《硬盤發展簡史》，SunnyZhang 的 I 世界；

5、《存儲技術發展歷程》，謝長生；

6、《存儲介質發展史》，B站，陰冷未遂；

7、《下一代數據存儲技術研究報告》，信通院；

8、《存儲芯片行業研究報告》，國信證券；

9、《國產存儲等待一場革命》，付斌，果殼；

10、《關于半導體存儲，沒有比這篇更全的了》，芯師爺

11、《科技簡章 035-半導體存儲之閃存》，悟彌津，知乎

12、維基百科相關詞條。

文章來源：鮮棗課堂

審核編輯 黃宇