在計算機和嵌入式系統中，各種存儲技術扮演著不同的角色，它們的性能特點和應用場景各不相同。很多人對DRAM、SRAM、HBM、ROM、NOR Flash、NAND Flash、eMMC、UFS 等術語感到困惑，不清楚它們之間的區別和關系，以及哪些是片上存儲，哪些是片外存儲。本文將系統地解析這些存儲技術，并以樹莓派和x86個人電腦為例，說明它們在實際系統中的應用。

存儲技術分類框架

存儲技術可以按照數據保存的持久性分為兩大類：

存儲技術 │ ├─ 易失性存儲 (斷電數據丟失) │  ├─ SRAM (靜態隨機存取存儲器) │  └─ DRAM 家族 (動態隨機存取存儲器) │    ├─ 傳統DRAM │    ├─ SDRAM (同步動態隨機存取存儲器) │    ├─ DDR SDRAM (雙倍數據率SDRAM) │    │  ├─ DDR1/2/3/4/5│    │  └─ LPDDR (低功耗DDR) │    └─ HBM (高帶寬內存) │ └─ 非易失性存儲 (斷電數據保留)   ├─ ROM 家族 (只讀存儲器)   │  ├─ 掩膜ROM   │  ├─ PROM (可編程ROM)   │  ├─ EPROM (可擦除可編程ROM)   │  └─ EEPROM (電可擦除可編程ROM)   │   ├─ Flash 家族   │  ├─ NOR Flash   │  └─ NAND Flash   │   └─ 新型非易失存儲     ├─ eMMC (嵌入式多媒體卡)     ├─ SSD (固態硬盤)     └─ UFS (通用閃存存儲)

Flash存儲技術詳解

Flash存儲是一種非易失性存儲器，即使斷電后也能保留數據。主要分為NOR Flash和NAND Flash兩種類型。

NOR Flash與NAND Flash對比

特性	NOR Flash	NAND Flash
存儲單元結構	每個單元直接連接到位線和字線	單元排列成串聯結構
隨機訪問能力	支持(可按字節訪問)	不支持(按頁訪問)
讀取速度	快(50-100ns)	中等(25-50μs)
寫入速度	慢(5-10μs/字節)	快(200-300μs/頁)
擦除速度	很慢(0.5-2s/塊)	快(1.5-3ms/塊)
擦除單位	較大塊(64KB-128KB)	較小塊(4KB-16KB)
存儲密度	低	高
成本/比特	高	低
耐久性(擦寫次數)	10萬-100萬次	1千-10萬次
錯誤率	低	高(需要ECC錯誤糾正)
壞塊管理	通常不需要	必需
XIP支持	支持(可直接執行代碼)	不支持
典型容量范圍	幾MB-幾百MB	幾GB-幾TB
典型應用	BIOS/UEFI固件 微控制器程序存儲 啟動代碼	SSD存儲介質 SD卡/U盤 大容量數據存儲

NOR Flash詳解

工作原理：
NOR Flash的存儲單元直接連接到位線和字線，允許隨機訪問任何存儲單元，類似于RAM的訪問方式。

主要特點：

支持隨機讀取，可以按字節訪問

讀取速度快，適合存儲需要直接執行的代碼

支持XIP(Execute In Place)，程序可以直接從Flash中執行

寫入和擦除速度較慢

容量相對較小，成本較高

應用場景：

存儲啟動代碼和固件

微控制器內部程序存儲

BIOS/UEFI芯片

需要隨機訪問的小容量存儲

NAND Flash詳解

工作原理：
NAND Flash的存儲單元排列成串聯結構，需要按頁讀取數據，不支持隨機訪問單個字節。
SLC MLC TLC QLC

主要特點：

高存儲密度，適合大容量存儲

按頁(2KB-16KB)讀寫，不支持隨機字節訪問

寫入和擦除速度快

需要錯誤檢測與糾正(ECC)和壞塊管理

成本較低

應用場景：

大容量數據存儲

SSD(固態硬盤)

USB閃存驅動器

SD卡和TF卡

智能手機和平板電腦存儲

RAM技術詳解

RAM(隨機存取存儲器)是一種易失性存儲器，斷電后數據會丟失。主要分為SRAM和DRAM兩大類。

SRAM(靜態隨機存取存儲器)

工作原理：
使用雙穩態電路(通常6個晶體管)存儲每個位，只要有電源供應，數據就能保持不變。

主要特點：

速度極快(2-10納秒訪問時間)

不需要刷新操作維持數據

密度低，功耗高，成本高

集成度低，占用芯片面積大

應用場景：

CPU緩存(L1/L2/L3 Cache)

微控制器內部的工作內存

高速緩沖區

是否片上：通常集成在CPU/微控制器內部(片上)，作為緩存或工作內存

DRAM(動態隨機存取存儲器)

工作原理：
使用一個晶體管和一個電容存儲每個位，需要定期刷新以防止數據丟失。

主要特點：

密度高，成本低，功耗中等

需要定期刷新(通常每幾毫秒)

訪問時間較長(50-100納秒)

集成度高，適合大容量存儲

DRAM的主要類型：

傳統DRAM：早期的DRAM技術，現已很少使用。

SDRAM(同步動態隨機存取存儲器)：

與系統時鐘同步工作

支持突發傳輸模式，提高吞吐量

訪問時間10-20納秒

DDR SDRAM(雙倍數據率SDRAM)：

在時鐘信號的上升沿和下降沿都傳輸數據

有多代產品：DDR、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5

每代性能提升約一倍

LPDDR(低功耗DDR)：

DDR的低功耗版本，專為移動設備設計，筆記本電腦常見

犧牲部分性能換取更低功耗

有多代產品：LPDDR2、LPDDR3、LPDDR4、LPDDR5

應用場景：

系統主內存

圖形卡內存

大容量臨時存儲

是否片上：通常是獨立芯片(片外)，通過內存總線連接到CPU，以DIMM或SO-DIMM形式安裝

HBM(高帶寬內存)

HBM是一種革命性的DRAM技術，通過3D堆疊和寬總線接口實現超高帶寬，主要用于高性能計算和圖形處理應用。

工作原理：
HBM將多個DRAM芯片垂直堆疊，并通過硅穿孔(TSV, Through-Silicon Via)技術互連，形成一個緊湊的"內存立方體"，然后通過寬接口（通常1024位）與處理器通信。

架構特點：

3D堆疊結構：

多個DRAM芯片(通常4-8層)垂直堆疊

使用TSV(硅穿孔)技術進行層間互連

每個堆棧形成一個"內存立方體"(memory cube)

2.5D封裝技術：

HBM與處理器芯片并排放置在硅中介層(silicon interposer)上

中介層提供高密度互連，替代傳統PCB布線

大幅縮短信號路徑，降低延遲和功耗

超寬接口：

每個HBM堆棧提供1024位寬接口

相比DDR4的64位寬，帶寬提升16倍

工作頻率相對較低(2-3.6Gbps)，降低功耗

HBM各代技術規格對比：

特性	HBM1	HBM2	HBM2E	HBM3	HBM3E
發布年份	2015	2016	2019	2021	2023
每引腳帶寬	1Gbps	2Gbps	3.6Gbps	6.4Gbps	9.2Gbps
堆棧層數	4層	4-8層	8-12層	8-12層	12-16層
每堆棧容量	1-4GB	2-8GB	8-24GB	16-32GB	24-48GB
每堆棧帶寬	128GB/s	256GB/s	460GB/s	819GB/s	1.2TB/s
多堆棧總帶寬	512GB/s	1TB/s	1.84TB/s	3.27TB/s	4.8TB/s

HBM的優勢：

超高帶寬，遠超傳統DDR內存

相比GDDR6，相同帶寬下功耗低50%以上

緊湊尺寸，節省PCB空間

更低的工作頻率，降低電磁干擾

HBM的局限性：

成本高，制造復雜

需要特殊的2.5D封裝技術

容量擴展性有限

供應鏈相對受限

應用場景：

高端GPU（如NVIDIA H100、AMD Instinct MI300）

AI加速器（如Google TPU）

高性能計算(HPC)系統

網絡交換設備

高端FPGA

是否片上：通常與處理器同封裝但分離芯片，采用2.5D封裝技術（硅中介層）

ROM和嵌入式存儲技術詳解

ROM(只讀存儲器)

ROM是一種非易失性存儲器，主要用于存儲固定的程序和數據。

主要類型：

掩膜ROM：

內容在制造時固化，不可修改

成本最低，適合大批量生產

PROM(可編程ROM)：

可使用編程器寫入一次數據，之后不可修改

適合小批量生產

EPROM(可擦除可編程ROM)：

可通過紫外線擦除數據，然后重新編程

需要特殊的編程設備

EEPROM(電可擦除可編程ROM)：

可電擦除可編程ROM，可按字節修改

擦寫次數有限(通常10萬次左右)

適合存儲需要偶爾修改的配置數據

應用場景：

存儲引導程序(BIOS/UEFI)

微控制器程序存儲

存儲固定配置數據

是否片上：可能是片上也可能是片外，取決于系統設計

eMMC(嵌入式多媒體卡)

eMMC是一種集成了NAND Flash和控制器的嵌入式存儲解決方案，提供標準接口，簡化系統設計。

主要特點：

將NAND Flash和控制器集成在一個封裝中

控制器處理壞塊管理、磨損均衡、錯誤糾正等

提供標準接口，簡化系統設計

容量通常從4GB到256GB不等

性能介于原始NAND Flash和SSD之間

應用場景：

智能手機和平板電腦的主存儲

低端筆記本電腦

嵌入式系統和單板計算機(如某些樹莓派型號)

是否片上：片外，通常直接焊接在主板上

UFS(通用閃存存儲)

UFS是一種高性能嵌入式存儲標準，旨在替代eMMC，為移動設備提供更高性能和更低功耗。

工作原理：
UFS基于SCSI架構，采用全雙工通信和MIPI M-PHY物理層接口，支持命令隊列和并發操作。

架構特點：

SCSI命令集：

采用成熟的SCSI命令協議

支持復雜的命令隊列和優先級管理

兼容現有軟件生態系統

全雙工通信：

兩條獨立的單向數據通道

同時支持讀寫操作

顯著提高并發性能

MIPI UniPro協議棧：

采用分層協議架構

提供可靠的數據傳輸和錯誤恢復

支持服務質量(QoS)管理

MIPI M-PHY物理層：

高速、低功耗的串行接口

支持多種速率檔位

先進的電源管理功能

UFS各代技術規格對比：

特性	UFS 2.1	UFS 3.0	UFS 3.1	UFS 4.0
發布年份	2015	2018	2020	2022
每通道速率	600MB/s	1450MB/s	1450MB/s	2100MB/s
總理論帶寬	1.2GB/s	2.9GB/s	2.9GB/s	4.2GB/s
通道數	2(全雙工)	2(全雙工)	2(全雙工)	2(全雙工)
特殊功能	基本功能	深度休眠	WriteBooster 性能調節 原子寫入	更低功耗 更高可靠性
相對功耗	基準	-30%	-30%	-46%

UFS相比eMMC的優勢：

特性	UFS 3.1	eMMC 5.1
最大帶寬	2.9 GB/s	400 MB/s
通信方式	全雙工	半雙工
命令處理	多命令隊列	單命令處理
接口類型	差分串行	并行
功耗效率	高	中

應用場景：

高端智能手機

平板電腦

增強現實/虛擬現實設備

汽車信息娛樂系統

高性能嵌入式系統

片上與片外存儲

片上存儲(On-chip)

片上存儲是指集成在處理器芯片內部的存儲器，如：

SRAM ：用于CPU緩存(L1/L2/L3)

小容量ROM ：用于存儲啟動代碼

微控制器內部Flash ：用于存儲程序代碼

特點：

訪問速度極快(直接通過片內總線)

容量有限(受芯片面積限制)

成本高(增加芯片復雜度)

功耗低(無需外部接口)

片外存儲(Off-chip)

片外存儲是指與處理器芯片分離的獨立存儲設備，如：

DRAM ：系統主內存

SSD/HDD ：大容量存儲

外部Flash ：擴展存儲

HBM ：雖然與處理器封裝在一起，但仍是獨立芯片

特點：

訪問速度較慢(需要通過外部總線)

容量大(不受處理器芯片面積限制)

成本相對較低

功耗較高(需要外部接口)

實際系統中的存儲架構

樹莓派存儲架構

以樹莓派4B為例：

片上(SoC內部)存儲

L1緩存：

類型 ：SRAM

容量 ：32KB指令緩存 + 32KB數據緩存(每個核心)

用途 ：最快速的CPU數據訪問

L2緩存：

類型 ：SRAM

容量 ：1MB(共享)

用途 ：二級CPU緩存

ROM：

類型 ：掩膜ROM

容量 ：幾KB

用途 ：存儲初始引導代碼

片外存儲

主內存：

類型 ：LPDDR4 SDRAM

容量 ：1GB/2GB/4GB/8GB(取決于型號)

用途 ：操作系統和應用程序的運行內存

啟動/系統存儲：

類型 ：microSD卡(基于NAND Flash)

容量 ：通常8GB-128GB(用戶選擇)

用途 ：存儲操作系統、應用程序和用戶數據

可選擴展存儲：

類型 ：USB外接硬盤/SSD

容量 ：取決于外接設備

用途 ：額外數據存儲

樹莓派啟動流程

SoC上電后，執行片上ROM中的代碼

ROM代碼初始化基本硬件并從SD卡加載第一階段引導加載程序

引導加載程序初始化SDRAM并加載操作系統內核

操作系統加載到SDRAM并開始執行

操作系統從SD卡加載其他組件和應用程序

x86個人電腦存儲架構

現代x86個人電腦擁有更復雜的存儲層次結構：

片上(CPU內部)存儲

L1緩存：

類型 ：SRAM

容量 ：通常32KB-64KB指令緩存 + 32KB-64KB數據緩存(每個核心)

用途 ：最快速的CPU數據訪問

L2緩存：

類型 ：SRAM

容量 ：通常256KB-1MB(每個核心)

用途 ：二級CPU緩存

L3緩存：

類型 ：SRAM

容量 ：通常4MB-64MB(所有核心共享)

用途 ：三級CPU緩存

片外存儲

主內存：

類型 ：DDR4 SDRAM(現代系統)

容量 ：通常8GB-64GB

用途 ：操作系統和應用程序的運行內存

接口 ：DIMM插槽

BIOS/UEFI存儲：

類型 ：NOR Flash

容量 ：通常8MB-32MB

用途 ：存儲系統固件(BIOS/UEFI)

位置 ：主板上

主存儲：

類型 ：SSD(基于NAND Flash)或HDD(機械硬盤)

容量 ：SSD通常256GB-2TB，HDD通常1TB-8TB

用途 ：存儲操作系統、應用程序和用戶數據

接口 ：SATA、PCIe或M.2

x86 PC啟動流程

系統上電后，CPU執行位于固定地址的指令，訪問BIOS/UEFI(NOR Flash)

BIOS/UEFI初始化基本硬件并識別啟動設備

從啟動設備(通常是SSD)加載操作系統引導加載程序

引導加載程序加載操作系統內核到主內存(DRAM)

操作系統接管控制權，初始化其他組件

應用程序從SSD加載到DRAM并執行

存儲技術對比表

存儲類型	易失性	典型訪問時間	密度	成本	功耗	主要應用	通常位置
SRAM	易失	2-10ns	非常低	非常高	中-高	CPU緩存	片上
DRAM	易失	50-100ns	中	中	中	主內存	片外
SDRAM	易失	10-20ns	中	中	中	主內存	片外
DDR SDRAM	易失	5-15ns	中-高	中	中-高	現代主內存	片外
ROM	非易失	50-150ns	中	低	非常低	固件存儲	片上/片外
EEPROM	非易失	200-300ns	低	中-高	低	配置數據	片上/片外
NOR Flash	非易失	讀:50-100ns 寫:5-10μs 擦:0.5-2s	低-中	中-高	低	代碼存儲	片上/片外
NAND Flash	非易失	讀:25-50μs 寫:200-300μs 擦:1.5-3ms	高	低	低	大容量存儲	片外

常見問題解答

問：為什么有些存儲是片上而有些是片外？

答：這主要取決于性能需求、成本和物理限制：

片上存儲提供最快的訪問速度，但容量受限且成本高

片外存儲可提供更大容量，成本更低，但訪問速度較慢

高性能部件需要最快速的訪問(如CPU緩存)，必須集成在芯片內

大容量存儲由于物理尺寸限制無法集成在處理器芯片上

問：為什么需要這么多不同類型的存儲？

答：計算機系統使用多層次存儲架構來平衡性能、容量和成本：

越靠近CPU的存儲越快但容量小且昂貴(如SRAM緩存)

越遠離CPU的存儲越慢但容量大且便宜(如硬盤/SSD)

不同應用場景需要不同的性能和容量特性

通過組合使用這些技術，系統可以在性能和成本之間取得最佳平衡

問：Flash存儲器會"磨損"是什么意思？

答：Flash存儲單元有有限的擦寫壽命：

每個存儲單元在被擦除后會輕微退化

達到擦寫次數上限后(NAND約1千-10萬次，NOR約10萬-100萬次)，單元可能無法可靠存儲數據

這就是所謂的"磨損"

現代Flash存儲設備使用"磨損均衡"技術，確保所有存儲單元均勻使用，延長整體壽命

問：HBM和普通DRAM有什么根本區別？

答：HBM和普通DRAM使用相同的基礎存儲單元技術，但在架構和接口上有根本區別：

HBM采用3D堆疊結構，通過TSV實現層間互連

HBM使用超寬數據總線(1024位)，而DDR SDRAM使用64位總線

HBM與處理器通過硅中介層緊密集成，縮短信號路徑

HBM針對帶寬優化，而非延遲，工作頻率實際低于DDR SDRAM

總結

存儲技術是一個復雜而多樣化的領域，不同類型的存儲技術各有優缺點和適用場景：

NOR Flash ：適合存儲需要直接執行的代碼，如BIOS和微控制器程序

NAND Flash ：適合大容量數據存儲，是SSD、SD卡和U盤的基礎

SRAM ：速度極快但容量小，主要用于CPU緩存

DRAM ：容量大但需要刷新，是系統主內存的主要選擇

ROM ：用于存儲固定的程序和數據，如啟動代碼

eMMC ：集成了NAND Flash和控制器，適合嵌入式系統的主存儲

SSD ：集成了NAND Flash和控制器，是現代計算機的主存儲設備，提供高性能和大容量

UFS ：提供高性能和低延遲，是eMMC的升級版

HBM ：用于高性能計算和圖形處理，提供極高帶寬