大家应该都注意到了，在我们的日常生活中，存储介质远不止以上三种。我们经常使用的U盘、TF卡、SD卡，还有电脑上使用的DDR内存、SSD硬盘，都属于另一种存储技术。这种技术，我们称之为“半导体存储”。今天小枣君就重点给大家讲讲这方面的知识。半导体存储的分类现代存储技术，大体上分为三部分，即磁存储、光存储和半导体存储。半导体存储器，简而言之，是以“半导体集成电路”为存储介质的存储器。如果你拆开你的U盘或者SSD硬盘，你会发现里面全是PCB电路板，还有各种芯片和元器件。其中，有一类芯片，专门用来存储数据，有时也被称为“存储芯片”。与传统的磁盘（如HDD硬盘）相比，SSD硬盘的结构重量更轻，体积更小，读写速度更快。当然价格也比较贵。近年来，全社会都非常关注芯片半导体行业。不过大家主要关注的是CPU、GPU、手机SoC等计算芯片。众所周知，半导体存储器也是整个半导体产业的核心支柱之一。2021年全球半导体存储器市场规模为1538亿美元，占整个集成电路市场的33%，即三分之一。2022年全球主要品类半导体占比下降，但仍有26%。半导体存储器也是一大类，可进一步分为：易失性（VM）存储器和非易失性（NVM）存储器。顾名思义，易失性存储器在电路断电后不能保留数据，而非易失性存储器可以保留数据。这其实更容易理解。学过计算机基础的童鞋们应该记得，存储分为内存和外存。内存在过去也被称为运行内存（operationalmemory）。计算机通电后，与CPU等工作。断电后，数据消失，属于易失性（VM）内存。而外部存储，也就是硬盘，存储着大量的数据文件。当计算机关闭时，只要执行保存（写入）操作，数据就会继续存在，属于非易失性（NVM）内存。请注意：现在很多资料也将半导体存储器分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。大家应该不陌生吧？ROM只读存储器：很好理解，可以读，不能写。RAMRandomAccessMemory：意思是它可以“从存储器的任何存储单元随机读取或写入数据”，这是相对于传统的磁存储必须“顺序存取（SequentialAccess）”而言的。有人认为易失性存储器是RAM，非易失性存储器是ROM。其实这是不确切的，后面会解释原因。易失性存储器（VM）在过去的几十年里，易失性存储器并没有发生太大的变化，主要分为DRAM（DynamicRandomAccessMemory，动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器，StaticRAM）。DRAMDRAM由许多重复的位元单元(BitCell)组成，每个基本单元由一个电容和一个晶体管组成(也称为1T1C结构)。电容器中存储的电荷量用于表示“0”和“1”。三极管用于控制电容器的充放电。图片来源：LamResearch电容会导致漏电。因此，必须执行周期性“动态”充电以在数据更改或电源故障之前保持电位。否则，数据将丢失。因此，DRAM被称为“动态”随机存取存储器。DRAM一直是电脑和手机内存的主流方案。电脑内存（DDR）、显卡内存（GDDR）、手机内存（LPDDR）都是DRAM的类型。（DDR基本上是指DDRSDRAM，双倍速率同步动态随机存取存储器。）值得一提的是，除了GDDR之外，还有一种新型显存叫做HBM（HighBandwidthMemory）。它是由许多DDR芯片堆叠而成，并与GPU封装在一起（显存颗粒在外面已经看不到了）。您可能不熟悉SRAMSRAM。其实就是我们CPU缓存用的技术。SRAM的结构比DRAM复杂得多。SRAM的基本单元至少由6个晶体管组成：4个场效应管（M1、M2、M3、M4）组成两个交叉耦合的反相器，2个场效应管（M5、M6）用于读取控制开关所写入的位线(BitLine)通过这些场效应管形成一个锁存器(flip-flop)，在上电时锁定二进制数0和1。因此，SRAM被称为“静态随机存取存储器”。SRAM存储单元SRAM不需要定期刷新，响应速度快，但功耗大，集成度低，价格昂贵。因此主要用于CPU的主缓存和辅助缓存。此外，它还将用于FPGA。它的市场占有率一直比较低，存在感比较弱。非易失性存储器（NVM）接下来看一下非易失性存储器产品。非易失性存储器产品的技术路线有很多。最早的就是上面说的ROM。最古老的一种ROM，即“真”ROM——完全只读，出厂时存储内容是硬编码的，不能以任何方式修改。这种ROM非常不灵活。如果内容有误，没有办法更正，只能丢弃。掩膜只读存储器（MASKROM）就是上述ROM的代表。说白了就是直接用mask工艺把信息“刻”进内存，让用户无法更改，适合早期量产。后来专家发明了PROM（ProgrammableROM，可编程只读存储器）。此ROM通常只能编程一次。出厂时，所有存储单元都是1。通过专用设备，可以通过电流或光（紫外线）形式烧断保险丝，达到重写数据的效果。PROM的灵活性比ROM高，但还是不够。最好是能够修改数据，所以有专家发明了EPROM（ErasableProgrammable，可擦除可编程ROM）。擦除的方式可以是光或电。用电比较方便，用电擦除的就称为EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableEEPROM）。EEPROM是以Byte为最小修改单位。也就是说，可以在每个位中写入0或1，即按“位”读写，写入前不必擦除所有内容。它的擦除操作也是基于“位”的，速度还是太慢了。20世纪80年代，日本东芝技术专家增冈藤雄发明了一种全新的能够进行快速擦除操作的存储器，即Flash（闪存）。Flash在英文中的意思是“迅速”。限于篇幅，我们下次再介绍FLASH的具体原理。我们只需要知道，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为1024位，比按位擦除EEPROM快几个数量级。目前FLASH的主流代表产品只有两种，即：NORFlash和NANDFlash。NORFlashNORFlash是一种代码型闪存芯片，其主要特点是在芯片内执行（XIP，ExecuteInPlace），即应用程序不需要将代码读入系统RAM，而是可以直接在闪存中运行。因此，NORFlash适合存储代码和部分数据，可靠性高，读取速度快，在中低容量应用中具有性能和成本优势。但是NORFlash的写入和擦除速度很慢，体积是NANDFlash的两倍，因此使用受到限制，市场占有率较低。早期NORFlash还是用在高端手机上，但后来智能手机开始引入eMMC后，连这个市场都被排除在外了。近年来，NORFlash应用回暖，市场回暖。低功耗蓝牙模块、TWS耳机、手机触摸和指纹、可穿戴设备、汽车电子和工控等，更多地使用NORFlash。与NANDFlash相比，NANDFlash的市场份额要大得多。NANDFlash是一种数据型闪存芯片，可以实现大容量存储。它以页为单位读写数据，以块为单位擦除数据。因此，虽然它的写入和擦除速度比DRAM慢了大约3-4个数量级，但也比传统机械硬盘快了3个数量级。广泛应用于eMMC/EMCP、U盘、SSD等市场。前面提到了eMMC。几年前，这个词还很流行。eMMCeMMC是嵌入式多媒体卡（embeddedMultiMediaCard），将MMC（多媒体卡）接口、NAND和主控制器封装在一个小的BGA芯片中，主要解决NAND品牌差异兼容性等问题，厂商可以快速方便的推出新产品。eMCP是将eMMC和LPDDR封装为一体，进一步缩小模块尺寸，简化电路连线设计。2011年，UFS（UniversalFlashStorage）1.0标准诞生。后来，UFS逐渐取代eMMC，成为智能手机的主流存储方案。当然，UFS也是基于NANDFLASH的。这些年主流手机的SSD标配大家应该都不陌生了。它基本上使用NAND芯片，目前发展非常迅速。SSD的内部结构根据内部电子单元密度的不同，NAND可分为SLC（单层存储单元）、MLC（双层存储单元）、TLC（三层存储单元）、QLC（四层存储单元）-layerstoragecell），依次代表每个存储单元存储的数据为1bit、2bit、3bit、4bit。从SLC到QLC，存储密度会逐渐增加，每bit的成本也会也会降低。但相对来说，性能、功耗、可靠性、P/E周期（擦写周期数，即寿命）都会降低。近年来，围绕SLC/DIY装机圈的MLC/TLC/QLC，一开始网友以为SSD硬盘寿命会缩水，后来发现缩水并没有那么严重，寿命还是够用的，所以慢慢接受了早期的NAND都是2D的NAND，工艺进入16nm之后，2D的成本NAND大涨，平面微缩工艺难度和成本难以承受。于是，3DNAND出现了。图片来源：electronics-lab简单来说，从平房到大楼，利用三维堆叠来增加内存容量，降低2DNAND的制程压力。2012年，三星推出第一代3DNAND闪存芯片。后来3DNAND技术不断发展，堆叠层数不断增加，容量也越来越大。新型内存（non-volatile）2021年，美国IBM公司提出了“存储级内存”（SCM，Storage-ClassMemory）的概念。IBM认为SCM可以取代传统硬盘，补充DRAM。SCM的背后其实是业界对新型存储（介质）的探索。按照业界的共识，新型内存可以结合DRAM内存的高速存取和NAND闪存断电后保留数据的特点，打破内存和闪存的界限，将两者组合成一是实现更低的功耗。寿命更长，速度更快。目前新型存储器主要有几种：相变存储器（PCM）、电阻式存储器（ReRAM/RRAM）、铁电存储器（FeRAM/FRAM）、磁存储器（MRAM，第二代为STT-RAM）、碳纳米管存储器。限于篇幅（主要是没看懂，太难了），今天就不一一介绍了。以后研究清楚了会专门写一篇文章。结语综上所述，小枣老师画了一张完整的半导体存储分类图：上图中，内存有很多种。但正如我之前所说，你可以专注于DRAM、NANDFlash和NORFlash。因为，在目前的市场上，这三类内存占据了96%以上的市场份额。其实，所有的记忆，都会根据自己的特点，在市场上找到自己的定位，发挥自己的价值。一般来说，越强大的内存越贵，越接近计算芯片（CPU/GPU等）。性能较弱的内存可以承受一些低存储延迟和不敏感写入速度的要求，降低成本。计算机系统中典型的内存层次结构图片来源：NutshellHardTechnology半导体存储技术的演进一直得益于摩尔定律，在降低成本的同时不断提高性能。未来，随着摩尔定律逐渐失效，半导体存储技术将何去何从，新的存储介质能否涌现？让我们拭目以待。
