存储器RAM中按原理的分类和总结

存储器类型有很多，常见的有ROM（Read-onlymemory只读的），RAM（Random-accessmemory可读可写的），还有一类被大家忽略的CAM（可以自行百度）。

网上另一种方法把SRAM/DRAM/DDRAM归为RAM类，ROM/EEPROM/HDD/FLASH归到ROM类。其实，这种归类方法大致是以掉电是否丢失信息的标准划归的，而不是简单的readonly。 下文不采用上述方法分类

目前主流存储器大部分都是RAM，在RAM中按原理还分为两类——易失性的（Volatile）和非易失的（Non-Volatile），区别在于断电后是否保存数据。易失性存储器有SRAM、DRAM、SDRAM和DDR等，主要用途分别是高速缓存（cache）和内存条。非易失性存储器主要是包含硬盘（磁学，HardDisk Drive, HDD）、Flash、光盘（光学），用在我们的U盘，SD卡和SSD硬盘中。下文中不涉及光学的光盘和磁学的硬盘。

01 ROM  

ROM 是英文Read-OnlyMemory的缩写，翻译成中文就是"只能读取的记忆"，计算机术语叫"只读存储器"。这种存储器里的内容是人们在制作好它之后，用电子工艺预先写进去的。在这之后一般就不能修改它里面的内容了，而只能从中读取内容，不过也有可擦写的ROM，里面的数据是不会掉的。

02 非易失性RAM  

2.1原理

FlashMemory的标准物理结构称之为位（cell），其特色为一般MOS的闸极（Gate）和通道的间隔为氧化层之绝缘（gateoxide），而FlashMemory在控制闸（Controlgate）与通道间却多了一层物质，称之为浮闸（floatinggate）。拜这层浮闸之赐，使得FlashMemory可以完成三种基本操作模式，亦即读（byte或word）、写（byte或word）、抹除（一个或多个内存空间），就算在不提供电源给内存的环境下，也能透过此浮闸，保存数据的完整性。

由于浮闸的物理特性与结构，使得当浮闸被注入负电子时，此一位就由数字"1"被写成"0"；相对的当负电子从浮闸中移走后，此一位就由数字"0"变成"1"，此过程称之为抹除。目前产业界有许多将负电子注入浮闸或移除技术的探讨，其中热电子注入法（hot-electroninjection），是当源极（source）接地，控制闸的电压大于汲极（Drain）的电压时，浮闸与通道间氧化层的能量带会变得很狭隘，因此在通道中的负电子会被加速自通道上跳到浮闸中，进而完成写的动作。同样的原理可以运用在抹除的功能上，当控制闸接地且源极接至一个高压时，浮闸上的负电子将会自浮闸中拉至源极，进而完成抹除的动作。FlashMemory就是透过这种负电子存放或移除于浮闸的原理，使得本身具有重复读写的特性。

2.2发展

首先登场的EEPROM，在1970年代初期，各种公司和组织进行了电可重新编程非易失性存储器的一些研究，发明和开发。1971年，最早的研究报告已提交第三次会议上的固态设备，东京的樽井康夫，丰林，和永井清子在日本电工实验室; 日本国家研究所。他们在1972年制造了EEPROM器件。

EEPROM组织为浮栅晶体管阵列。EEPROM可以通过施加特殊的编程信号进行在线编程和擦除。最初，EEPROM仅限于单字节操作，这使其运行速度较慢，但是现代EEPROM允许多字节页面操作。EEPROM的擦除和重新编程寿命有限。

1980年在EEPROM基础上发明了闪存，也就是Flash，可以对其进行电擦除和重新编程。闪存的两种主要类型，即NOR闪存和NAND闪存，以NAND和NOR 逻辑门命名。闪存的一个主要缺点是，它只能在特定块中忍受相对较少的写周期。东芝于1987年向市场推出了闪存。闪存具有非易失性之外，闪存还提供了快速的读取访问时间，尽管不如静态RAM或ROM快。它的机械抗震性有助于解释其在便携式设备中优于硬盘的原因。

由于闪存的成本远低于字节可编程EEPROM，并且在系统需要大量非易失性固态存储的任何地方，闪存已成为主导的存储类型。但是，EEPROM仍用于仅需要少量存储的应用，例如在串行状态检测中。

NAND和NORflash的差别。从下图来看，显然，NANDflash的gate的source和drain都是连续的，呈casode链接，所以每个cell的面积要小得多，而NOR的所有source和drain都是分开的，占用更多面积。另外，NOR的每个cell都和bitline有连接，可以随机任意读取。而NANDcell只有最头上的cell连上了bitline，因此只能顺序块状读取。因此NAND往往容量大，但是不能随机读取，而NOR虽然容量受限，但是读取方便。

NorFlash

NORFlash需要很长的时间进行抹写，但是它提供完整的寻址与数据总线，并允许随机存取存储器上的任何区域，这使的它非常适合取代老式的ROM芯片。NORFlash可以忍受一万到一百万次抹写循环，它同时也是早期的可移除式快闪存储媒体的基础。

 

NandFlash

NAND Flash是东芝在1989年的国际固态电路研讨会(ISSCC)上发表的，要在NandFlash上面读写数据，要外部加主控和电路设计。NANDFlash具有较快的抹写时间,而且每个存储单元的面积也较小，这让NANDFlash相较于NORFlash具有较高的存储密度与较低的每比特成本。同时它的可抹除次数也高出NORFlash十倍。然而NANDFlash 的I/O接口并没有随机存取外部地址总线，它必须以区块性的方式进行读取，NANDFlash典型的区块大小是数百至数千比特。

 

物理结构大概介绍完毕之后，剩下就各种协会的协议了。

MMC的全称是”MultiMediaCard”，MMC是一种通信协议，支持两种模式SPI和MMC。MMC模式是标准的默认模式，具有MMC的全部特性。而SPI模式则是MMC存贮卡可选的第二种模式，这个模式是MMC协议的一个子集。

下面介绍的SD卡，emmc，UFS是IC芯片，详细点说，NANDFlash 是一种存储介质，要在上面读写数据，外部要加主控和电路设计，eMMC是NANDflash+主控IC，对外的接口协议与SD、TF卡类似；对厂家而言简化了电路设计，降低了成本。

SD卡数据传送和物理规范由MMC发展而来，大小和MMC差不多。长宽和MMC一样，比MMC稍微厚了一点。兼容性方面SD卡向下兼容多媒体卡（MultiMedia Card）。所以SD卡也支持SPI接口访问。

emmc存储芯片简化了存储器的设计，将NANDFlash芯片和控制芯片以MCP技术封装在一起，省去零组件耗用电路板的面积，同时也让手机厂商或是计算机厂商在设计新产品时的便利性大大提高。eMMC则在其内部集成了FlashController，包括了协议、擦写均衡、坏块管理、ECC校验、电源管理、时钟管理、数据存取等功能。相比于直接将NANDFlash接入到Host端，eMMC屏蔽了NAND Flash 的物理特性，可以减少Host 端软件的复杂度，让Host 端专注于上层业务，省去对NAND Flash 进行特殊的处理。同时，eMMC通过使用Cache、MemoryArray 等技术，在读写性能上也比NAND Flash要好很多。另一方面，emmc的读写速度也比NANDFlash的读写速度快，emmc的读写可高达每秒50MB到100MB以上。

关注手机圈的同学经常听到UFS这个词，下面就讲述下UFS和emmc的关系。

电脑上，从HDD到SSD，从SATASSD到PCIeSSD，硬盘是越来越快；

手机上，从SD卡，到eMMC卡，再到UFS卡，存储卡的速度也是越来越快。

 

UFS（UniversalFlashStorage）通用闪存存储。它有两个意思，一是指手机存储接口协议，类似SATA，PCIe/NVMe；二是使用该协议的存储设备。UFS最新标准是UFS3.0，于2018年1月30日发布。它最大带宽可以达到2163MB/s！4倍SATA3.0的速度（600MB/s），超过PCIe3.0x2的速度（2GB/s单向速度）。

不过，目前市面上的UFS产品还是UFS2.0/2.1，其最大带宽1081MB/s，也是秒杀一般的SSD。

UFS解决了emmc的很多痛点，eMMC，使用的是并行数据传输。并行最大的问题是速度上不去，因为一旦时钟上去，干扰就变大，信号完整性无法保证。UFS使用差分信号，并且是全双工模式。UFS是手机存储的未来，关于UFS有很多内容，这里不再讲述了。

2.3 摩尔定律

上面讲述非易失性RAM的发展，基本都是协议的更新，不同IC芯片的设计等等。

著名的摩尔定律：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过24个月便会增加一倍。

由此可见，工艺的提升和不同厂家的技术，对于非易失性RAM的性能提升有很大的作用，特别是在容量上的提升。

早在十年前，NANDflash早已撞上了摩尔定律落幕的铁墙。由于flash擦写需要高压，所以，在16nm以下工艺里，高压很容易串扰到相近的gate导致错误地写入。

从现在往回看，我们会突然发现，过去的10年，无论是DRAM还是NANDflash都在3D化的道路上越走越远。在NANDflash领域，存储器巨头们分别提出了各种堆叠式的flash的够做，如下图

3D NANDflash并不是多个芯片的堆叠，而是直接把NAND的竖起来造。这样，在单位面积上，存在的晶体管数量就是堆叠的数量。于是，摩尔定律指望晶体管面积下将，转为了堆叠层数的增加。目前，据说64层甚至更高层数的NANDflash已经投入量产。

03 易失性RAM  

易失性随机存取半导体存储器的两种主要类型是静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。半导体RAM的商业用途可以追溯到1965年，当时IBM为他们的System/ 360 Model 95计算机引入了SP95SRAM芯片，而东芝则为其ToscalBC-1411电子计算器使用了DRAM存储单元，两者均基于双极晶体管。基于MOS晶体管的商用MOS存储器是在1960年代后期开发的，此后一直是所有商用半导体存储器的基础。1970年10月推出了第一款商用DRAMIC芯片Intel1103。同步动态随机存取存储器（SDRAM）随后于1992年与三星KM48SL2000芯片一起首次亮相。

3.1原理

存储器单元是计算机存储器的基本构建块。所述存储器单元是一个电子电路，它存储一个比特的二进制信息，它必须被设置为存储逻辑1（高电压电平）和复位以存储逻辑0（低电压电平）。它的值一直保持/存储，直到通过设置/重置过程对其进行更改。可以通过读取来访问存储单元中的值。

在SRAM中，存储单元是一种触发器电路，通常使用FET来实现。这意味着SRAM在不被访问时需要非常低的功耗，但是它昂贵且存储密度低。

第二种类型，DRAM，基于电容器。对该电容器进行充电和放电可以在电池中存储“1”或“0”。但是，该电容器中的电荷会慢慢泄漏掉，必须定期刷新。由于此刷新过程，DRAM使用更多的功率，但与SRAM相比，它可以实现更大的存储密度和更低的单位成本。

3.2发展

MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管），也被称为MOS晶体管，由穆罕默德M.Atalla和达沃·卡在贝尔实验室，1959年导致的发展金属氧化物半导体（MOS）由John施密特存储器在仙童半导体公司在1964年除了更高的性能，MOS半导体存储器是便宜和消耗比磁芯存储器更少的功率。费德里科·法金（FedericoFaggin）开发的硅栅MOS集成电路（MOSIC）技术1968年在仙童半导体公司（Fairchild）实现了MOS存储芯片的生产。在1970年代初期，MOS存储器已取代磁芯存储器成为主导的存储器技术。

1963年，FairchildSemiconductor的RobertH. Norman发明了集成的双极静态随机存取存储器（SRAM）。1964年，Fairchild的JohnSchmidt发明了MOSSRAM。SRAM成为了一种替代磁芯内存，但需要6个MOS晶体管的每个比特的数据。SRAM的商业使用始于1965年，当时IBM为System/ 360 Model 95推出了SP95存储芯片。

动态随机存取存储器（DRAM）允许为每个存储位用单个晶体管替换4或6晶体管锁存电路，从而以易失性为代价大大提高了存储密度。数据存储在每个晶体管的微小电容中，必须每隔几毫秒定期刷新一次，以免电荷泄漏。东芝于1965年推出的ToscalBC-1411电子计算器，使用了一种电容性双极DRAM形式，将180位数据存储在由锗双极晶体管和电容器组成的离散存储单元中。。尽管双极DRAM提供了比磁芯存储器更高的性能，但它无法与当时占主导地位的磁芯存储器的较低价格竞争。

MOS技术是现代DRAM的基础。1966年，博士罗伯特·丹纳德在IBMThomas J.Watson研究中心正在对MOS内存。在检查MOS技术的特性时，他发现它可以构建电容器，并且在MOS电容器上存储电荷或不存储电荷可以表示1和0，而MOS晶体管可以控制将电荷写入到MOS。电容器。这导致他开发了单晶体管DRAM存储单元。1967年，丹纳德（Dennard）向IBM申请了一项基于MOS技术的单晶体管DRAM存储单元的专利。第一个商用DRAMIC芯片是Intel1103，它是它是在8 µm MOS工艺上制造的，容量为1Kibit，并于1970年发布。

同步动态随机存取存储器（SDRAM）由SamsungElectronics开发。第一个商业SDRAM芯片是三星KM48SL2000，其容量为16Mibit。它由三星于1992年推出，并于1993年批量生产。第一个商用DDRSDRAM（双倍数据速率SDRAM）存储芯片是1998年6月发布的三星64Mibit DDR SDRAM芯片。GDDR（图形DDR）是DDRSGRAM（同步图形RAM）的一种形式，它于1998年由三星作为16Mibit存储芯片首次发布。

3.3总结

SRAM（StaticRandom AccessMemory，静态随机存储器），它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。优点是速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。缺点是集成度低，功耗较大，相同的容量体积较大，而且价格较高，少量用于关键性系统以提高效率。

DRAM（DynamicRandom AccessMemory，动态随机存储器）是最为常见的系统内存。DRAM只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新（refresh）一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。

SDRAM：（SynchronousDynamic Random AccessMemory，同步动态随机存取存储器），是在DRAM的基础上发展而来，为DRAM的一种，同步是指Memory工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据的传输都以时钟为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是由指定地址进行数据读写。

DDRSDRAM又是在SDRAM的基础上发展而来，这种改进型的DRAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用得最多的内存，而且它有着成本优势。

后面的就是电脑里熟悉的DDR2SDRAM、DDR3SDRAM和DDR4SDRAM了。

04 总结  

一个图总结下

原文标题：存储器RAM原理与分类

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责任编辑:haq