你認(rèn)識(shí)的存儲(chǔ)器真的是你認(rèn)識(shí)的存儲(chǔ)器嗎？

泛林集團(tuán)

日新月異的半導(dǎo)體應(yīng)用正在不斷改變和改善我們的生活，比如新的智能手機(jī)、可穿戴醫(yī)療設(shè)備、工廠自動(dòng)化、人工智能等。這一切尖端技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，依靠的正是在后臺(tái)工作的存儲(chǔ)芯片。它們看似毫不起眼，實(shí)則至關(guān)重要。假如你剛拍了一張超贊的照片，但如果沒有存儲(chǔ)器就無法保存。此外，如果沒有存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)就無法執(zhí)行你的指令，例如“打開此文檔”或“在此表格中插入一列”。每次點(diǎn)擊“保存”，你剛剛創(chuàng)建的數(shù)據(jù)就會(huì)進(jìn)入長期存儲(chǔ)設(shè)備。雖然這些事情看似平常，你是否想過存儲(chǔ)器是如何工作的？以下，我們將為您全面解讀這一重要技術(shù)的工作基礎(chǔ)。

1 存儲(chǔ)器101——數(shù)據(jù)尋址原理

邏輯芯片作為電子設(shè)備的”大腦”，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算執(zhí)行功能，存儲(chǔ)器芯片則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器芯片由存儲(chǔ)單元構(gòu)成（如圖1所示），這是一種微型電路，帶有一個(gè)電容器（用于將數(shù)據(jù)作為電荷存儲(chǔ)）以及一個(gè)或多個(gè)晶體管（用于激活數(shù)據(jù)）。電容器的充放電對應(yīng)兩個(gè)可能的數(shù)據(jù)值（“1”或“0”），這里最小的數(shù)據(jù)單位稱作“位”。

這些存儲(chǔ)單元按行排列，采用位線結(jié)構(gòu)，連接到稱作字線的存儲(chǔ)器“地址”（如圖2所示）。通過該地址可確認(rèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的位置，字線形成一條電子路徑，允許該行的所有存儲(chǔ)單元于同一時(shí)間激活，以便存儲(chǔ)（“寫”）或檢索（“讀”）。數(shù)據(jù)訪問通過電信號(hào)啟動(dòng)，即一個(gè)行地址選通（RAS）和一個(gè)列地址選通（CAS），行列地址共同確定存儲(chǔ)單元在陣列中的位置。如果電荷存儲(chǔ)在所選的存儲(chǔ)單元電容器中，這些信號(hào)將使晶體管導(dǎo)電，將電荷傳輸至相連的位線，使電壓略微上升，數(shù)據(jù)值讀作“1”。

圖1 單個(gè)存儲(chǔ)單元

圖2 存儲(chǔ)單元陣列

2 存儲(chǔ)器類別

存儲(chǔ)技術(shù)通常按數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式（易失性和非易失性）和訪問方式（隨機(jī)或順序）分類（見表1所示）。如果按功能分類，存儲(chǔ)器可分為兩大類：主存儲(chǔ)器（主存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器），是可作用于數(shù)據(jù)的有效類型；輔助存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)），可提供長期存儲(chǔ)。

對于主存儲(chǔ)器，速度至關(guān)重要，因?yàn)樗?fù)責(zé)存儲(chǔ)當(dāng)前使用的和/或更改的數(shù)據(jù)。試想您在玩最喜愛的電子游戲時(shí)，每做一個(gè)動(dòng)作都要暫停一次，或者因?yàn)橹悄苁謾C(jī)的GPS應(yīng)用無法及時(shí)重新定位而錯(cuò)過一個(gè)路口時(shí)，您會(huì)有多懊惱。緩存是主存儲(chǔ)器的子集，需要存儲(chǔ)等待執(zhí)行的指令，因此對速度的要求最高。DRAM是最常用的主存儲(chǔ)器技術(shù)，它具備單獨(dú)訪問最小數(shù)據(jù)單元的速度和能力，這兩點(diǎn)非常關(guān)鍵。

輔助存儲(chǔ)器主要存儲(chǔ)照片和文檔之類的數(shù)據(jù)，對它而言，數(shù)據(jù)的完整性和存儲(chǔ)期限比速度更加重要。如今，存儲(chǔ)設(shè)備的容量已達(dá)到太字節(jié)范圍（相當(dāng)于一千個(gè)千兆字節(jié)或一百萬個(gè)百萬或1012字節(jié)）。閃存是主要的存儲(chǔ)類型。隨著對存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)的需求不斷增加，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和制程實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效變得非常重要。

表1 存儲(chǔ)器分類

3 DRAM

對于主存儲(chǔ)器，目前主要采用DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）。DRAM是一種易失性存儲(chǔ)器，這表示它需要使用電力來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。“動(dòng)態(tài)”指電容器會(huì)緩慢放電（造成數(shù)據(jù)丟失），需要定期充電刷新來保存數(shù)據(jù)。這一點(diǎn)并不理想，因?yàn)樗鼤?huì)消耗額外的電量，且需要具備高耐受性（多次讀寫的能力）?！半S機(jī)存取”表示它需花費(fèi)同樣的時(shí)間來讀取任意存儲(chǔ)器地址。與NAND閃存速度較慢的順序存取（按照數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的順序）和其他類別的存儲(chǔ)技術(shù)相比，隨機(jī)存取能夠高效存取數(shù)據(jù)。另一個(gè)速度優(yōu)勢在于，DRAM具有位可變性，新數(shù)據(jù)能夠直接覆蓋現(xiàn)有的存儲(chǔ)信息（無需擦除步驟）。DRAM還具有位可尋址性，除了存取較大數(shù)據(jù)塊（通常稱為“頁讀取”）之外，還支持訪問單個(gè)數(shù)據(jù)位，這對主存儲(chǔ)器非常重要。

DRAM采用一個(gè)電容器和一個(gè)晶體管的微型設(shè)計(jì)，特別適合將眾多存儲(chǔ)單元集成在小區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高密度和高存儲(chǔ)容量。事實(shí)上，單個(gè)存儲(chǔ)器芯片內(nèi)可容納數(shù)十億經(jīng)擠壓的DRAM。多年來，人們一直利用單次光刻技術(shù)來精簡設(shè)備特征，以此提高其速度、容量和功率。若要繼續(xù)擴(kuò)展，現(xiàn)在采用多重圖案模式（涉及額外增加光刻工序以及沉積與刻蝕序列）可彌補(bǔ)光刻分辨率的限制。即便如此，DRAM電容器仍能采用這種小尺寸，并且仍然能用于存儲(chǔ)電荷（數(shù)據(jù)）。當(dāng)然，設(shè)備尺寸越小，漏電的風(fēng)險(xiǎn)就越高。

圖3 DRAM密度

4 閃存

閃存是一種非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（電源關(guān)閉之后，數(shù)據(jù)仍然保留）。包含兩種類型，即NOR和NAND，兩者因存儲(chǔ)單元中使用的邏輯門類型而得名。NOR閃存一次讀寫一個(gè)字（一個(gè)存儲(chǔ)器芯片中的所有存儲(chǔ)單元）或字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此能夠?qū)Ω鞯刂穲?zhí)行隨機(jī)存取。NAND閃存能夠管理更多的數(shù)據(jù)，速度比NOR快，但在存儲(chǔ)新數(shù)據(jù)之前，必須先擦除現(xiàn)有數(shù)據(jù)。這兩種存儲(chǔ)器的速度都不如DRAM快，也不具備位可尋址或位可變性，因此無法提供主存儲(chǔ)器所需的性能。

NAND芯片的尺寸比NOR小，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的密度，且制造成本更低。因此，NAND閃存已成為高容量存儲(chǔ)器的主流選擇，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)和其他移動(dòng)產(chǎn)品等日常產(chǎn)品的存儲(chǔ)卡、USB驅(qū)動(dòng)器和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器中。DRAM仍通過推進(jìn)平面（橫向）擴(kuò)展來提高容量，NAND則通過縱向擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)密度提升（和3D NAND一樣）。它從縱向添加存儲(chǔ)單元，而不是從外沿添加，因?yàn)榫A的大小和設(shè)備特征無法進(jìn)一步縮減會(huì)限制密度提升。當(dāng)然，想要設(shè)計(jì)全新的架構(gòu)，包括翻轉(zhuǎn)芯片各側(cè)的存儲(chǔ)單元，或者開發(fā)全新的制造流程都絕非易事。如需了解更多有關(guān)縱向擴(kuò)展和3D NAND的信息，請閱讀我們的技術(shù)簡介：利用3D NAND“擴(kuò)大”存儲(chǔ)器。

圖4 閃存擴(kuò)展

5 新型存儲(chǔ)器

雖然DRAM還有很大的改進(jìn)空間，但人們已開始探索多種替代方案。例如，業(yè)界正在探討未來可用的3D架構(gòu)。此外，多種面向存儲(chǔ)類應(yīng)用的顛覆性存儲(chǔ)技術(shù)也正在開發(fā)中。敬請期待我們即將推出的技術(shù)文章“新型存儲(chǔ)器二三事”，其中將會(huì)探討這些新型存儲(chǔ)器，包括其工作方式、應(yīng)用，以及開發(fā)這些前景技術(shù)的過程中將要面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)，我們希望這篇介紹存儲(chǔ)器類型和應(yīng)用的文章能夠幫助您了解各類存儲(chǔ)器之間的差異。今后，當(dāng)您閱讀有關(guān)易失性或非易失性存儲(chǔ)器的內(nèi)容，使用隨機(jī)存取或順序讀取，或者一些其他類別存儲(chǔ)器時(shí)，就能明白它們的分類和可能的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)然，前提是您已經(jīng)記住以上這些內(nèi)容了。