什么是DRAM、什么是NAND Flash

所有使用者對(duì)“存儲(chǔ)器”這個(gè)名詞可是一點(diǎn)都不陌生，因?yàn)樗械?a target="_blank">電子產(chǎn)品都必須用到存儲(chǔ)器，且通常用到不只一種存儲(chǔ)器。不過(guò)對(duì)于存儲(chǔ)器種類、規(guī)格與形式，很多人容易搞混。比如NAND Flash，產(chǎn)業(yè)新聞里常常提到的DRAM，還有SRAM、SDRAM、DDR 3、DDR 4、NOR Flash … 這些又是什么？

先來(lái)一段百度百科。

存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，有了存儲(chǔ)器，才有記憶功能，才能保證正常工作。存儲(chǔ)器的種類很多，按其用途可分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，主存儲(chǔ)器又稱內(nèi)存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱內(nèi)存，港臺(tái)稱之為記憶體）。外儲(chǔ)存器是指除計(jì)算機(jī)內(nèi)存及CPU緩存以外的儲(chǔ)存器，此類儲(chǔ)存器一般斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)。常見的外存儲(chǔ)器有硬盤、軟盤、光盤、U盤等。

而簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，DRAM就是我們一般在用的內(nèi)存，而NAND Flash 閃存，它在做的事情其實(shí)是硬盤。

（這段是給電腦小白的科普，大家可以酌情跳過(guò)）

不熟悉PC知識(shí)的朋友常常在選購(gòu)設(shè)備時(shí)問(wèn)，硬盤和內(nèi)存到底有什么差別？我硬盤容量明明有 1TB，但PC還是跑得很慢哎？

硬盤和內(nèi)存的差異，在于把電源關(guān)掉后、空間中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)還會(huì)不會(huì)留著。就算關(guān)掉電源，硬盤的數(shù)據(jù)也不會(huì)消失。

但我們要運(yùn)算數(shù)據(jù)時(shí)，如果 CPU 要直接從硬盤里面抓數(shù)據(jù)，時(shí)間會(huì)太久。所以”內(nèi)存”會(huì)作為中間橋梁，先到硬盤里面復(fù)制一份進(jìn)來(lái)、再讓 CPU 直接到內(nèi)存中拿數(shù)據(jù)做運(yùn)算。這樣會(huì) 比直接去硬盤抓數(shù)據(jù)，快約數(shù)百萬(wàn)倍。

打開任務(wù)管理器，就可以看到現(xiàn)在執(zhí)行中程序占掉的內(nèi)存空間，很多人就在罵Chrome 耗費(fèi)的運(yùn)算資源很高，內(nèi)存使用率高于其他瀏覽器，多開幾個(gè)分頁(yè)內(nèi)存就被吃完了。

所以簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)在運(yùn)作就像是辦公一樣，喝飲料、看書本、聽音響… 想一次使用越多東西、桌面（內(nèi)存）就要越大。但其他一時(shí)間沒(méi)有要用到的東西，都會(huì)放在抽屜（硬盤）里面。所以硬盤就算再大，你一次想執(zhí)行很多任務(wù)，還是得要看內(nèi)存大小。

內(nèi)存的處理速度比硬盤更快，但斷電之后數(shù)據(jù)會(huì)消失，且價(jià)格也比硬盤貴。

當(dāng)然存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)里面還有更多細(xì)節(jié)。參見后文。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CPU 里面也有一個(gè)儲(chǔ)存空間，叫做 Register。要運(yùn)算時(shí)、CPU 會(huì)從內(nèi)存中把數(shù)據(jù)載入Register、再讓Register中存的數(shù)字做運(yùn)算，運(yùn)算完再將結(jié)果存回內(nèi)存中。畢竟 CPU 和內(nèi)存終究還是兩片不同的芯片，沒(méi)有在同一片芯片里直接抓數(shù)據(jù)快。

還有一個(gè)概念是 Cache，這是CPU 和內(nèi)存之間的中間橋梁。

速度來(lái)講，就是：CPU里面的Register > Cache > 內(nèi)存 > 硬盤。越上層（越靠近 CPU），速度就越快、價(jià)格越高、容量越低。

存儲(chǔ)器的分類

電的存儲(chǔ)器是指電寫電讀的存儲(chǔ)器，主要分為兩大類，如圖一所示：

易失性存儲(chǔ)器（Volatile Memory，VM）：電源開啟時(shí)資料存在，電源關(guān)閉則資料立刻流失（資料揮發(fā)掉），例如：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM 等。

非易失性存儲(chǔ)器（Non-Volatile Memory，NVM）：電源開啟時(shí)資料存在，電源關(guān)閉資料仍然可以保留，例如：ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM 等。

存儲(chǔ)器的單元

存儲(chǔ)器的“單元”（Cell）是指用來(lái)存取資料的最小結(jié)構(gòu)，如果含有一個(gè)晶體管

（Transistor）與一個(gè)電容（Capacitor）則稱為“1T1C”；如果含有一個(gè)晶體管（Transistor）與一個(gè)電阻（Resistor）則稱為“1T1R”；如果含有一個(gè)二極體（Diode）與一個(gè)電阻（Resistor）則稱為“1D1R”。

存儲(chǔ)器的每個(gè)“單元”不一定只能儲(chǔ)存 1 個(gè)位的資料，由于我們對(duì)存儲(chǔ)器容量的要求越來(lái)越高，每個(gè)“單元”能儲(chǔ)存的資料越來(lái)越多，依照每個(gè)“單元”能儲(chǔ)存的資料位數(shù)又分為：?jiǎn)螌訂卧⊿ingle-Level Cell，SLC）、多層單元（Multi-Level Cell，MLC）、三層單元（Triple-Level Cell，TLC）、四層單元（Quad-Level Cell，QLC）等。

存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)

要了解電子產(chǎn)品的各種存儲(chǔ)器配置，就必須先介紹“存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)”（Memory hierarchy）觀念。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)是指如何將儲(chǔ)存容量不同、運(yùn)算速度不同、單位價(jià)格不同的多種存儲(chǔ)器妥善分配，才能達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益，使產(chǎn)品的運(yùn)算速度合理、儲(chǔ)存容量合理、產(chǎn)品價(jià)格合理。

圖二為存儲(chǔ)器階層示意圖，由上而下依序?yàn)闀捍嫫?、快取存?chǔ)器、主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器：

暫存器（Register，也譯為寄存器）：在處理器內(nèi)，用來(lái)設(shè)定處理器的功能，主要是“暫時(shí)儲(chǔ)存”設(shè)定值的地方。

快取存儲(chǔ)器（Cache memory，翻譯版本有緩存，快取緩存區(qū)，快取存儲(chǔ)器；臺(tái)灣翻譯為快取。）：在處理器內(nèi)，執(zhí)行程序時(shí)“暫時(shí)儲(chǔ)存”程序與資料的地方，通常以 SRAM 制作。

主存儲(chǔ)器（Main memory）：在處理器外，“暫時(shí)儲(chǔ)存”程序與資料的地方，通常以 DRAM 制作，目前已經(jīng)改良成 SDRAM 或 DDR。

輔助存儲(chǔ)器（Assistant memory）：在處理器外，“永久儲(chǔ)存”程序與資料的地方，包括：快閃存儲(chǔ)器、磁盤機(jī)、光盤機(jī)、磁帶機(jī)等。

不同種類的存儲(chǔ)器分別有不同的儲(chǔ)存容量、工作速度、單位價(jià)格：

儲(chǔ)存容量：輔助存儲(chǔ)器（GB）> 主存儲(chǔ)器（MB）> 快取存儲(chǔ)器（KB）> 暫存器（B）。

工作速度：輔助存儲(chǔ)器（1ms）< 主存儲(chǔ)器（10ns）< 快取存儲(chǔ)器（1ns）< 暫存器（1ns）。

單位價(jià)格：輔助存儲(chǔ)器 < 主存儲(chǔ)器 < 快取存儲(chǔ)器 < 暫存器。

存儲(chǔ)器的應(yīng)用

所有的電子產(chǎn)品都必須用到存儲(chǔ)器，而且通常用到不只一種存儲(chǔ)器，由于存儲(chǔ)器的種類繁多，常常讓使用者混淆，我們簡(jiǎn)單說(shuō)明不同存儲(chǔ)器之間的差異，圖三為手機(jī)主要芯片的系統(tǒng)方塊圖（System block diagram），包括：應(yīng)用處理器（Application processor）、基帶處理器（Baseband processor）、運(yùn)動(dòng)控制器（Motion Controller）。

應(yīng)用處理器主要是執(zhí)行操作系統(tǒng)（Operating System，OS）與應(yīng)用程序（Application program，App），暫存器與快取存儲(chǔ)器目前都是內(nèi)建在處理器內(nèi)，其中暫存器用來(lái)設(shè)定處理器的功能，用來(lái)設(shè)定暫存器數(shù)值的程序，也就是用來(lái)趨動(dòng)硬件的軟件程序又稱為“固件”（Firmware）；快取存儲(chǔ)器是在執(zhí)行程序時(shí)用來(lái)“暫時(shí)儲(chǔ)存”程序與資料的地方，由于在處理器內(nèi)離運(yùn)算單元比較近，可以縮短程序與資料來(lái)回的時(shí)間，加快程序的執(zhí)行速度因此稱為“Cache”。

由于快取存儲(chǔ)器成本較高因此容量不大，如果執(zhí)行程序時(shí)放不下，則可以退一步放在主存儲(chǔ)器內(nèi)，可是目前主存儲(chǔ)器所使用的 SDRAM 或 DDR，屬于易失性存儲(chǔ)器，電源關(guān)閉則資料立刻流失，因此關(guān)機(jī)后資料必須儲(chǔ)存在非易失性的輔助存儲(chǔ)器內(nèi)，早期輔助存儲(chǔ)器使用磁盤機(jī)、光盤機(jī)、磁帶機(jī)等，由于半導(dǎo)體制程的進(jìn)步，目前大多使用快閃存儲(chǔ)器（Flash ROM），或所謂的固態(tài)硬盤（Solid State Disk，SSD），固態(tài)硬盤其實(shí)也是使快閃存儲(chǔ)器制作。

由于快取存儲(chǔ)器（SRAM）與主存儲(chǔ)器（SDRAM、DDR）是執(zhí)行程序用來(lái)“暫時(shí)儲(chǔ)存”程序與資料的地方，與處理器內(nèi)的運(yùn)算單位直接使用匯流排（Bus）連接，一般都是用“位”（bit）來(lái)計(jì)算容量；而輔助存儲(chǔ)器是“永久儲(chǔ)存”程序與資料的地方，由于一個(gè)位組（Byte）可以儲(chǔ)存一個(gè)半型字，因此一般都是用“位組”（Byte）來(lái)計(jì)算容量。

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM：Static RAM）

以 6 個(gè)晶體管（MOS）來(lái)儲(chǔ)存 1 個(gè)位（1bit）的資料，而且使用時(shí)“不需要”周

期性地補(bǔ)充電源來(lái)保持記憶的內(nèi)容，故稱為“靜態(tài)”（Static）。

SRAM 的構(gòu)造較復(fù)雜（6 個(gè)晶體管儲(chǔ)存 1 個(gè)位的資料），不使用電容所以存取速度較快，但是成本也較高，因此一般都制作成對(duì)容量要求較低但是對(duì)速度要求較高的存儲(chǔ)器，例如：中央處理器（CPU）內(nèi)建 256KB、512KB、1MB 的“快取存儲(chǔ)器”（Cache memory），一般都是使用 SRAM。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM：Dynamic RAM）

以一個(gè)晶體管（MOS）加上一個(gè)電容（Capacitor）來(lái)儲(chǔ)存一個(gè)位（1bit）的資料，而且使用時(shí)“需要”周期性地補(bǔ)充電源來(lái)保持記憶的內(nèi)容，故稱為“動(dòng)態(tài)”（Dynamic）。

DRAM 構(gòu)造較簡(jiǎn)單（一個(gè)晶體管加上一個(gè)電容），由于電容充電放電需要較長(zhǎng)的時(shí)間造成存取速度較慢，但是成本也較低，因此一般制作成對(duì)容量要求較高但是對(duì)速度要求較低的存儲(chǔ)器，例如：個(gè)人電腦主機(jī)板通常使用 1GB 以上的 DDR-SDRAM 就是屬于一種 DRAM。由于處理器的速度越來(lái)越快，傳統(tǒng) DRAM 的速度已經(jīng)無(wú)法滿足要求，因此目前都改良成 SDRAM 或 DDR-SDRAM 等兩種型式來(lái)使用。

同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SDRAM：Synchronous DRAM）

中央處理器（CPU）與主機(jī)板上的主存儲(chǔ)器（SDRAM）存取資料時(shí)的“工作時(shí)脈”（Clock）相同，故稱為“同步”（Synchronous）。由于 CPU 在存取資料時(shí)不需要“等待”（Wait）因此效率較高，SDRAM 的存取速度較 DRAM 快，所以早期電腦主機(jī)板上都是使用 SDRAM 來(lái)取代傳統(tǒng) DRAM，不過(guò)目前也只有少數(shù)工業(yè)電腦仍然使用 SDRAM。

可以記住一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)論：SRAM 比較快、 DRAM 比較慢；SRAM 比較貴、DRAM 比較便宜。

這是我們平常在計(jì)算機(jī)中使用的內(nèi)存，更精確的說(shuō)法應(yīng)該叫”內(nèi)存模塊”（Memory Module）。一個(gè)內(nèi)存模塊實(shí)際上就是由一塊小電路板、再加上幾塊的 DRAM 芯片構(gòu)成。圖標(biāo)中的內(nèi)存模塊上一共有 8 個(gè) DRAM 芯片。讓我們把一個(gè) DRAM 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖開看看，會(huì)看到一個(gè)儲(chǔ)存數(shù)組（Memorry Array）。

CPU 會(huì)給這個(gè)儲(chǔ)存數(shù)組”行地址”和”列地址”，就可以選出一個(gè)”儲(chǔ)存單元”。常見的儲(chǔ)存單元包含了 4 bit 或 8 bit，每一個(gè) bit 都會(huì)采用一個(gè)電路結(jié)構(gòu)，我們稱為 DRAM 的一個(gè)”基本儲(chǔ)存單元”。

這個(gè)基本儲(chǔ)存單元中包含了一個(gè)晶體管匹配一個(gè)電容。然后就可以視電容器是否有充電電荷存在、來(lái)判別目前的記憶狀態(tài)。

“寫入內(nèi)存”的動(dòng)作，就是由外部的數(shù)據(jù)線、對(duì)電容進(jìn)行充電或放電，從而完成寫入 1 或 0 的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

DRAM 使用一個(gè)晶體管（MOS）與一個(gè)電容來(lái)儲(chǔ)存一個(gè)位的資料（一個(gè) 0 或一個(gè) 1），如圖四（a）所示，當(dāng)晶體管（MOS）不導(dǎo)通時(shí)沒(méi)有電子流過(guò)，電容沒(méi)有電荷，代表這一個(gè)位的資料是 0，如圖四（b）所示；當(dāng)晶體管（MOS）導(dǎo)通時(shí)（在閘極施加正電壓），電子會(huì)由源極流向汲極，電容有電荷，代表這一個(gè)位的資料是 1，為了要將這些流過(guò)來(lái)的電荷“儲(chǔ)存起來(lái)”，因此必須使用一個(gè)微小的電容，如圖四（c）所示，DRAM 就是因?yàn)殡娙菪枰獣r(shí)間充電，所以速度比 SRAM 還慢。

由于電容會(huì)有漏電的現(xiàn)象，導(dǎo)致電位差不足而使記憶消失，因此除非電容經(jīng)常周期性地充電，否則無(wú)法確保數(shù)據(jù)能長(zhǎng)久保存起來(lái)。

由于每個(gè) DRAM 基本儲(chǔ)存單元的電路結(jié)構(gòu)非常的簡(jiǎn)單，所以功耗低、價(jià)格也較低。這樣一來(lái)用低成本就能制造出大儲(chǔ)存容量的 DRAM 芯片。缺點(diǎn)就是讀寫的速度慢（電容要充電放電），影響了 DRAM 的性能。

SRAM 的結(jié)構(gòu)則較為復(fù)雜，一共有六個(gè)晶體管構(gòu)成。我們能分別用 M1、M2、M3 到 M6 進(jìn)行標(biāo)記。這六個(gè)晶體管合起來(lái)才能保存一個(gè) bit。

SRAM 芯片和 DRAM 芯片不太一樣，不需要分成行地址和列地址分別選擇，而且 SRAM 的設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)又更加靈活，一個(gè)地址對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存單元數(shù)量可以是 8 bit、10 bit，或 32 bit、40 bit、64 bit 都行。

另外，晶體管的開關(guān)速度遠(yuǎn)比電容充電放電的速度還快，所以相對(duì)于 DRAM、SRAM 的讀寫速度比 DRAM 快很多。

然而 SRAM 中要儲(chǔ)存一個(gè) bit 就得用到六個(gè)晶體管。晶體管的數(shù)量一多、就會(huì)造成芯片的面積變大，從而帶來(lái)集成電路難以變得更小、還有價(jià)格更貴的問(wèn)題。

（SRAM 的價(jià)格比起 DRMA 要高達(dá) 1000 倍以上。比如 2010 年世代––—SRAM 的每單位儲(chǔ)存價(jià)格是 $60/MB，DRAM 則是 $0.06/MB。）

同時(shí)每個(gè)晶體管都要耗電，晶體管越多、功耗就越高?？紤]到價(jià)格高和功耗大，目前只能在一些很嚴(yán)苛的地方來(lái)使用 SRAM，比如上面提到的快取 (Cache)。

故目前”主存儲(chǔ)器”還是使用 DRAM 技術(shù)，但小塊用來(lái)拉速度的”快取”就是采用 SRAM。然而無(wú)論是 DRAM 還是 SRAM，一不供應(yīng)電源就會(huì)喪失儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，所以都叫做揮發(fā)性內(nèi)存。

鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 FRAM

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）是以一個(gè)晶體管加上一個(gè)電容來(lái)儲(chǔ)存一個(gè)位（1bit）的資料，由于傳統(tǒng) DRAM 的電容都是使用“氧化矽”做為絕緣體，氧化矽的介電常數(shù)不夠大（K 值不夠大），因此不容易吸引（儲(chǔ)存）電子與電洞，造成必須不停地補(bǔ)充電子與電洞，所以稱為“動(dòng)態(tài)”，只要電腦的電源關(guān)閉，電容所儲(chǔ)存的電子與電洞就會(huì)流失，DRAM 所儲(chǔ)存的資料也就會(huì)流失。

要解決這個(gè)問(wèn)題，最簡(jiǎn)單的就是使用介電常數(shù)夠大（K 值夠大）的材料來(lái)取代“氧化矽”為絕緣體，讓電子與電洞可以儲(chǔ)存在電容里不會(huì)流失。目前業(yè)界使用“鈦鋯酸鉛”（PZT）或“鉭鉍酸鍶”（SBT）這種介電常數(shù)很大（K 值很大）的“鐵電材料”（Ferroelectric material）來(lái)取代氧化矽，則可以儲(chǔ)存電子與電洞不會(huì)流失，讓原本“易失性”的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）變成“非易失性”的存儲(chǔ)器稱為“鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器”（Ferroelectric RAM，F(xiàn)RAM）。

NAND Flash 又是什么呢？

繼續(xù)講講非易失性的部分：

Flash（閃存）由于具備了重量輕、體積小、功率低等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品的硬盤上。Flash 又可以分成 NOR 型 Flash 和 NAND 型 Flash。

NOR Flash 比 NAND Flash 更早導(dǎo)入市場(chǎng)。讀取的速度較快，但寫入的速度慢、價(jià)格也比 NAND Flash 貴。

目前用來(lái)儲(chǔ)存操作系統(tǒng)的程序代碼或重要數(shù)據(jù)，比如拿來(lái)做 ROM。像是生產(chǎn) NOR Flash 的臺(tái)廠旺宏就是因?yàn)榇蛉肴翁焯?Switch 主機(jī)的 ROM 供應(yīng)鏈，今年?duì)I收上看攀升。

NAND Flash 寫入的速度快、價(jià)格較低，故目前以 NAND Flash 最為普遍?，F(xiàn)在的 USB 硬盤和手機(jī)儲(chǔ)存空間，就是用 NAND Flash 為主流技術(shù)。

另外，固態(tài)硬盤（Solid State Drive, SSD）也是以 NAND 型 Flash 為基礎(chǔ)所建構(gòu)的儲(chǔ)存裝置。SSD 不像傳統(tǒng)硬盤（HDD）中有馬達(dá)、讀寫臂等零件。速度慢、功耗高，對(duì)震動(dòng)又相當(dāng)敏感，很難用在小型行動(dòng)裝置中。

SSD 在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)有噪音，耐震、傳輸速度快、重量又能縮減到 HDD 十分之一以上，現(xiàn)在已經(jīng)成為個(gè)人計(jì)算機(jī)和筆記本電腦的主流儲(chǔ)存設(shè)備。

總結(jié)：

依照停止供應(yīng)電源的話、是否還能保留數(shù)據(jù)，分成”易失性”與”非易失性”存儲(chǔ)。

易失性存儲(chǔ)分成 DRAM 和 SRAM。

SRAM 更快但價(jià)格更貴，所以主存儲(chǔ)器多用 DRAM、快取多用 SRAM。

非易失性存儲(chǔ)分成 ROM 和 Flash。主要用來(lái)作為硬盤。

Flash 又分成 NOR Flash 與 NAND Flash，現(xiàn)在硬盤多以 NAND Flash 構(gòu)成的 SSD 為主。