存儲器類型有很多，常見的有ROM（Read-onlymemory只讀的），RAM（Random-accessmemory可讀可寫的），還有一類被大家忽略的CAM（可以自行百度）。

網上另一種方法把SRAM/DRAM/DDRAM歸為RAM類，ROM/EEPROM/HDD/FLASH歸到ROM類。其實，這種歸類方法大致是以掉電是否丟失信息的標準劃歸的，而不是簡單的readonly。 下文不采用上述方法分類

目前主流存儲器大部分都是RAM，在RAM中按原理還分為兩類——易失性的（Volatile）和非易失的（Non-Volatile），區別在于斷電后是否保存數據。易失性存儲器有SRAM、DRAM、SDRAM和DDR等，主要用途分別是高速緩存（cache）和內存條。非易失性存儲器主要是包含硬盤（磁學，HardDisk Drive, HDD）、Flash、光盤（光學），用在我們的U盤，SD卡和SSD硬盤中。下文中不涉及光學的光盤和磁學的硬盤。

01 ROM

ROM 是英文Read-OnlyMemory的縮寫，翻譯成中文就是"只能讀取的記憶"，計算機術語叫"只讀存儲器"。這種存儲器里的內容是人們在制作好它之后，用電子工藝預先寫進去的。在這之后一般就不能修改它里面的內容了，而只能從中讀取內容，不過也有可擦寫的ROM，里面的數據是不會掉的。

02 非易失性RAM

2.1原理

FlashMemory的標準物理結構稱之為位（cell），其特色為一般MOS的閘極（Gate）和通道的間隔為氧化層之絕緣（gateoxide），而FlashMemory在控制閘（Controlgate）與通道間卻多了一層物質，稱之為浮閘（floatinggate）。拜這層浮閘之賜，使得FlashMemory可以完成三種基本操作模式，亦即讀（byte或word）、寫（byte或word）、抹除（一個或多個內存空間），就算在不提供電源給內存的環境下，也能透過此浮閘，保存數據的完整性。

由于浮閘的物理特性與結構，使得當浮閘被注入負電子時，此一位就由數字"1"被寫成"0"；相對的當負電子從浮閘中移走后，此一位就由數字"0"變成"1"，此過程稱之為抹除。目前產業界有許多將負電子注入浮閘或移除技術的探討，其中熱電子注入法（hot-electroninjection），是當源極（source）接地，控制閘的電壓大于汲極（Drain）的電壓時，浮閘與通道間氧化層的能量帶會變得很狹隘，因此在通道中的負電子會被加速自通道上跳到浮閘中，進而完成寫的動作。同樣的原理可以運用在抹除的功能上，當控制閘接地且源極接至一個高壓時，浮閘上的負電子將會自浮閘中拉至源極，進而完成抹除的動作。FlashMemory就是透過這種負電子存放或移除于浮閘的原理，使得本身具有重復讀寫的特性。

2.2發展

首先登場的EEPROM，在1970年代初期，各種公司和組織進行了電可重新編程非易失性存儲器的一些研究，發明和開發。1971年，最早的研究報告已提交第三次會議上的固態設備，東京的樽井康夫，豐林，和永井清子在日本電工實驗室;日本國家研究所。他們在1972年制造了EEPROM器件。

EEPROM組織為浮柵晶體管陣列。EEPROM可以通過施加特殊的編程信號進行在線編程和擦除。最初，EEPROM僅限于單字節操作，這使其運行速度較慢，但是現代EEPROM允許多字節頁面操作。EEPROM的擦除和重新編程壽命有限。

1980年在EEPROM基礎上發明了閃存，也就是Flash，可以對其進行電擦除和重新編程。閃存的兩種主要類型，即NOR閃存和NAND閃存，以NAND和NOR邏輯門命名。閃存的一個主要缺點是，它只能在特定塊中忍受相對較少的寫周期。東芝于1987年向市場推出了閃存。閃存具有非易失性之外，閃存還提供了快速的讀取訪問時間，盡管不如靜態RAM或ROM快。它的機械抗震性有助于解釋其在便攜式設備中優于硬盤的原因。

由于閃存的成本遠低于字節可編程EEPROM，并且在系統需要大量非易失性固態存儲的任何地方，閃存已成為主導的存儲類型。但是，EEPROM仍用于僅需要少量存儲的應用，例如在串行狀態檢測中。

NAND和NORflash的差別。從下圖來看，顯然，NANDflash的gate的source和drain都是連續的，呈casode鏈接，所以每個cell的面積要小得多，而NOR的所有source和drain都是分開的，占用更多面積。另外，NOR的每個cell都和bitline有連接，可以隨機任意讀取。而NANDcell只有最頭上的cell連上了bitline，因此只能順序塊狀讀取。因此NAND往往容量大，但是不能隨機讀取，而NOR雖然容量受限，但是讀取方便。

NorFlash

NORFlash需要很長的時間進行抹寫，但是它提供完整的尋址與數據總線，并允許隨機存取存儲器上的任何區域，這使的它非常適合取代老式的ROM芯片。NORFlash可以忍受一萬到一百萬次抹寫循環，它同時也是早期的可移除式快閃存儲媒體的基礎。

NandFlash

NAND Flash是東芝在1989年的國際固態電路研討會(ISSCC)上發表的，要在NandFlash上面讀寫數據，要外部加主控和電路設計。NANDFlash具有較快的抹寫時間,而且每個存儲單元的面積也較小，這讓NANDFlash相較于NORFlash具有較高的存儲密度與較低的每比特成本。同時它的可抹除次數也高出NORFlash十倍。然而NANDFlash 的I/O接口并沒有隨機存取外部地址總線，它必須以區塊性的方式進行讀取，NANDFlash典型的區塊大小是數百至數千比特。

物理結構大概介紹完畢之后，剩下就各種協會的協議了。

MMC的全稱是”MultiMediaCard”，MMC是一種通信協議，支持兩種模式SPI和MMC。MMC模式是標準的默認模式，具有MMC的全部特性。而SPI模式則是MMC存貯卡可選的第二種模式，這個模式是MMC協議的一個子集。

下面介紹的SD卡，emmc，UFS是IC芯片，詳細點說，NANDFlash 是一種存儲介質，要在上面讀寫數據，外部要加主控和電路設計，eMMC是NANDflash+主控IC，對外的接口協議與SD、TF卡類似；對廠家而言簡化了電路設計，降低了成本。

SD卡數據傳送和物理規范由MMC發展而來，大小和MMC差不多。長寬和MMC一樣，比MMC稍微厚了一點。兼容性方面SD卡向下兼容多媒體卡（MultiMedia Card）。所以SD卡也支持SPI接口訪問。

emmc存儲芯片簡化了存儲器的設計，將NANDFlash芯片和控制芯片以MCP技術封裝在一起，省去零組件耗用電路板的面積，同時也讓手機廠商或是計算機廠商在設計新產品時的便利性大大提高。eMMC則在其內部集成了FlashController，包括了協議、擦寫均衡、壞塊管理、ECC校驗、電源管理、時鐘管理、數據存取等功能。相比于直接將NANDFlash接入到Host端，eMMC屏蔽了NAND Flash 的物理特性，可以減少Host 端軟件的復雜度，讓Host 端專注于上層業務，省去對NAND Flash 進行特殊的處理。同時，eMMC通過使用Cache、MemoryArray 等技術，在讀寫性能上也比NAND Flash要好很多。另一方面，emmc的讀寫速度也比NANDFlash的讀寫速度快，emmc的讀寫可高達每秒50MB到100MB以上。

關注手機圈的同學經常聽到UFS這個詞，下面就講述下UFS和emmc的關系。

電腦上，從HDD到SSD，從SATASSD到PCIeSSD，硬盤是越來越快；

手機上，從SD卡，到eMMC卡，再到UFS卡，存儲卡的速度也是越來越快。

UFS（UniversalFlashStorage）通用閃存存儲。它有兩個意思，一是指手機存儲接口協議，類似SATA，PCIe/NVMe；二是使用該協議的存儲設備。UFS最新標準是UFS3.0，于2018年1月30日發布。它最大帶寬可以達到2163MB/s！4倍SATA3.0的速度（600MB/s），超過PCIe3.0x2的速度（2GB/s單向速度）。

不過，目前市面上的UFS產品還是UFS2.0/2.1，其最大帶寬1081MB/s，也是秒殺一般的SSD。

UFS解決了emmc的很多痛點，eMMC，使用的是并行數據傳輸。并行最大的問題是速度上不去，因為一旦時鐘上去，干擾就變大，信號完整性無法保證。UFS使用差分信號，并且是全雙工模式。UFS是手機存儲的未來，關于UFS有很多內容，這里不再講述了。

2.3摩爾定律

上面講述非易失性RAM的發展，基本都是協議的更新，不同IC芯片的設計等等。

著名的摩爾定律：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過24個月便會增加一倍。

由此可見，工藝的提升和不同廠家的技術，對于非易失性RAM的性能提升有很大的作用，特別是在容量上的提升。

早在十年前，NANDflash早已撞上了摩爾定律落幕的鐵墻。由于flash擦寫需要高壓，所以，在16nm以下工藝里，高壓很容易串擾到相近的gate導致錯誤地寫入。

從現在往回看，我們會突然發現，過去的10年，無論是DRAM還是NANDflash都在3D化的道路上越走越遠。在NANDflash領域，存儲器巨頭們分別提出了各種堆疊式的flash的夠做，如下圖

3D NANDflash并不是多個芯片的堆疊，而是直接把NAND的豎起來造。這樣，在單位面積上，存在的晶體管數量就是堆疊的數量。于是，摩爾定律指望晶體管面積下將，轉為了堆疊層數的增加。目前，據說64層甚至更高層數的NANDflash已經投入量產。

03 易失性RAM

易失性隨機存取半導體存儲器的兩種主要類型是靜態隨機存取存儲器（SRAM）和動態隨機存取存儲器（DRAM）。半導體RAM的商業用途可以追溯到1965年，當時IBM為他們的System/ 360 Model 95計算機引入了SP95SRAM芯片，而東芝則為其ToscalBC-1411電子計算器使用了DRAM存儲單元，兩者均基于雙極晶體管。基于MOS晶體管的商用MOS存儲器是在1960年代后期開發的，此后一直是所有商用半導體存儲器的基礎。1970年10月推出了第一款商用DRAMIC芯片Intel1103。同步動態隨機存取存儲器（SDRAM）隨后于1992年與三星KM48SL2000芯片一起首次亮相。

3.1原理

存儲器單元是計算機存儲器的基本構建塊。所述存儲器單元是一個電子電路，它存儲一個比特的二進制信息，它必須被設置為存儲邏輯1（高電壓電平）和復位以存儲邏輯0（低電壓電平）。它的值一直保持/存儲，直到通過設置/重置過程對其進行更改。可以通過讀取來訪問存儲單元中的值。

在SRAM中，存儲單元是一種觸發器電路，通常使用FET來實現。這意味著SRAM在不被訪問時需要非常低的功耗，但是它昂貴且存儲密度低。

第二種類型，DRAM，基于電容器。對該電容器進行充電和放電可以在電池中存儲“1”或“0”。但是，該電容器中的電荷會慢慢泄漏掉，必須定期刷新。由于此刷新過程，DRAM使用更多的功率，但與SRAM相比，它可以實現更大的存儲密度和更低的單位成本。

3.2發展

MOSFET（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管），也被稱為MOS晶體管，由穆罕默德M.Atalla和達沃·卡在貝爾實驗室，1959年導致的發展金屬氧化物半導體（MOS）由John施密特存儲器在仙童半導體公司在1964年除了更高的性能，MOS半導體存儲器是便宜和消耗比磁芯存儲器更少的功率。費德里科·法金（FedericoFaggin）開發的硅柵MOS集成電路（MOSIC）技術1968年在仙童半導體公司（Fairchild）實現了MOS存儲芯片的生產。在1970年代初期，MOS存儲器已取代磁芯存儲器成為主導的存儲器技術。

1963年，FairchildSemiconductor的RobertH. Norman發明了集成的雙極靜態隨機存取存儲器（SRAM）。1964年，Fairchild的JohnSchmidt發明了MOSSRAM。SRAM成為了一種替代磁芯內存，但需要6個MOS晶體管的每個比特的數據。SRAM的商業使用始于1965年，當時IBM為System/ 360 Model 95推出了SP95存儲芯片。

動態隨機存取存儲器（DRAM）允許為每個存儲位用單個晶體管替換4或6晶體管鎖存電路，從而以易失性為代價大大提高了存儲密度。數據存儲在每個晶體管的微小電容中，必須每隔幾毫秒定期刷新一次，以免電荷泄漏。東芝于1965年推出的ToscalBC-1411電子計算器，使用了一種電容性雙極DRAM形式，將180位數據存儲在由鍺雙極晶體管和電容器組成的離散存儲單元中。。盡管雙極DRAM提供了比磁芯存儲器更高的性能，但它無法與當時占主導地位的磁芯存儲器的較低價格競爭。

MOS技術是現代DRAM的基礎。1966年，博士羅伯特·丹納德在IBMThomas J.Watson研究中心正在對MOS內存。在檢查MOS技術的特性時，他發現它可以構建電容器，并且在MOS電容器上存儲電荷或不存儲電荷可以表示1和0，而MOS晶體管可以控制將電荷寫入到MOS。電容器。這導致他開發了單晶體管DRAM存儲單元。1967年，丹納德（Dennard）向IBM申請了一項基于MOS技術的單晶體管DRAM存儲單元的專利。第一個商用DRAMIC芯片是Intel1103，它是它是在8 μm MOS工藝上制造的，容量為1Kibit，并于1970年發布。

同步動態隨機存取存儲器（SDRAM）由SamsungElectronics開發。第一個商業SDRAM芯片是三星KM48SL2000，其容量為16Mibit。它由三星于1992年推出，并于1993年批量生產。第一個商用DDRSDRAM（雙倍數據速率SDRAM）存儲芯片是1998年6月發布的三星64Mibit DDR SDRAM芯片。GDDR（圖形DDR）是DDRSGRAM（同步圖形RAM）的一種形式，它于1998年由三星作為16Mibit存儲芯片首次發布。

3.3總結

SRAM（StaticRandom AccessMemory，靜態隨機存儲器），它是一種具有靜止存取功能的內存，不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據。優點是速度快，不必配合內存刷新電路，可提高整體的工作效率。缺點是集成度低，功耗較大，相同的容量體積較大，而且價格較高，少量用于關鍵性系統以提高效率。

DRAM（DynamicRandom AccessMemory，動態隨機存儲器）是最為常見的系統內存。DRAM只能將數據保持很短的時間。為了保持數據，DRAM使用電容存儲，所以必須隔一段時間刷新（refresh）一次，如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失。

SDRAM：（SynchronousDynamic Random AccessMemory，同步動態隨機存取存儲器），是在DRAM的基礎上發展而來，為DRAM的一種，同步是指Memory工作需要同步時鐘，內部命令的發送與數據的傳輸都以時鐘為基準；動態是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數據不丟失；隨機是指數據不是線性依次存儲，而是由指定地址進行數據讀寫。

DDRSDRAM又是在SDRAM的基礎上發展而來，這種改進型的DRAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在于它可以在一個時鐘讀寫兩次數據，這樣就使得數據傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用得最多的內存，而且它有著成本優勢。

后面的就是電腦里熟悉的DDR2SDRAM、DDR3SDRAM和DDR4SDRAM了。

04 總結

一個圖總結下

原文標題：存儲器RAM原理與分類

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責任編輯:haq