你認識的存儲器真的是你認識的存儲器嗎？

泛林集團

日新月異的半導體應用正在不斷改變和改善我們的生活，比如新的智能手機、可穿戴醫療設備、工廠自動化、人工智能等。這一切尖端技術的實現，依靠的正是在后臺工作的存儲芯片。它們看似毫不起眼，實則至關重要。假如你剛拍了一張超贊的照片，但如果沒有存儲器就無法保存。此外，如果沒有存儲器，計算機就無法執行你的指令，例如“打開此文檔”或“在此表格中插入一列”。每次點擊“保存”，你剛剛創建的數據就會進入長期存儲設備。雖然這些事情看似平常，你是否想過存儲器是如何工作的？以下，我們將為您全面解讀這一重要技術的工作基礎。

1 存儲器101——數據尋址原理

邏輯芯片作為電子設備的”大腦”，通過數學運算執行功能，存儲器芯片則負責存儲數據。存儲器芯片由存儲單元構成（如圖1所示），這是一種微型電路，帶有一個電容器（用于將數據作為電荷存儲）以及一個或多個晶體管（用于激活數據）。電容器的充放電對應兩個可能的數據值（“1”或“0”），這里最小的數據單位稱作“位”。

這些存儲單元按行排列，采用位線結構，連接到稱作字線的存儲器“地址”（如圖2所示）。通過該地址可確認數據存儲的位置，字線形成一條電子路徑，允許該行的所有存儲單元于同一時間激活，以便存儲（“寫”）或檢索（“讀”）。數據訪問通過電信號啟動，即一個行地址選通（RAS）和一個列地址選通（CAS），行列地址共同確定存儲單元在陣列中的位置。如果電荷存儲在所選的存儲單元電容器中，這些信號將使晶體管導電，將電荷傳輸至相連的位線，使電壓略微上升，數據值讀作“1”。

圖1 單個存儲單元

圖2 存儲單元陣列

2 存儲器類別

存儲技術通常按數據存儲方式（易失性和非易失性）和訪問方式（隨機或順序）分類（見表1所示）。如果按功能分類，存儲器可分為兩大類：主存儲器（主存儲器或存儲器），是可作用于數據的有效類型；輔助存儲器（數據存儲），可提供長期存儲。

對于主存儲器，速度至關重要，因為它負責存儲當前使用的和/或更改的數據。試想您在玩最喜愛的電子游戲時，每做一個動作都要暫停一次，或者因為智能手機的GPS應用無法及時重新定位而錯過一個路口時，您會有多懊惱。緩存是主存儲器的子集，需要存儲等待執行的指令，因此對速度的要求最高。DRAM是最常用的主存儲器技術，它具備單獨訪問最小數據單元的速度和能力，這兩點非常關鍵。

輔助存儲器主要存儲照片和文檔之類的數據，對它而言，數據的完整性和存儲期限比速度更加重要。如今，存儲設備的容量已達到太字節范圍（相當于一千個千兆字節或一百萬個百萬或1012字節）。閃存是主要的存儲類型。隨著對存儲大容量數據的需求不斷增加，提高數據存儲容量和制程實現經濟高效變得非常重要。

表1 存儲器分類

3 DRAM

對于主存儲器，目前主要采用DRAM（動態隨機存儲器）。DRAM是一種易失性存儲器，這表示它需要使用電力來存儲數據。“動態”指電容器會緩慢放電（造成數據丟失），需要定期充電刷新來保存數據。這一點并不理想，因為它會消耗額外的電量，且需要具備高耐受性（多次讀寫的能力）。“隨機存取”表示它需花費同樣的時間來讀取任意存儲器地址。與NAND閃存速度較慢的順序存取（按照數據存儲的順序）和其他類別的存儲技術相比，隨機存取能夠高效存取數據。另一個速度優勢在于，DRAM具有位可變性，新數據能夠直接覆蓋現有的存儲信息（無需擦除步驟）。DRAM還具有位可尋址性，除了存取較大數據塊（通常稱為“頁讀取”）之外，還支持訪問單個數據位，這對主存儲器非常重要。

DRAM采用一個電容器和一個晶體管的微型設計，特別適合將眾多存儲單元集成在小區域內，實現高密度和高存儲容量。事實上，單個存儲器芯片內可容納數十億經擠壓的DRAM。多年來，人們一直利用單次光刻技術來精簡設備特征，以此提高其速度、容量和功率。若要繼續擴展，現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電荷（數據）。當然，設備尺寸越小，漏電的風險就越高。

圖3 DRAM密度

4 閃存

閃存是一種非易失性數據存儲器（電源關閉之后，數據仍然保留）。包含兩種類型，即NOR和NAND，兩者因存儲單元中使用的邏輯門類型而得名。NOR閃存一次讀寫一個字（一個存儲器芯片中的所有存儲單元）或字節的數據，因此能夠對各地址執行隨機存取。NAND閃存能夠管理更多的數據，速度比NOR快，但在存儲新數據之前，必須先擦除現有數據。這兩種存儲器的速度都不如DRAM快，也不具備位可尋址或位可變性，因此無法提供主存儲器所需的性能。

NAND芯片的尺寸比NOR小，能夠實現更高的密度，且制造成本更低。因此，NAND閃存已成為高容量存儲器的主流選擇，廣泛應用于計算機、數碼相機、智能手機和其他移動產品等日常產品的存儲卡、USB驅動器和固態驅動器中。DRAM仍通過推進平面（橫向）擴展來提高容量，NAND則通過縱向擴展來實現密度提升（和3D NAND一樣）。它從縱向添加存儲單元，而不是從外沿添加，因為晶圓的大小和設備特征無法進一步縮減會限制密度提升。當然，想要設計全新的架構，包括翻轉芯片各側的存儲單元，或者開發全新的制造流程都絕非易事。如需了解更多有關縱向擴展和3D NAND的信息，請閱讀我們的技術簡介：利用3D NAND“擴大”存儲器。

圖4 閃存擴展

5 新型存儲器

雖然DRAM還有很大的改進空間，但人們已開始探索多種替代方案。例如，業界正在探討未來可用的3D架構。此外，多種面向存儲類應用的顛覆性存儲技術也正在開發中。敬請期待我們即將推出的技術文章“新型存儲器二三事”，其中將會探討這些新型存儲器，包括其工作方式、應用，以及開發這些前景技術的過程中將要面臨的挑戰。同時，我們希望這篇介紹存儲器類型和應用的文章能夠幫助您了解各類存儲器之間的差異。今后，當您閱讀有關易失性或非易失性存儲器的內容，使用隨機存取或順序讀取，或者一些其他類別存儲器時，就能明白它們的分類和可能的應用領域。當然，前提是您已經記住以上這些內容了。