你认识的存储器真的是你认识的存储器吗？

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日新月异的半导体应用正在不断改变和改善我们的生活，比如新的智能手机、可穿戴医疗设备、工厂自动化、人工智能等。这一切尖端技术的实现，依靠的正是在后台工作的存储芯片。它们看似毫不起眼，实则至关重要。假如你刚拍了一张超赞的照片，但如果没有存储器就无法保存。此外，如果没有存储器，计算机就无法执行你的指令，例如“打开此文档”或“在此表格中插入一列”。每次点击“保存”，你刚刚创建的数据就会进入长期存储设备。虽然这些事情看似平常，你是否想过存储器是如何工作的？以下，我们将为您全面解读这一重要技术的工作基础。

1 存储器101——数据寻址原理

逻辑芯片作为电子设备的”大脑”，通过数学运算执行功能，存储器芯片则负责存储数据。存储器芯片由存储单元构成（如图1所示），这是一种微型电路，带有一个电容器（用于将数据作为电荷存储）以及一个或多个晶体管（用于激活数据）。电容器的充放电对应两个可能的数据值（“1”或“0”），这里最小的数据单位称作“位”。

这些存储单元按行排列，采用位线结构，连接到称作字线的存储器“地址”（如图2所示）。通过该地址可确认数据存储的位置，字线形成一条电子路径，允许该行的所有存储单元于同一时间激活，以便存储（“写”）或检索（“读”）。数据访问通过电信号启动，即一个行地址选通（RAS）和一个列地址选通（CAS），行列地址共同确定存储单元在阵列中的位置。如果电荷存储在所选的存储单元电容器中，这些信号将使晶体管导电，将电荷传输至相连的位线，使电压略微上升，数据值读作“1”。

图1 单个存储单元

图2 存储单元阵列

2 存储器类别

存储技术通常按数据存储方式（易失性和非易失性）和访问方式（随机或顺序）分类（见表1所示）。如果按功能分类，存储器可分为两大类：主存储器（主存储器或存储器），是可作用于数据的有效类型；辅助存储器（数据存储），可提供长期存储。

对于主存储器，速度至关重要，因为它负责存储当前使用的和/或更改的数据。试想您在玩最喜爱的电子游戏时，每做一个动作都要暂停一次，或者因为智能手机的GPS应用无法及时重新定位而错过一个路口时，您会有多懊恼。缓存是主存储器的子集，需要存储等待执行的指令，因此对速度的要求最高。DRAM是最常用的主存储器技术，它具备单独访问最小数据单元的速度和能力，这两点非常关键。

辅助存储器主要存储照片和文档之类的数据，对它而言，数据的完整性和存储期限比速度更加重要。如今，存储设备的容量已达到太字节范围（相当于一千个千兆字节或一百万个百万或1012字节）。闪存是主要的存储类型。随着对存储大容量数据的需求不断增加，提高数据存储容量和制程实现经济高效变得非常重要。

表1 存储器分类

3 DRAM

对于主存储器，目前主要采用DRAM（动态随机存储器）。DRAM是一种易失性存储器，这表示它需要使用电力来存储数据。“动态”指电容器会缓慢放电（造成数据丢失），需要定期充电刷新来保存数据。这一点并不理想，因为它会消耗额外的电量，且需要具备高耐受性（多次读写的能力）。“随机存取”表示它需花费同样的时间来读取任意存储器地址。与NAND闪存速度较慢的顺序存取（按照数据存储的顺序）和其他类别的存储技术相比，随机存取能够高效存取数据。另一个速度优势在于，DRAM具有位可变性，新数据能够直接覆盖现有的存储信息（无需擦除步骤）。DRAM还具有位可寻址性，除了存取较大数据块（通常称为“页读取”）之外，还支持访问单个数据位，这对主存储器非常重要。

DRAM采用一个电容器和一个晶体管的微型设计，特别适合将众多存储单元集成在小区域内，实现高密度和高存储容量。事实上，单个存储器芯片内可容纳数十亿经挤压的DRAM。多年来，人们一直利用单次光刻技术来精简设备特征，以此提高其速度、容量和功率。若要继续扩展，现在采用多重图案模式（涉及额外增加光刻工序以及沉积与刻蚀序列）可弥补光刻分辨率的限制。即便如此，DRAM电容器仍能采用这种小尺寸，并且仍然能用于存储电荷（数据）。当然，设备尺寸越小，漏电的风险就越高。

图3 DRAM密度

4 闪存

闪存是一种非易失性数据存储器（电源关闭之后，数据仍然保留）。包含两种类型，即NOR和NAND，两者因存储单元中使用的逻辑门类型而得名。NOR闪存一次读写一个字（一个存储器芯片中的所有存储单元）或字节的数据，因此能够对各地址执行随机存取。NAND闪存能够管理更多的数据，速度比NOR快，但在存储新数据之前，必须先擦除现有数据。这两种存储器的速度都不如DRAM快，也不具备位可寻址或位可变性，因此无法提供主存储器所需的性能。

NAND芯片的尺寸比NOR小，能够实现更高的密度，且制造成本更低。因此，NAND闪存已成为高容量存储器的主流选择，广泛应用于计算机、数码相机、智能手机和其他移动产品等日常产品的存储卡、USB驱动器和固态驱动器中。DRAM仍通过推进平面（横向）扩展来提高容量，NAND则通过纵向扩展来实现密度提升（和3D NAND一样）。它从纵向添加存储单元，而不是从外沿添加，因为晶圆的大小和设备特征无法进一步缩减会限制密度提升。当然，想要设计全新的架构，包括翻转芯片各侧的存储单元，或者开发全新的制造流程都绝非易事。如需了解更多有关纵向扩展和3D NAND的信息，请阅读我们的技术简介：利用3D NAND“扩大”存储器。

图4 闪存扩展

5 新型存储器

虽然DRAM还有很大的改进空间，但人们已开始探索多种替代方案。例如，业界正在探讨未来可用的3D架构。此外，多种面向存储类应用的颠覆性存储技术也正在开发中。敬请期待我们即将推出的技术文章“新型存储器二三事”，其中将会探讨这些新型存储器，包括其工作方式、应用，以及开发这些前景技术的过程中将要面临的挑战。同时，我们希望这篇介绍存储器类型和应用的文章能够帮助您了解各类存储器之间的差异。今后，当您阅读有关易失性或非易失性存储器的内容，使用随机存取或顺序读取，或者一些其他类别存储器时，就能明白它们的分类和可能的应用领域。当然，前提是您已经记住以上这些内容了。