全面解析“半导体存储”的技术
我们经常使用的u盘、tf卡、sd卡，还有电脑上使用的ddr内存、ssd硬盘，都属于我们称之为“半导体存储”的技术。
今天，小编就重点给大家讲讲这方面的知识。
█ 半导体存储的分类
现代存储技术，概括来看，就分为三大部分，分别是磁性存储、光学存储以及半导体存储。
半导体存储器，简而言之，就是以“半导体集成电路”作为存储媒介的存储器。
大家如果拆开自己的u盘或ssd硬盘，就会发现里面都是pcb电路板，以及各自各样的芯片及元器件。其中有一类芯片，就是专门存储数据的，有时候也称“存储芯片”。
ssd硬盘的构造
相比传统磁盘（例如hdd硬盘），半导体存储器的重量更轻，体积更小，读写速度更快。当然了，价格也更贵。
这些年，整个社会对芯片半导体行业的关注度很高。但是，大家主要关注的其实是cpu、gpu、手机soc等计算类芯片。
殊不知，半导体存储器也是整个半导体产业的核心支柱之一。2021年，全球半导体存储器的市场规模为1538亿美元，占整个集成电路市场规模的33%，也就是三分之一。
2022年全球半导体主要品类占比情况
存储器有所下降，但仍有26%
半导体存储器也是一个大类，它还可以进一步划分，主要分为：易失性（vm）存储器与非易失性（nvm）存储器。
顾名思义，电路断电后，易失性存储器无法保留数据，非易失性存储器可以保留数据。
这个其实比较好理解。学过计算机基础知识的童鞋应该还记得，存储分为内存和外存。
内存以前也叫运行内存（运存），计算机通电后，配合cpu等进行工作。断电后，数据就没有了，属于易失性（vm）存储器。
而外存呢，也就是硬盘，存放了大量的数据文件。当计算机关机后，只要你执行了保存（写入）操作，数据就会继续存在，属于非易失性（nvm）存储器。
请大家注意：现在很多资料也将半导体存储器分为随机存取存储器（ram）和只读存储器（rom），大家应该很耳熟吧？
rom只读存储器：很好理解，可以读取，不可以写入。
ram随机存取存储器：指的是它可以“随机地从存储器的任意存储单元读取或写入数据”，这是相对传统磁存储必须“顺序存取（sequential access）”而言的。
有些人认为，易失性存储器就是ram，非易失性存储器就是rom。其实，这是不严谨的，原因待会会讲。
█ 易失性存储器（vm）
在过去几十年内，易失性存储器没有特别大的变化，主要分为dram（动态随机存取存储器，dynamic ram）和sram（静态随机存取存储器，static ram）。
dram
dram由许多重复的位元格（bit cell）组成，每一个基本单元由一个电容和一个晶体管构成（又称1t1c结构）。电容中存储电荷量的多寡，用于表示“0”和“1”。而晶体管，则用来控制电容的充放电。
图片来源：lam research
由于电容会存在漏电现象。所以，必须在数据改变或断电前，进行周期性“动态”充电，保持电势。否则，就会丢失数据。
因此，dram才被称为“动态”随机存储器。
dram一直是计算机、手机内存的主流方案。计算机的内存条（ddr）、显卡的显存（gddr）、手机的运行内存（lpddr），都是dram的一种。（ddr基本是指ddr sdram，双倍速率同步动态随机存储器。）
值得一提的是，显存这边，除了gddr之外，还有一种新型显存，叫做hbm（high bandwidth memory）。它是将很多ddr芯片堆叠后，与gpu封装在一起构成的（外观上看不到显存颗粒了）。
sram
sram大家可能比较陌生。其实，它就是我们cpu缓存所使用的技术。
sram的架构，比dram复杂很多。
sram的基本单元，则最少由6管晶体管组成：4个场效应管（m1, m2, m3, m4）构成两个交叉耦合的反相器，2个场效应管（m5, m6）用于读写的位线（bit line）的控制开关，通过这些场效应管构成一个锁存器（触发器），并在通电时锁住二进制数0和1。
因此，sram被称为“静态随机存储器”。
sram存储单元
sram不需要定期刷新，响应速度快，但功耗大、集成度低、价格昂贵。
所以，它主要用于cpu的主缓存以及辅助缓存。此外，还会用在fpga内。它的市场占比一直都比较低，存在感比较弱。
█ 非易失性存储器（nvm）
接下来，再看看非易失性存储器产品。
非易失性存储器产品的技术路线，就比较多了。最早期的，就是前面所说的rom。
最老式的rom，那是“真正”的rom——完全只读，出厂的时候，存储内容就已经写死了，无法做任何修改。
这种rom，灵活性很差，万一有内容写错了，也没办法纠正，只能废弃。
掩模型只读存储器（mask rom），就是上面这种rom的代表。说白了，就是直接用掩膜工艺，把信息“刻”进存储器里面，让用户无法更改，适合早期的批量生产。
后来，专家们发明了prom（programmable rom，可编程rom）。这种rom一般只可以编程一次。出厂时，所有存储单元皆为1。通过专用的设备，以电流或光照（紫外线）的方式，熔断熔丝，可以达到改写数据的效果。
prom的灵活性，比rom更高一些，但还是不够。最好是能够对数据进行修改，于是，就有专家发明了eprom（erasable programmable，可擦除可编程rom）。
擦除的方式，可以是光，也可以是电。电更方便一点，采用电进行擦除的，就叫做eeprom（电可擦除可编程eeprom）。
eeprom是以byte为最小修改单位的。也就是说，可以往每个bit中写0或者1，就是按“bit”读写，不必将内容全部擦除后再写。它的擦除操作，也是以“bit”为单位，速度还是太慢了。
上世纪80年代，日本东芝的技术专家——舛冈富士雄，发明了一种全新的、能够快速进行擦除操作的存储器，也就是——flash（闪存）。
flash在英文里，就是“快速地”的意思。flash存储是以“块”为单位进行擦除的。
常见的块大小为128kb和256kb。1kb是1024个bit，比起eeprom按bit擦除，快了几个数量级。
目前，flash的主流代表产品也只有两个，即：nor flash和nand flash。
nor flash
nor flash属于代码型闪存芯片，其主要特点是芯片内执行（xip，execute in place），即应用程序不必再把代码读到系统ram中，而是可以直接在flash闪存内运行。
所以，nor flash适合用来存储代码及部分数据，可靠性高、读取速度快，在中低容量应用时具备性能和成本上的优势。
但是，nor flash的写入和擦除速度很慢，而且体积是nand flash的两倍，所以用途受到了很多限制，市场占比比较低。
早期的时候，nor flash还会用在高端手机上，但是后来，智能机开始引入emmc后，连这块市场也被排挤了。
近年来，nor flash的应用有所回升，市场回暖。低功耗蓝牙模块、tws耳机、手机触控和指纹、可穿戴设备、汽车电子和工业控制等领域，使用nor flash比较多。
nand flash
相比之下，nand flash的市场占比就大了很多。
nand flash属于数据型闪存芯片，可以实现大容量存储。
它以页为单位读写数据，以块为单位擦除数据，故其写入和擦除速度虽比dram大约慢3-4个数量级，却也比传统的机械硬盘快3个数量级，被广泛用于emmc/emcp、u盘、ssd等市场。
前面提到了emmc。前几年，这个词还是挺火的。
emmc
emmc即嵌入式多媒体卡（embedded multi media card），它把mmc（多媒体卡）接口、nand及主控制器都封装在一个小型的bga芯片中，主要是为了解决nand品牌差异兼容性等问题，方便厂商快速简化地推出新产品。
而emcp，是把emmc与lpddr封装为一体，进一步减小模块体积，简化电路连接设计。
2011年，ufs（universal flash storage，通用闪存存储）1.0标准诞生。后来，ufs逐渐取代了emmc，成为智能手机的主流存储方案。当然了，ufs也是基于nand flash的。
这些年主流手机的标配
ssd，大家应该很熟悉了。它基本上都是采用nand芯片的，目前发展非常迅猛。
ssd内部构造
根据内部电子单元密度的差异，nand又可以分为slc（单层存储单元）、mlc（双层存储单元）、tlc(三层存储单元、qlc（四层存储单元），依次代表每个存储单元存储的数据分别为1位、2位、3位、4位。
由slc到qlc，存储密度逐步提升，单位比特成本也会随之降低。但相对的，性能、功耗、可靠性与p/e循环（擦写循环次数，即寿命）会下降。
这几年，diy装机圈围绕slc/mlc/tlc/qlc的争议比较大。一开始，网友们觉得ssd硬盘的寿命会缩水。后来发现，好像缩水也没那么严重，寿命仍然够用。所以，也就慢慢接受了。
早期的nand，都是2d nand。工艺制程进入16nm后，2d nand的成本急剧上升，平面微缩工艺的难度和成本难以承受。于是，3d nand出现了。
图片来源：electronics-lab
简单来说，就是从平房到楼房，利用立体堆叠，提升存储器容量，减小2d nand的工艺压力。
2012 年，三星推出了第一代3d nand闪存芯片。后来，3d nand技术不断发展，堆叠层数不断提升，容量也越来越大。
█ 新型存储器（非易失性）
2021年，美国ibm提出“存储级内存〞（scm, storage-class memory）的概念。ibm认为，scm能够取代传统硬盘，并对dram起到补充作用。
scm的背后，其实是行业对新型存储器（介质）的探索。
按行业的共识，新型存储器可以结合了dram内存的高速存取，以及nand闪存在关闭电源之后保留数据的特性，打破内存和闪存的界限，使其合二为一，实现更低的功耗，更长的寿命，更快的速度。
目前，新型存储器主要有这么几种：相变存储器（pcm），阻变存储器（reram/rram），铁电存储器（feram/fram），磁性存储器（mram，第二代为stt-ram），碳纳米管存储器。
限于篇幅，今天就不逐一介绍了。
█ 结语
汇总一下，小编画了一个完整的半导体存储分类图：
上面这个图里，存储器类型很多。但我前面也说了，大家重点看dram、nand flash和nor flash就可以了。因为，在现在的市场上，这三种存储器占了96%以上的市场份额。
其实，所有的存储器，都会基于自己的特性，在市场中找到自己的位置，发挥自己的价值。
一般来说，性能越强的存储器，价格就越贵，会越离计算芯片（cpu/gpu等）越近。性能弱的存储器，可以承担一些对存储时延要求低，写入速度不敏感的需求，降低成本。
计算机系统中的典型存储器层次结构
图片来源：果壳硬科技
半导体存储技术演进的过程，其实一直都受益于摩尔定律，在不断提升性能的同时，降低成本。今后，随着摩尔定律逐渐失效，半导体存储技术将会走向何方，新型存储介质能够崛起？让我们拭目以待。
IC性能对医疗诊断精度影响分析
固态或将是电动汽车动力电池的未来
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关于带你见证人机交互新革命的介绍
全面解析“半导体存储”的技术
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除了你所知道的巡检和装配，AR在工业还有更多的应用
光纤收发器tx rx反接
利用变容二极管自动调谐的汽车收音机电路(ULN2242),ULN2242 AM/FM RADIO2
重磅消息，小米6的RAM不是4GB起步，而是6GB起步
高压差分探头的操作和维护-PINTECH品致
变压器铭牌上的额定容量
区块链提取支付协议PumaPay介绍
中兴通讯将在非洲地区推出“一个数字化的非洲将全速实现”
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今天，小编就重点给大家讲讲这方面的知识。
█ 半导体存储的分类
现代存储技术，概括来看，就分为三大部分，分别是磁性存储、光学存储以及半导体存储。
半导体存储器，简而言之，就是以“半导体集成电路”作为存储媒介的存储器。
大家如果拆开自己的u盘或ssd硬盘，就会发现里面都是pcb电路板，以及各自各样的芯片及元器件。其中有一类芯片，就是专门存储数据的，有时候也称“存储芯片”。
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相比传统磁盘（例如hdd硬盘），半导体存储器的重量更轻，体积更小，读写速度更快。当然了，价格也更贵。
这些年，整个社会对芯片半导体行业的关注度很高。但是，大家主要关注的其实是cpu、gpu、手机soc等计算类芯片。
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半导体存储器也是一个大类，它还可以进一步划分，主要分为：易失性（vm）存储器与非易失性（nvm）存储器。
顾名思义，电路断电后，易失性存储器无法保留数据，非易失性存储器可以保留数据。
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内存以前也叫运行内存（运存），计算机通电后，配合cpu等进行工作。断电后，数据就没有了，属于易失性（vm）存储器。
而外存呢，也就是硬盘，存放了大量的数据文件。当计算机关机后，只要你执行了保存（写入）操作，数据就会继续存在，属于非易失性（nvm）存储器。
请大家注意：现在很多资料也将半导体存储器分为随机存取存储器（ram）和只读存储器（rom），大家应该很耳熟吧？
rom只读存储器：很好理解，可以读取，不可以写入。
ram随机存取存储器：指的是它可以“随机地从存储器的任意存储单元读取或写入数据”，这是相对传统磁存储必须“顺序存取（sequential access）”而言的。
有些人认为，易失性存储器就是ram，非易失性存储器就是rom。其实，这是不严谨的，原因待会会讲。
█ 易失性存储器（vm）
在过去几十年内，易失性存储器没有特别大的变化，主要分为dram（动态随机存取存储器，dynamic ram）和sram（静态随机存取存储器，static ram）。
dram
dram由许多重复的位元格（bit cell）组成，每一个基本单元由一个电容和一个晶体管构成（又称1t1c结构）。电容中存储电荷量的多寡，用于表示“0”和“1”。而晶体管，则用来控制电容的充放电。
图片来源：lam research
由于电容会存在漏电现象。所以，必须在数据改变或断电前，进行周期性“动态”充电，保持电势。否则，就会丢失数据。
因此，dram才被称为“动态”随机存储器。
dram一直是计算机、手机内存的主流方案。计算机的内存条（ddr）、显卡的显存（gddr）、手机的运行内存（lpddr），都是dram的一种。（ddr基本是指ddr sdram，双倍速率同步动态随机存储器。）
值得一提的是，显存这边，除了gddr之外，还有一种新型显存，叫做hbm（high bandwidth memory）。它是将很多ddr芯片堆叠后，与gpu封装在一起构成的（外观上看不到显存颗粒了）。
sram
sram大家可能比较陌生。其实，它就是我们cpu缓存所使用的技术。
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sram的基本单元，则最少由6管晶体管组成：4个场效应管（m1, m2, m3, m4）构成两个交叉耦合的反相器，2个场效应管（m5, m6）用于读写的位线（bit line）的控制开关，通过这些场效应管构成一个锁存器（触发器），并在通电时锁住二进制数0和1。
因此，sram被称为“静态随机存储器”。
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sram不需要定期刷新，响应速度快，但功耗大、集成度低、价格昂贵。
所以，它主要用于cpu的主缓存以及辅助缓存。此外，还会用在fpga内。它的市场占比一直都比较低，存在感比较弱。
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这种rom，灵活性很差，万一有内容写错了，也没办法纠正，只能废弃。
掩模型只读存储器（mask rom），就是上面这种rom的代表。说白了，就是直接用掩膜工艺，把信息“刻”进存储器里面，让用户无法更改，适合早期的批量生产。
后来，专家们发明了prom（programmable rom，可编程rom）。这种rom一般只可以编程一次。出厂时，所有存储单元皆为1。通过专用的设备，以电流或光照（紫外线）的方式，熔断熔丝，可以达到改写数据的效果。
prom的灵活性，比rom更高一些，但还是不够。最好是能够对数据进行修改，于是，就有专家发明了eprom（erasable programmable，可擦除可编程rom）。
擦除的方式，可以是光，也可以是电。电更方便一点，采用电进行擦除的，就叫做eeprom（电可擦除可编程eeprom）。
eeprom是以byte为最小修改单位的。也就是说，可以往每个bit中写0或者1，就是按“bit”读写，不必将内容全部擦除后再写。它的擦除操作，也是以“bit”为单位，速度还是太慢了。
上世纪80年代，日本东芝的技术专家——舛冈富士雄，发明了一种全新的、能够快速进行擦除操作的存储器，也就是——flash（闪存）。
flash在英文里，就是“快速地”的意思。flash存储是以“块”为单位进行擦除的。
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nor flash
nor flash属于代码型闪存芯片，其主要特点是芯片内执行（xip，execute in place），即应用程序不必再把代码读到系统ram中，而是可以直接在flash闪存内运行。
所以，nor flash适合用来存储代码及部分数据，可靠性高、读取速度快，在中低容量应用时具备性能和成本上的优势。
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近年来，nor flash的应用有所回升，市场回暖。低功耗蓝牙模块、tws耳机、手机触控和指纹、可穿戴设备、汽车电子和工业控制等领域，使用nor flash比较多。
nand flash
相比之下，nand flash的市场占比就大了很多。
nand flash属于数据型闪存芯片，可以实现大容量存储。
它以页为单位读写数据，以块为单位擦除数据，故其写入和擦除速度虽比dram大约慢3-4个数量级，却也比传统的机械硬盘快3个数量级，被广泛用于emmc/emcp、u盘、ssd等市场。
前面提到了emmc。前几年，这个词还是挺火的。
emmc
emmc即嵌入式多媒体卡（embedded multi media card），它把mmc（多媒体卡）接口、nand及主控制器都封装在一个小型的bga芯片中，主要是为了解决nand品牌差异兼容性等问题，方便厂商快速简化地推出新产品。
而emcp，是把emmc与lpddr封装为一体，进一步减小模块体积，简化电路连接设计。
2011年，ufs（universal flash storage，通用闪存存储）1.0标准诞生。后来，ufs逐渐取代了emmc，成为智能手机的主流存储方案。当然了，ufs也是基于nand flash的。
这些年主流手机的标配
ssd，大家应该很熟悉了。它基本上都是采用nand芯片的，目前发展非常迅猛。
ssd内部构造
根据内部电子单元密度的差异，nand又可以分为slc（单层存储单元）、mlc（双层存储单元）、tlc(三层存储单元、qlc（四层存储单元），依次代表每个存储单元存储的数据分别为1位、2位、3位、4位。
由slc到qlc，存储密度逐步提升，单位比特成本也会随之降低。但相对的，性能、功耗、可靠性与p/e循环（擦写循环次数，即寿命）会下降。
这几年，diy装机圈围绕slc/mlc/tlc/qlc的争议比较大。一开始，网友们觉得ssd硬盘的寿命会缩水。后来发现，好像缩水也没那么严重，寿命仍然够用。所以，也就慢慢接受了。
早期的nand，都是2d nand。工艺制程进入16nm后，2d nand的成本急剧上升，平面微缩工艺的难度和成本难以承受。于是，3d nand出现了。
图片来源：electronics-lab
简单来说，就是从平房到楼房，利用立体堆叠，提升存储器容量，减小2d nand的工艺压力。
2012 年，三星推出了第一代3d nand闪存芯片。后来，3d nand技术不断发展，堆叠层数不断提升，容量也越来越大。
█ 新型存储器（非易失性）
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按行业的共识，新型存储器可以结合了dram内存的高速存取，以及nand闪存在关闭电源之后保留数据的特性，打破内存和闪存的界限，使其合二为一，实现更低的功耗，更长的寿命，更快的速度。
目前，新型存储器主要有这么几种：相变存储器（pcm），阻变存储器（reram/rram），铁电存储器（feram/fram），磁性存储器（mram，第二代为stt-ram），碳纳米管存储器。
限于篇幅，今天就不逐一介绍了。
█ 结语
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上面这个图里，存储器类型很多。但我前面也说了，大家重点看dram、nand flash和nor flash就可以了。因为，在现在的市场上，这三种存储器占了96%以上的市场份额。
其实，所有的存储器，都会基于自己的特性，在市场中找到自己的位置，发挥自己的价值。
一般来说，性能越强的存储器，价格就越贵，会越离计算芯片（cpu/gpu等）越近。性能弱的存储器，可以承担一些对存储时延要求低，写入速度不敏感的需求，降低成本。
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