今天和大家淺談一下存儲(chǔ)器相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，如圖1所示我做的一個(gè)腦圖分類，我們按照這個(gè)分類逐一講解。

圖1 存儲(chǔ)器分類示意圖

01  磁性存儲(chǔ)器

（1）機(jī)械硬盤(pán)通常都是由盤(pán)片、磁頭、盤(pán)片主軸、控制電機(jī)、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等幾部份組成。

盤(pán)片：一般由鋁合金或玻璃材料制成，上下盤(pán)面都涂有磁性材料。

磁頭：一般由鐵磁性材料制成，上面繞有讀寫(xiě)線圈，用來(lái)實(shí)現(xiàn)“電←→磁”轉(zhuǎn)換的重要裝置。

磁道：磁盤(pán)在格式化時(shí)被劃分成許多同心圓。這些同心圓不是連續(xù)的，而是由一組扇區(qū)組成。

扇區(qū)：通常是512Byte數(shù)據(jù)和一些扇區(qū)標(biāo)識(shí)信息組成。

柱面：所有盤(pán)面上的同一磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱，為了提高硬盤(pán)的讀寫(xiě)效率，數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)按柱面進(jìn)行，一個(gè)柱面寫(xiě)滿后，才移到下一個(gè)扇區(qū)開(kāi)始寫(xiě)數(shù)據(jù)。

圖2 機(jī)械硬盤(pán)主要組成

（2）存儲(chǔ)原理：

通過(guò)電磁變換，利用磁頭寫(xiě)線圈中的正負(fù)脈沖電流，將磁頭下方區(qū)域磁化為不同方向，以此代表0和1；反之，通過(guò)磁電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

圖3 機(jī)械硬盤(pán)存儲(chǔ)原理

02  半導(dǎo)體存儲(chǔ)器--ROM

（1）ROM（Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器）：不可擦除，數(shù)據(jù)由工廠寫(xiě)入，一次寫(xiě)入機(jī)會(huì)。

（2）PROM（Programmable ROM，可編程ROM）：不可擦除，用戶可以用專用的編程器將自己的資料寫(xiě)入，但也只有一次寫(xiě)入的機(jī)會(huì)。

（3）EPROM（Erasable Programmable ROM）：紫外線可擦除，用戶可以重復(fù)操作，但需要用到專用的擦除器和編程器。

（4）EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）：電可擦除，徹底擺脫了EPROM Eraser和編程器的束縛，只需用廠商提供的專用刷新程序用戶就能輕松修改內(nèi)容。EEPROM如今依然被大量使用，很多芯片、模組的固件信息依然存放在EEPROM中。

（5）Flash又稱閃存，本質(zhì)上也屬于EEPROM的一種。但Flash和一般EEPROM區(qū)別在于Flash以扇區(qū)（block）為單位進(jìn)行操作，而一般的EEPROM則以字節(jié)為單位進(jìn)行操作。Flash的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本也更低。

a、浮柵（ FG ，F(xiàn)loating Gate）存儲(chǔ)原理：

Flash 每個(gè)存儲(chǔ)單元類似一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) MOSFET，但有兩個(gè)柵極，頂部的是控制柵(Control Gate, CG)和夾在兩層二氧化硅絕緣層之間的浮置柵極(Floating Gate, FG)。由于 FG 在電氣上是絕緣獨(dú)立的, 所以進(jìn)入的電子會(huì)被困在里面，在一般的條件下電荷經(jīng)過(guò)多年都不會(huì)逸散，這也是Flash掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失的原理。

圖4 浮柵存儲(chǔ)原理

b、數(shù)據(jù)寫(xiě)入 ：

向數(shù)據(jù)單元寫(xiě)入數(shù)據(jù)的過(guò)程實(shí)際就是向浮柵中注入電子的過(guò)程。NOR型 Flash通過(guò)熱電子注入的方式（Channel Hot Electron injection，CHE）給浮柵充電，NAND型Flash通過(guò)F-N隧道效應(yīng)（Fowler Nordheim tunneling）給浮柵充電。

----熱電子注入：

當(dāng)在漏和柵極上同時(shí)加高電壓，溝道中的電子在 Vd 建立的橫向電場(chǎng)加速下獲得很高的能量。這些熱電子在PN結(jié)附近碰撞電離，產(chǎn)生高能電子，在柵極電場(chǎng)的吸引下，躍過(guò) 3.2eV 的氧化層電子勢(shì)壘，形成熱電子注入。

圖5 熱電子注入示意圖

----F-N隧道效應(yīng)：

當(dāng)在柵極和襯底之間加一個(gè)電壓時(shí)，在氧化層中會(huì)建立一個(gè)電場(chǎng)。一般情況下．由于SO2 和 Si 界面的電子勢(shì)壘很高(3.2eV)，電子很難越過(guò)勢(shì)壘注入到多晶硅柵中。當(dāng)氧化層中電場(chǎng)達(dá)到 10MV／cm，且氧化層厚度較小(0.01 微米以下)時(shí)，電子將發(fā)生直接隧穿效應(yīng)，穿過(guò)氧化層中勢(shì)壘注入到浮柵中。

圖6 F-N隧道效應(yīng)示意圖

溝道熱電子注入模式工作電壓較低，外圍高壓工藝的要求也較低，但它的編程電流很大，有較大的功耗。隧穿模式的功耗小，但要求有更高的編程電壓，外圍工藝和升壓電路也就較為復(fù)雜。

c、數(shù)據(jù)讀取：

讀出操作時(shí)，控制柵極上施加的電壓很小，不會(huì)改變浮柵中的電荷量，即讀出操作不會(huì)改變FLASH中原有的數(shù)據(jù)，也即浮柵有電荷時(shí)，D和S間存在導(dǎo)電溝道，從D極讀到‘0’；當(dāng)浮柵中沒(méi)有電荷時(shí)，D和S間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，從D極讀到‘1’。

d、數(shù)據(jù)擦除：

由于空穴的有效質(zhì)量和氧化層界面勢(shì)壘均比電子要大，所以CHE 方式不能用于 FG 中電子的擦除。因此NAND和NOR Flash中都采用F-N隧道效應(yīng)將浮柵中的電荷挪走。即在襯底和柵極之間加一個(gè)正向電壓。

圖7 數(shù)據(jù)擦除示意圖

e、Tips：

----為什么存儲(chǔ)器都有寫(xiě)入擦除次數(shù)限制？

每次寫(xiě)入和擦除操作都是電子進(jìn)出二氧化硅絕緣層的過(guò)程，長(zhǎng)此以往會(huì)造成絕緣層的老化，浮柵就無(wú)法很好地鎖存住電子，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)丟失。通常SLC有十萬(wàn)次以上的可擦寫(xiě)次數(shù)，MLC有幾千到上萬(wàn)次不等,TLC只有幾百次。

----為什么存儲(chǔ)器不允許帶數(shù)據(jù)狀態(tài)下進(jìn)行高溫操作，比如焊接？

高溫會(huì)使浮柵中的電子做熱運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生較大的能量，從而造成電子在無(wú)外加電場(chǎng)的情況下發(fā)生隧穿效應(yīng)，造成數(shù)據(jù)丟失。嚴(yán)重情況下會(huì)損傷絕緣層，造成硬件壞塊（bad block）。

圖8 電子在浮柵中運(yùn)動(dòng)示意圖

（6）NOR Flash的結(jié)構(gòu)特性：

NOR Flash每個(gè)bit line的基本存儲(chǔ)單元是并聯(lián)的，因此它有如下主要特征：

a、并聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了金屬導(dǎo)線占用較大面積，因此NOR Flash存儲(chǔ)密度較低，不適用于data-storage。

b、并聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了NOR Flash的存儲(chǔ)單元可獨(dú)立尋址，讀取效率高，因此適用于code-storage，程序是可以直接在NOR Flash中運(yùn)行的。

c、NOR Flash 采用CHE的方式寫(xiě)入，因此擦/寫(xiě)速度較慢，功耗較大。

圖9 NOR Flash結(jié)構(gòu)示意圖

（7）NAND Flash的結(jié)構(gòu)特性：

NAND Flash每個(gè)bit line的基本存儲(chǔ)單元是串聯(lián)的，因此它有如下主要特征：

a、串聯(lián)結(jié)構(gòu)減少了金屬導(dǎo)線占用面積，因此存儲(chǔ)密度較高，適用于大容量存儲(chǔ)場(chǎng)合。

b、串聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了NAND FLASH無(wú)法進(jìn)行位讀取，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的獨(dú)立尋址。此程序不可以直接在NAND 中運(yùn)行,因此NAND是以Page為讀取單位和寫(xiě)入單位，以Block為擦除單位。

c、NAND FLASH寫(xiě)入采用F-N隧道效應(yīng)方式，因此NAND擦除/寫(xiě)入速率很高，適用于頻繁擦除/寫(xiě)入場(chǎng)合。同時(shí)NAND是以Page為單位進(jìn)行讀取的，因此讀取速率也不算低（稍低于NOR）。

圖10 NAND Flash結(jié)構(gòu)示意圖

（8）2D&3D NAND：

2D NAND 真實(shí)的含義其實(shí)就是一種顆粒在單 die 內(nèi)部的排列方式，是按照傳統(tǒng)二維平面模式進(jìn)行排列閃存顆粒的。相對(duì)應(yīng)的，3D NAND 則是在二維平面基礎(chǔ)上，在垂直方向也進(jìn)行了擴(kuò)展。在同樣體積大小的情況下，極大地提升了閃存顆粒單 die 的容量體積。

圖11 3D NAND結(jié)構(gòu)示意圖

03  半導(dǎo)體存儲(chǔ)器--RAM

RAM（Random Access Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)器。它可以隨時(shí)讀寫(xiě)，而且速度很快，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行中的程序的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。RAM工作時(shí)可以隨時(shí)從任何一個(gè)指定的地址寫(xiě)入或讀取信息。它與ROM的最大區(qū)別是數(shù)據(jù)的易失性，即一旦斷電所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將隨之丟失。

RAM在計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)中用來(lái)暫時(shí)存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。

當(dāng)前主流的RAM主要分為SRAM、DRAM和SDRAM三種。

圖12 內(nèi)存條示意圖

（1）SRAM（Static Random Access Memory，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器），它是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存，可以做到不刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是速度快，不必配合內(nèi)存刷新電路，可提高整體的工作效率。缺點(diǎn)是集成度低，功耗較大，相同的容量體積較大，而且價(jià)格較高，少量用于關(guān)鍵性系統(tǒng)以提高效率，如SOC的cache。

如下圖為一個(gè)6管結(jié)構(gòu)的1bit基本存儲(chǔ)單元。M1~M4構(gòu)成兩個(gè)交叉耦合的反相器，M5~M5存儲(chǔ)基本單元到用于讀寫(xiě)的位線的控制開(kāi)關(guān)，整體等價(jià)于一個(gè)鎖存器。

圖13 SRAM結(jié)構(gòu)示意圖

（2）DRAM（Dynamic Random Access Memory，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）是最為常見(jiàn)的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，由于電容的持續(xù)放電，DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，所以必須隔一段時(shí)間動(dòng)態(tài)刷新一次。其優(yōu)點(diǎn)是接成都高，價(jià)格便宜，只是速度次于SRAM。我們使用的電腦和手機(jī)的運(yùn)行內(nèi)存幾乎都是DRAM。

如下圖為DRAM的一個(gè)1bit基本存儲(chǔ)單元。通過(guò)行列地址線控制MOS的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的刷新和讀寫(xiě)。

圖14 DRAM結(jié)構(gòu)示意圖

（3）SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），為DRAM的一種，同步是指Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以時(shí)鐘為基準(zhǔn)；

DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM），為雙信道同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存，是新一代的SDRAM技術(shù)。目前已經(jīng)發(fā)展至DDR5。

圖15 SDRAM內(nèi)部框圖

04

新型存儲(chǔ)器

（1）STT MRAM（自旋轉(zhuǎn)移力矩 磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）結(jié)構(gòu)示意圖如下，每個(gè) bit 單元都包含一個(gè)晶體管外加一條垂直排列的隧道交叉點(diǎn)。該隧道交叉點(diǎn)包含兩個(gè)磁體，其一的北極永遠(yuǎn)指向上，其二則為自由磁體、其北極可在向上與向下間切換以代表存儲(chǔ) 0 或者 1。

MRAM STT 的訪問(wèn)時(shí)間在 納秒級(jí)別且寫(xiě)入功耗極低（只有7.5uA），速度表現(xiàn)遠(yuǎn)超過(guò)閃存甚至接近 DRAM。STT MRAM 的關(guān)鍵性優(yōu)勢(shì)在于結(jié)合了非易失性與無(wú)限使用壽命，數(shù)據(jù)駐留時(shí)間可達(dá)10~20年。

MRAM最大的缺點(diǎn)是存儲(chǔ)單元之間存在干擾，當(dāng)對(duì)目標(biāo)位進(jìn)行編程時(shí)，非目標(biāo)位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場(chǎng)的交疊會(huì)愈加嚴(yán)重。

圖16 MRAM結(jié)構(gòu)示意圖

（2）RRAM（阻變式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）結(jié)構(gòu)示意圖如下，典型的RRAM由兩個(gè)金屬電極夾一個(gè)薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲(chǔ)介質(zhì)。電壓引起存儲(chǔ)介質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)和局部結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而造成電阻變化，并利用這種電阻差異來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

RRAM擦寫(xiě)速度快，可以達(dá)到100ns以內(nèi)。因其讀寫(xiě)讀寫(xiě)方式和NAND方式不同，其使用壽命大大提高。部分RRAM材料還具備多種電阻狀態(tài)，使得當(dāng)個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)成為可能，從而提高存儲(chǔ)密度。

RRAM的相鄰單元串?dāng)_和器件微縮能力難以兼顧。

圖17 RRAM結(jié)構(gòu)示意圖

END

本期《存儲(chǔ)器基礎(chǔ)掃盲》就講解到這，歡迎評(píng)論區(qū)留言哦。喜歡的話就點(diǎn)個(gè)關(guān)注吧，定期分享電路原理、技術(shù)案例、工程管理等相關(guān)知識(shí)。持續(xù)關(guān)注不迷路哦。