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所有使用者對“存儲器”這個名詞可是一點都不陌生，因為所有的電子產(chǎn)品都必須用到存儲器,，且通常用到不只一種存儲器,。不過對于存儲器種類、規(guī)格與形式,，很多人容易搞混,。比如，最近價格貴到炸的NANDFlash,，產(chǎn)業(yè)新聞里常常提到的DRAM,，還有SRAM、SDRAM,、DDR3,、DDR4、NORFlash…這些又是什么,？

先來一段百度百科,。

存儲器是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的部件，對于計算機來說,，有了存儲器,，才有記憶功能，才能保證正常工作,。存儲器的種類很多,，按其用途可分為主存儲器和輔助存儲器，主存儲器又稱內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存,，港臺稱之為記憶體）,。外儲存器是指除計算機內(nèi)存及CPU緩存以外的儲存器,，此類儲存器一般斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)。常見的外存儲器有硬盤,、軟盤,、光盤、U盤等,。

而簡單來說,，DRAM就是我們一般在用的內(nèi)存，而NANDFlash閃存,，它在做的事情其實是硬盤,。

（這段是給電腦小白的科普，大家可以酌情跳過）

不熟悉PC知識的朋友常常在選購設(shè)備時問,，硬盤和內(nèi)存到底有什么差別,？我硬盤容量明明有1TB，但PC還是跑得很慢哎,？

硬盤和內(nèi)存的差異,，在于把電源關(guān)掉后、空間中儲存的數(shù)據(jù)還會不會留著,。就算關(guān)掉電源,，硬盤的數(shù)據(jù)也不會消失。

但我們要運算數(shù)據(jù)時,，如果CPU要直接從硬盤里面抓數(shù)據(jù),，時間會太久。所以”內(nèi)存”會作為中間橋梁,，先到硬盤里面復制一份進來,、再讓CPU直接到內(nèi)存中拿數(shù)據(jù)做運算。這樣會比直接去硬盤抓數(shù)據(jù),，快約數(shù)百萬倍,。

打開任務(wù)管理器，就可以看到現(xiàn)在執(zhí)行中程序占掉的內(nèi)存空間,，很多人就在罵Chrome耗費的運算資源很高,，內(nèi)存使用率高于其他瀏覽器，多開幾個分頁內(nèi)存就被吃完了,。

所以簡單來說,，計算機在運作就像是辦公一樣，喝飲料,、看書本,、聽音響…想一次使用越多東西、桌面（內(nèi)存）就要越大。但其他一時間沒有要用到的東西,，都會放在抽屜（硬盤）里面,。所以硬盤就算再大，你一次想執(zhí)行很多任務(wù),，還是得要看內(nèi)存大小,。

內(nèi)存的處理速度比硬盤更快,，但斷電之后數(shù)據(jù)會消失,，且價格也比硬盤貴。

當然存儲器的層次結(jié)構(gòu)里面還有更多細節(jié),。參見后文,。

簡單來說，CPU里面也有一個儲存空間,，叫做Register,。要運算時、CPU會從內(nèi)存中把數(shù)據(jù)載入Register,、再讓Register中存的數(shù)字做運算,，運算完再將結(jié)果存回內(nèi)存中。畢竟CPU和內(nèi)存終究還是兩片不同的芯片,，沒有在同一片芯片里直接抓數(shù)據(jù)快,。

還有一個概念是Cache，這是CPU和內(nèi)存之間的中間橋梁,。

速度來講,，就是：CPU里面的Register>Cache>內(nèi)存>硬盤。越上層（越靠近CPU）,，速度就越快,、價格越高、容量越低,。

存儲器的分類

電的存儲器是指電寫電讀的存儲器,，主要分為兩大類，如圖一所示：

易失性存儲器（VolatileMemory,，VM）：電源開啟時資料存在,，電源關(guān)閉則資料立刻流失（資料揮發(fā)掉），例如：SRAM,、DRAM,、SDRAM、DDR-SDRAM等,。

非易失性存儲器（Non-VolatileMemory,，NVM）：電源開啟時資料存在，電源關(guān)閉資料仍然可以保留，例如：ROM,、PROM,、EPROM、EEPROM,、FlashROM,、FRAM、MRAM,、RRAM,、PCRAM等。

▲圖一：存儲器的分類,。

存儲器的單元

存儲器的“單元”（Cell）是指用來存取資料的最小結(jié)構(gòu),，如果含有一個晶體管（Transistor）與一個電容（Capacitor）則稱為“1T1C”；如果含有一個晶體管（Transistor）與一個電阻（Resistor）則稱為“1T1R”,；如果含有一個二極體（Diode）與一個電阻（Resistor）則稱為“1D1R”,。

存儲器的每個“單元”不一定只能儲存1個位的資料，由于我們對存儲器容量的要求越來越高,，每個“單元”能儲存的資料越來越多,，依照每個“單元”能儲存的資料位數(shù)又分為：單層單元（Single-LevelCell，SLC）,、多層單元（Multi-LevelCell,，MLC）、三層單元（Triple-LevelCell,，TLC）,、四層單元（Quad-LevelCell，QLC）等,。

存儲器層次結(jié)構(gòu)（Memoryhierarchy）

要了解電子產(chǎn)品的各種存儲器配置,，就必須先介紹“存儲器層次結(jié)構(gòu)”（Memoryhierarchy）觀念。存儲器層次結(jié)構(gòu)是指如何將儲存容量不同,、運算速度不同,、單位價格不同的多種存儲器妥善分配，才能達到最大的經(jīng)濟效益,，使產(chǎn)品的運算速度合理,、儲存容量合理、產(chǎn)品價格合理,。

圖二為存儲器階層示意圖,，由上而下依序為暫存器、快取存儲器,、主存儲器,、輔助存儲器：

暫存器（Register,，也譯為寄存器）：在處理器內(nèi)，用來設(shè)定處理器的功能,，主要是“暫時儲存”設(shè)定值的地方,。

快取存儲器（Cachememory，翻譯版本有緩存,，快取緩存區(qū),，快取存儲器；臺灣翻譯為快取,。）：在處理器內(nèi),，執(zhí)行程序時“暫時儲存”程序與資料的地方，通常以SRAM制作,。

主存儲器（Mainmemory）：在處理器外,，“暫時儲存”程序與資料的地方,，通常以DRAM制作,，目前已經(jīng)改良成SDRAM或DDR。

輔助存儲器（Assistantmemory）：在處理器外,，“永久儲存”程序與資料的地方,，包括：快閃存儲器、磁盤機,、光盤機,、磁帶機等。

不同種類的存儲器分別有不同的儲存容量,、工作速度,、單位價格：

儲存容量：輔助存儲器（GB）>主存儲器（MB）>快取存儲器（KB）>暫存器（B）。

工作速度：輔助存儲器（1ms）<主存儲器（10ns）<快取存儲器（1ns）<暫存器（1ns）,。

單位價格：輔助存儲器<主存儲器<快取存儲器<暫存器,。

▲圖二：存儲器階層示意圖。

存儲器的應(yīng)用

所有的電子產(chǎn)品都必須用到存儲器,，而且通常用到不只一種存儲器,，由于存儲器的種類繁多，常常讓使用者混淆,，我們簡單說明不同存儲器之間的差異,，圖三為手機主要芯片的系統(tǒng)方塊圖（Systemblockdiagram），包括：應(yīng)用處理器（Applicationprocessor）,、基帶處理器（Basebandprocessor）,、運動控制器（MotionController）。

應(yīng)用處理器主要是執(zhí)行操作系統(tǒng)（OperatingSystem,，OS）與應(yīng)用程序（Applicationprogram,，App），暫存器與快取存儲器目前都是內(nèi)建在處理器內(nèi)，其中暫存器用來設(shè)定處理器的功能,，用來設(shè)定暫存器數(shù)值的程序,，也就是用來趨動硬件的軟件程序又稱為“固件”（Firmware）；快取存儲器是在執(zhí)行程序時用來“暫時儲存”程序與資料的地方,，由于在處理器內(nèi)離運算單元比較近,，可以縮短程序與資料來回的時間，加快程序的執(zhí)行速度因此稱為“Cache”,。

由于快取存儲器成本較高因此容量不大,，如果執(zhí)行程序時放不下，則可以退一步放在主存儲器內(nèi),，可是目前主存儲器所使用的SDRAM或DDR,，屬于易失性存儲器，電源關(guān)閉則資料立刻流失,，因此關(guān)機后資料必須儲存在非易失性的輔助存儲器內(nèi),，早期輔助存儲器使用磁盤機、光盤機,、磁帶機等,，由于半導體制程的進步，目前大多使用快閃存儲器（FlashROM）,，或所謂的固態(tài)硬盤（SolidStateDisk,，SSD），固態(tài)硬盤其實也是使快閃存儲器制作,。

由于快取存儲器（SRAM）與主存儲器（SDRAM,、DDR）是執(zhí)行程序用來“暫時儲存”程序與資料的地方，與處理器內(nèi)的運算單位直接使用匯流排（Bus）連接,，一般都是用“位”（bit）來計算容量,；而輔助存儲器是“永久儲存”程序與資料的地方，由于一個位組（Byte）可以儲存一個半型字,，因此一般都是用“位組”（Byte）來計算容量,。

▲圖三：手機主要芯片的系統(tǒng)方塊圖（Systemblockdiagram）。

靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM：StaticRAM）

以6個晶體管（MOS）來儲存1個位（1bit）的資料,，而且使用時“不需要”周期性地補充電源來保持記憶的內(nèi)容,，故稱為“靜態(tài)”（Static）。

SRAM的構(gòu)造較復雜（6個晶體管儲存1個位的資料）,，不使用電容所以存取速度較快,，但是成本也較高，因此一般都制作成對容量要求較低但是對速度要求較高的存儲器,，例如：中央處理器（CPU）內(nèi)建256KB,、512KB,、1MB的“快取存儲器”（Cachememory），一般都是使用SRAM,。

動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM：DynamicRAM）

以一個晶體管（MOS）加上一個電容（Capacitor）來儲存一個位（1bit）的資料,，而且使用時“需要”周期性地補充電源來保持記憶的內(nèi)容，故稱為“動態(tài)”（Dynamic）,。

DRAM構(gòu)造較簡單（一個晶體管加上一個電容）,，由于電容充電放電需要較長的時間造成存取速度較慢，但是成本也較低,，因此一般制作成對容量要求較高但是對速度要求較低的存儲器,，例如：個人電腦主機板通常使用1GB以上的DDR-SDRAM就是屬于一種DRAM。由于處理器的速度越來越快,，傳統(tǒng)DRAM的速度已經(jīng)無法滿足要求,，因此目前都改良成SDRAM或DDR-SDRAM等兩種型式來使用。

同步動態(tài)隨機存取存儲器（SDRAM：SynchronousDRAM）

中央處理器（CPU）與主機板上的主存儲器（SDRAM）存取資料時的“工作時脈”（Clock）相同,，故稱為“同步”（Synchronous）,。由于CPU在存取資料時不需要“等待”（Wait）因此效率較高，SDRAM的存取速度較DRAM快,，所以早期電腦主機板上都是使用SDRAM來取代傳統(tǒng)DRAM,，不過目前也只有少數(shù)工業(yè)電腦仍然使用SDRAM。

可以記住一個簡單的結(jié)論：SRAM比較快,、DRAM比較慢；SRAM比較貴,、DRAM比較便宜,。

這是我們平常在計算機中使用的內(nèi)存，更精確的說法應(yīng)該叫”內(nèi)存模塊”（MemoryModule）,。一個內(nèi)存模塊實際上就是由一塊小電路板,、再加上幾塊的DRAM芯片構(gòu)成。圖標中的內(nèi)存模塊上一共有8個DRAM芯片,。讓我們把一個DRAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖開看看,，會看到一個儲存數(shù)組（MemorryArray）。

CPU會給這個儲存數(shù)組”行地址”和”列地址”,，就可以選出一個”儲存單元”,。常見的儲存單元包含了4bit或8bit，每一個bit都會采用一個電路結(jié)構(gòu),，我們稱為DRAM的一個”基本儲存單元”,。

這個基本儲存單元中包含了一個晶體管匹配一個電容。然后就可以視電容器是否有充電電荷存在,、來判別目前的記憶狀態(tài),。

“寫入內(nèi)存”的動作,，就是由外部的數(shù)據(jù)線、對電容進行充電或放電,，從而完成寫入1或0的數(shù)字數(shù)據(jù),。

DRAM使用一個晶體管（MOS）與一個電容來儲存一個位的資料（一個0或一個1），如圖四（a）所示,，當晶體管（MOS）不導通時沒有電子流過,，電容沒有電荷，代表這一個位的資料是0,，如圖四（b）所示,；當晶體管（MOS）導通時（在閘極施加正電壓），電子會由源極流向汲極,，電容有電荷,，代表這一個位的資料是1，為了要將這些流過來的電荷“儲存起來”,，因此必須使用一個微小的電容,，如圖四（c）所示，DRAM就是因為電容需要時間充電,，所以速度比SRAM還慢,。

▲圖四：動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）的結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。

由于電容會有漏電的現(xiàn)象,，導致電位差不足而使記憶消失,，因此除非電容經(jīng)常周期性地充電，否則無法確保數(shù)據(jù)能長久保存起來,。

由于每個DRAM基本儲存單元的電路結(jié)構(gòu)非常的簡單,，所以功耗低、價格也較低,。這樣一來用低成本就能制造出大儲存容量的DRAM芯片,。缺點就是讀寫的速度慢（電容要充電放電），影響了DRAM的性能,。

SRAM的結(jié)構(gòu)則較為復雜,，一共有六個晶體管構(gòu)成。我們能分別用M1,、M2,、M3到M6進行標記。這六個晶體管合起來才能保存一個bit,。

SRAM芯片和DRAM芯片不太一樣,，不需要分成行地址和列地址分別選擇，而且SRAM的設(shè)計相對來說又更加靈活,，一個地址對應(yīng)的儲存單元數(shù)量可以是8bit,、10bit,，或32bit、40bit,、64bit都行,。

另外，晶體管的開關(guān)速度遠比電容充電放電的速度還快,，所以相對于DRAM,、SRAM的讀寫速度比DRAM快很多。

然而SRAM中要儲存一個bit就得用到六個晶體管,。晶體管的數(shù)量一多,、就會造成芯片的面積變大，從而帶來集成電路難以變得更小,、還有價格更貴的問題,。

（SRAM的價格比起DRMA要高達1000倍以上。比如2010年世代––—SRAM的每單位儲存價格是$60/MB,，DRAM則是$0.06/MB,。）

同時每個晶體管都要耗電，晶體管越多,、功耗就越高,。考慮到價格高和功耗大,，目前只能在一些很嚴苛的地方來使用SRAM,，比如上面提到的快取(Cache)。

故目前”主存儲器”還是使用DRAM技術(shù),，但小塊用來拉速度的”快取”就是采用SRAM,。然而無論是DRAM還是SRAM，一不供應(yīng)電源就會喪失儲存的數(shù)據(jù),，所以都叫做揮發(fā)性內(nèi)存。

鐵電隨機存取存儲器FRAM

動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）是以一個晶體管加上一個電容來儲存一個位（1bit）的資料,，由于傳統(tǒng)DRAM的電容都是使用“氧化矽”做為絕緣體,，氧化矽的介電常數(shù)不夠大（K值不夠大），因此不容易吸引（儲存）電子與電洞,，造成必須不停地補充電子與電洞,，所以稱為“動態(tài)”，只要電腦的電源關(guān)閉,，電容所儲存的電子與電洞就會流失,，DRAM所儲存的資料也就會流失。

要解決這個問題,，最簡單的就是使用介電常數(shù)夠大（K值夠大）的材料來取代“氧化矽”為絕緣體,，讓電子與電洞可以儲存在電容里不會流失,。目前業(yè)界使用“鈦鋯酸鉛”（PZT）或“鉭鉍酸鍶”（SBT）這種介電常數(shù)很大（K值很大）的“鐵電材料”（Ferroelectricmaterial）來取代氧化矽，則可以儲存電子與電洞不會流失,，讓原本“易失性”的動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）變成“非易失性”的存儲器稱為“鐵電隨機存取存儲器”（FerroelectricRAM,，F(xiàn)RAM）。

NANDFlash又是什么呢,？

繼續(xù)講講非易失性的部分：

Flash（閃存）由于具備了重量輕,、體積小、功率低等優(yōu)點,，被應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品的硬盤上,。Flash又可以分成NOR型Flash和NAND型Flash。

NORFlash比NANDFlash更早導入市場,。讀取的速度較快,，但寫入的速度慢、價格也比NANDFlash貴,。

目前用來儲存操作系統(tǒng)的程序代碼或重要數(shù)據(jù),，比如拿來做ROM。像是生產(chǎn)NORFlash的臺廠旺宏就是因為打入任天堂Switch主機的ROM供應(yīng)鏈,，今年營收上看攀升,。

NANDFlash寫入的速度快、價格較低,，故目前以NANDFlash最為普遍?，F(xiàn)在的USB硬盤和手機儲存空間，就是用NANDFlash為主流技術(shù),。

另外,，固態(tài)硬盤（SolidStateDrive,SSD）也是以NAND型Flash為基礎(chǔ)所建構(gòu)的儲存裝置。SSD不像傳統(tǒng)硬盤（HDD）中有馬達,、讀寫臂等零件,。速度慢、功耗高,，對震動又相當敏感,，很難用在小型行動裝置中。

SSD在讀寫數(shù)據(jù)時不會有噪音,，耐震,、傳輸速度快、重量又能縮減到HDD十分之一以上,，現(xiàn)在已經(jīng)成為個人計算機和筆記本電腦的主流儲存設(shè)備,。

總結(jié)：

依照停止供應(yīng)電源的話、是否還能保留數(shù)據(jù),，分成”易失性”與”非易失性”存儲,。

易失性存儲分成DRAM和SRAM,。

SRAM更快但價格更貴，所以主存儲器多用DRAM,、快取多用SRAM,。

非易失性存儲分成ROM和Flash。主要用來作為硬盤,。

Flash又分成NORFlash與NANDFlash,，現(xiàn)在硬盤多以NANDFlash構(gòu)成的SSD為主。

▲Q：看看一天到晚聽到的DRAM,、SRAM,、Flash等內(nèi)存廠商又分別代表哪層？

來源：Technews,，寫點科普,，請給指教。