关于半导体存储的最强入门科普

EETOP 2022-09-30 11:44

上周,我给大家仔细介绍了HDD硬盘、软盘和光盘的发展史(链接)。


大家应该都注意到了,在我们的日常生活中,其实远远不止上面三种存储介质。


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,都属于另外一种存储技术。


这种技术,我们称之为“半导体存储”


今天,小枣君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)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)。


舛冈富士雄


Flash在英文里,就是“快速地”的意思。


限于篇幅,FLASH的具体原理我们下次再专门介绍。我们只需要知道,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 FlashNAND 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(主要是我也没看懂,太难了),今天就不逐一介绍了。等将来我研究清楚后,再写专题文章。


█ 结语


汇总一下,小枣君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。



下一期文章,小枣君将站在历史的角度,详细介绍一下半导体存储的技术演进历程,以及行业格局的风雨变幻。


欢迎大家继续关注!谢谢!



参考文献:

1、《数据存力白皮书》,华为、罗兰贝格;

2、《中国存力白皮书》,2022算力大会;

3、《计算机存储历史》,中国存储网

4、《硬盘发展简史》,SunnyZhang的I世界;

5、《存储技术发展历程》,谢长生;

6、《存储介质发展史》,B站,阴冷未遂;

7、《下一代数据存储技术研究报告》,信通院;

8、《存储芯片行业研究报告》,国信证券;

9、《国产存储等待一场革命》,付斌,果壳;

10、《关于半导体存储,没有比这篇更全的了》,芯师爷

11、《科技简章035-半导体存储之闪存》,悟弥津,知乎
12、维基百科相关词条。



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