今天和大家淺談一下存儲器相關基礎知識，如圖1所示我做的一個腦圖分類，我們按照這個分類逐一講解。

圖1 存儲器分類示意圖

01  磁性存儲器

（1）機械硬盤通常都是由盤片、磁頭、盤片主軸、控制電機、磁頭控制器、數據轉換器、接口、緩存等幾部份組成。

盤片：一般由鋁合金或玻璃材料制成，上下盤面都涂有磁性材料。

磁頭：一般由鐵磁性材料制成，上面繞有讀寫線圈，用來實現“電←→磁”轉換的重要裝置。

磁道：磁盤在格式化時被劃分成許多同心圓。這些同心圓不是連續的，而是由一組扇區組成。

扇區：通常是512Byte數據和一些扇區標識信息組成。

柱面：所有盤面上的同一磁道構成一個圓柱，為了提高硬盤的讀寫效率，數據的讀/寫按柱面進行，一個柱面寫滿后，才移到下一個扇區開始寫數據。

圖2 機械硬盤主要組成

（2）存儲原理：

通過電磁變換，利用磁頭寫線圈中的正負脈沖電流，將磁頭下方區域磁化為不同方向，以此代表0和1；反之，通過磁電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲元的不同剩磁狀態表示的二進制代碼轉換成電信號輸出。

圖3 機械硬盤存儲原理

02  半導體存儲器--ROM

（1）ROM（Read Only Memory，只讀存儲器）：不可擦除，數據由工廠寫入，一次寫入機會。

（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入，但也只有一次寫入的機會。

（3）EPROM（Erasable Programmable ROM）：紫外線可擦除，用戶可以重復操作，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，本質上也屬于EEPROM的一種。但Flash和一般EEPROM區別在于Flash以扇區（block）為單位進行操作，而一般的EEPROM則以字節為單位進行操作。Flash的電路結構簡單，成本也更低。

a、浮柵（ FG ，Floating Gate）存儲原理：

Flash 每個存儲單元類似一個標準 MOSFET，但有兩個柵極，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 在電氣上是絕緣獨立的, 所以進入的電子會被困在里面，在一般的條件下電荷經過多年都不會逸散，這也是Flash掉電后數據不會丟失的原理。

圖4 浮柵存儲原理

b、數據寫入 ：

向數據單元寫入數據的過程實際就是向浮柵中注入電子的過程。NOR型 Flash通過熱電子注入的方式（Channel Hot Electron injection，CHE）給浮柵充電，NAND型Flash通過F-N隧道效應（Fowler Nordheim tunneling）給浮柵充電。

----熱電子注入：

當在漏和柵極上同時加高電壓，溝道中的電子在 Vd 建立的橫向電場加速下獲得很高的能量。這些熱電子在PN結附近碰撞電離，產生高能電子，在柵極電場的吸引下，躍過 3.2eV 的氧化層電子勢壘，形成熱電子注入。

圖5 熱電子注入示意圖

----F-N隧道效應：

當在柵極和襯底之間加一個電壓時，在氧化層中會建立一個電場。一般情況下．由于SO2 和 Si 界面的電子勢壘很高(3.2eV)，電子很難越過勢壘注入到多晶硅柵中。當氧化層中電場達到 10MV／cm，且氧化層厚度較小(0.01 微米以下)時，電子將發生直接隧穿效應，穿過氧化層中勢壘注入到浮柵中。

圖6 F-N隧道效應示意圖

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雜。

c、數據讀取：

讀出操作時，控制柵極上施加的電壓很小，不會改變浮柵中的電荷量，即讀出操作不會改變FLASH中原有的數據，也即浮柵有電荷時，D和S間存在導電溝道，從D極讀到‘0’；當浮柵中沒有電荷時，D和S間沒有導電溝道，從D極讀到‘1’。

d、數據擦除：

由于空穴的有效質量和氧化層界面勢壘均比電子要大，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隧道效應將浮柵中的電荷挪走。即在襯底和柵極之間加一個正向電壓。

圖7 數據擦除示意圖

e、Tips：

----為什么存儲器都有寫入擦除次數限制？

每次寫入和擦除操作都是電子進出二氧化硅絕緣層的過程，長此以往會造成絕緣層的老化，浮柵就無法很好地鎖存住電子，進而造成數據丟失。通常SLC有十萬次以上的可擦寫次數，MLC有幾千到上萬次不等,TLC只有幾百次。

----為什么存儲器不允許帶數據狀態下進行高溫操作，比如焊接？

高溫會使浮柵中的電子做熱運動，產生較大的能量，從而造成電子在無外加電場的情況下發生隧穿效應，造成數據丟失。嚴重情況下會損傷絕緣層，造成硬件壞塊（bad block）。

圖8 電子在浮柵中運動示意圖

（6）NOR Flash的結構特性：

NOR Flash每個bit line的基本存儲單元是并聯的，因此它有如下主要特征：

a、并聯結構決定了金屬導線占用較大面積，因此NOR Flash存儲密度較低，不適用于data-storage。

b、并聯結構決定了NOR Flash的存儲單元可獨立尋址，讀取效率高，因此適用于code-storage，程序是可以直接在NOR Flash中運行的。

c、NOR Flash 采用CHE的方式寫入，因此擦/寫速度較慢，功耗較大。

圖9 NOR Flash結構示意圖

（7）NAND Flash的結構特性：

NAND Flash每個bit line的基本存儲單元是串聯的，因此它有如下主要特征：

a、串聯結構減少了金屬導線占用面積，因此存儲密度較高，適用于大容量存儲場合。

b、串聯結構決定了NAND FLASH無法進行位讀取，也就無法實現存儲單元的獨立尋址。此程序不可以直接在NAND 中運行,因此NAND是以Page為讀取單位和寫入單位，以Block為擦除單位。

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

圖10 NAND Flash結構示意圖

（8）2D&3D NAND：

2D NAND 真實的含義其實就是一種顆粒在單 die 內部的排列方式，是按照傳統二維平面模式進行排列閃存顆粒的。相對應的，3D NAND 則是在二維平面基礎上，在垂直方向也進行了擴展。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結構示意圖

03  半導體存儲器--RAM

RAM（Random Access Memory，隨機存取存儲器），是與CPU直接交換數據的內部存儲器。它可以隨時讀寫，而且速度很快，通常作為操作系統或其他正在運行中的程序的臨時數據存儲介質。RAM工作時可以隨時從任何一個指定的地址寫入或讀取信息。它與ROM的最大區別是數據的易失性，即一旦斷電所存儲的數據將隨之丟失。

RAM在計算機和數字系統中用來暫時存儲程序、數據和中間結果。

當前主流的RAM主要分為SRAM、DRAM和SDRAM三種。

圖12 內存條示意圖

（1）SRAM（Static Random Access Memory，靜態隨機存儲器），它是一種具有靜止存取功能的內存，可以做到不刷新電路即能保存它內部存儲的數據。其優點是速度快，不必配合內存刷新電路，可提高整體的工作效率。缺點是集成度低，功耗較大，相同的容量體積較大，而且價格較高，少量用于關鍵性系統以提高效率，如SOC的cache。

如下圖為一個6管結構的1bit基本存儲單元。M1~M4構成兩個交叉耦合的反相器，M5~M5存儲基本單元到用于讀寫的位線的控制開關，整體等價于一個鎖存器。

圖13 SRAM結構示意圖

（2）DRAM（Dynamic Random Access Memory，動態隨機存儲器）是最為常見的系統內存。DRAM使用電容存儲數據，由于電容的持續放電，DRAM 只能將數據保持很短的時間。為了保持數據，所以必須隔一段時間動態刷新一次。其優點是接成都高，價格便宜，只是速度次于SRAM。我們使用的電腦和手機的運行內存幾乎都是DRAM。

如下圖為DRAM的一個1bit基本存儲單元。通過行列地址線控制MOS的通斷實現對存儲數據的刷新和讀寫。

圖14 DRAM結構示意圖

（3）SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動態隨機存取存儲器），為DRAM的一種，同步是指Memory工作需要同步時鐘，內部命令的發送與數據的傳輸都以時鐘為基準；

DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM），為雙信道同步動態隨機存取內存，是新一代的SDRAM技術。目前已經發展至DDR5。

圖15 SDRAM內部框圖

04

新型存儲器

（1）STT MRAM（自旋轉移力矩 磁性隨機存取存儲器）結構示意圖如下，每個 bit 單元都包含一個晶體管外加一條垂直排列的隧道交叉點。該隧道交叉點包含兩個磁體，其一的北極永遠指向上，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 0 或者 1。

MRAM STT 的訪問時間在 納秒級別且寫入功耗極低（只有7.5uA），速度表現遠超過閃存甚至接近 DRAM。STT MRAM 的關鍵性優勢在于結合了非易失性與無限使用壽命，數據駐留時間可達10~20年。

MRAM最大的缺點是存儲單元之間存在干擾，當對目標位進行編程時，非目標位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場的交疊會愈加嚴重。

圖16 MRAM結構示意圖

（2）RRAM（阻變式隨機存取存儲器）結構示意圖如下，典型的RRAM由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲介質。電壓引起存儲介質離子運動和局部結構變化，進而造成電阻變化，并利用這種電阻差異來存儲數據。

RRAM擦寫速度快，可以達到100ns以內。因其讀寫讀寫方式和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，使得當個存儲單元存儲多位數據成為可能，從而提高存儲密度。

RRAM的相鄰單元串擾和器件微縮能力難以兼顧。

圖17 RRAM結構示意圖

END

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