终于有人说清楚了什么是DRAM什么是NAND Flash

所有使用者对“存储器”这个名词可是一点都不陌生，因为所有的电子产品都必须用到存储器，且通常用到不只一种存储器。不过对于存储器种类、规格与形式，很多人容易搞混。比如，最近价格贵到炸的NANDFlash，产业新闻里常常提到的DRAM，还有SRAM、SDRAM、DDR3、DDR4、NORFlash…这些又是什么？

先来一段百度百科。

存储器是用来存储程序和数据的部件，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器，主存储器又称内存储器（简称内存，港台称之为记忆体）。外储存器是指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器，此类储存器一般断电后仍然能保存数据。常见的外存储器有硬盘、软盘、光盘、U盘等。

而简单来说，DRAM就是我们一般在用的内存，而NANDFlash闪存，它在做的事情其实是硬盘。

（这段是给电脑小白的科普，大家可以酌情跳过）

不熟悉PC知识的朋友常常在选购设备时问，硬盘和内存到底有什么差别？我硬盘容量明明有1TB，但PC还是跑得很慢哎？

硬盘和内存的差异，在于把电源关掉后、空间中储存的数据还会不会留着。就算关掉电源，硬盘的数据也不会消失。

但我们要运算数据时，如果CPU要直接从硬盘里面抓数据，时间会太久。所以”内存”会作为中间桥梁，先到硬盘里面复制一份进来、再让CPU直接到内存中拿数据做运算。这样会比直接去硬盘抓数据，快约数百万倍。

打开任务管理器，就可以看到现在执行中程序占掉的内存空间，很多人就在骂Chrome耗费的运算资源很高，内存使用率高于其他浏览器，多开几个分页内存就被吃完了。

所以简单来说，计算机在运作就像是办公一样，喝饮料、看书本、听音响…想一次使用越多东西、桌面（内存）就要越大。但其他一时间没有要用到的东西，都会放在抽屉（硬盘）里面。所以硬盘就算再大，你一次想执行很多任务，还是得要看内存大小。

内存的处理速度比硬盘更快，但断电之后数据会消失，且价格也比硬盘贵。

当然存储器的层次结构里面还有更多细节。参见后文。

简单来说，CPU里面也有一个储存空间，叫做Register。要运算时、CPU会从内存中把数据载入Register、再让Register中存的数字做运算，运算完再将结果存回内存中。毕竟CPU和内存终究还是两片不同的芯片，没有在同一片芯片里直接抓数据快。

还有一个概念是Cache，这是CPU和内存之间的中间桥梁。

速度来讲，就是：CPU里面的Register>Cache>内存>硬盘。越上层（越靠近CPU），速度就越快、价格越高、容量越低。

存储器的分类

电的存储器是指电写电读的存储器，主要分为两大类，如图一所示：

易失性存储器（VolatileMemory，VM）：电源开启时资料存在，电源关闭则资料立刻流失（资料挥发掉），例如：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM等。

非易失性存储器（Non-VolatileMemory，NVM）：电源开启时资料存在，电源关闭资料仍然可以保留，例如：ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FlashROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM等。

▲图一：存储器的分类。

存储器的单元

存储器的“单元”（Cell）是指用来存取资料的最小结构，如果含有一个晶体管（Transistor）与一个电容（Capacitor）则称为“1T1C”；如果含有一个晶体管（Transistor）与一个电阻（Resistor）则称为“1T1R”；如果含有一个二极体（Diode）与一个电阻（Resistor）则称为“1D1R”。

存储器的每个“单元”不一定只能储存1个位的资料，由于我们对存储器容量的要求越来越高，每个“单元”能储存的资料越来越多，依照每个“单元”能储存的资料位数又分为：单层单元（Single-LevelCell，SLC）、多层单元（Multi-LevelCell，MLC）、三层单元（Triple-LevelCell，TLC）、四层单元（Quad-LevelCell，QLC）等。

存储器层次结构（Memoryhierarchy）

要了解电子产品的各种存储器配置，就必须先介绍“存储器层次结构”（Memoryhierarchy）观念。存储器层次结构是指如何将储存容量不同、运算速度不同、单位价格不同的多种存储器妥善分配，才能达到最大的经济效益，使产品的运算速度合理、储存容量合理、产品价格合理。

图二为存储器阶层示意图，由上而下依序为暂存器、快取存储器、主存储器、辅助存储器：

暂存器（Register，也译为寄存器）：在处理器内，用来设定处理器的功能，主要是“暂时储存”设定值的地方。

快取存储器（Cachememory，翻译版本有缓存，快取缓存区，快取存储器；翻译为快取。）：在处理器内，执行程序时“暂时储存”程序与资料的地方，通常以SRAM制作。

主存储器（Mainmemory）：在处理器外，“暂时储存”程序与资料的地方，通常以DRAM制作，目前已经改良成SDRAM或DDR。

辅助存储器（Assistantmemory）：在处理器外，“永久储存”程序与资料的地方，包括：快闪存储器、磁盘机、光盘机、磁带机等。

不同种类的存储器分别有不同的储存容量、工作速度、单位价格：

储存容量：辅助存储器（GB）>主存储器（MB）>快取存储器（KB）>暂存器（B）。

工作速度：辅助存储器（1ms）<主存储器（10ns）<快取存储器（1ns）<暂存器（1ns）。

单位价格：辅助存储器<主存储器<快取存储器<暂存器。

▲图二：存储器阶层示意图。

存储器的应用

所有的电子产品都必须用到存储器，而且通常用到不只一种存储器，由于存储器的种类繁多，常常让使用者混淆，我们简单说明不同存储器之间的差异，图三为手机主要芯片的系统方块图（Systemblockdiagram），包括：应用处理器（Applicationprocessor）、基带处理器（Basebandprocessor）、运动（MotionController）。

应用处理器主要是执行操作系统（OperatingSystem，OS）与应用程序（Applicationprogram，App），暂存器与快取存储器目前都是内建在处理器内，其中暂存器用来设定处理器的功能，用来设定暂存器数值的程序，也就是用来趋动硬件的软件程序又称为“固件”（Firmware）；快取存储器是在执行程序时用来“暂时储存”程序与资料的地方，由于在处理器内离运算单元比较近，可以缩短程序与资料来回的时间，加快程序的执行速度因此称为“Cache”。

由于快取存储器成本较高因此容量不大，如果执行程序时放不下，则可以退一步放在主存储器内，可是目前主存储器所使用的SDRAM或DDR，属于易失性存储器，电源关闭则资料立刻流失，因此关机后资料必须储存在非易失性的辅助存储器内，早期辅助存储器使用磁盘机、光盘机、磁带机等，由于半导体制程的进步，目前大多使用快闪存储器（FlashROM），或所谓的固态硬盘（SolidStateDisk，SSD），固态硬盘其实也是使快闪存储器制作。

由于快取存储器（SRAM）与主存储器（SDRAM、DDR）是执行程序用来“暂时储存”程序与资料的地方，与处理器内的运算单位直接使用汇流排（Bus）连接，一般都是用“位”（bit）来计算容量；而辅助存储器是“永久储存”程序与资料的地方，由于一个位组（Byte）可以储存一个半型字，因此一般都是用“位组”（Byte）来计算容量。

▲图三：手机主要芯片的系统方块图（Systemblockdiagram）。

静态随机存取存储器（SRAM：StaticRAM）

以6个晶体管（MOS）来储存1个位（1bit）的资料，而且使用时“不需要”周期性地补充电源来保持记忆的内容，故称为“静态”（Static）。

SRAM的构造较复杂（6个晶体管储存1个位的资料），不使用电容所以存取速度较快，但是成本也较高，因此一般都制作成对容量要求较低但是对速度要求较高的存储器，例如：中央处理器（CPU）内建256KB、512KB、1MB的“快取存储器”（Cachememory），一般都是使用SRAM。

动态随机存取存储器（DRAM：DynamicRAM）

以一个晶体管（MOS）加上一个电容（Capacitor）来储存一个位（1bit）的资料，而且使用时“需要”周期性地补充电源来保持记忆的内容，故称为“动态”（Dynamic）。

DRAM构造较简单（一个晶体管加上一个电容），由于电容充电放电需要较长的时间造成存取速度较慢，但是成本也较低，因此一般制作成对容量要求较高但是对速度要求较低的存储器，例如：个人电脑主机板通常使用1GB以上的DDR-SDRAM就是属于一种DRAM。由于处理器的速度越来越快，传统DRAM的速度已经无法满足要求，因此目前都改良成SDRAM或DDR-SDRAM等两种型式来使用。

同步动态随机存取存储器（SDRAM：SynchronousDRAM）

中央处理器（CPU）与主机板上的主存储器（SDRAM）存取资料时的“工作时脉”（Clock）相同，故称为“同步”（Synchronous）。由于CPU在存取资料时不需要“等待”（Wait）因此效率较高，SDRAM的存取速度较DRAM快，所以早期电脑主机板上都是使用SDRAM来取代传统DRAM，不过目前也只有少数工业电脑仍然使用SDRAM。

可以记住一个简单的结论：SRAM比较快、DRAM比较慢；SRAM比较贵、DRAM比较便宜。

这是我们平常在计算机中使用的内存，更精确的说法应该叫”内存模块”（MemoryModule）。一个内存模块实际上就是由一块小电路板、再加上几块的DRAM芯片构成。图标中的内存模块上一共有8个DRAM芯片。让我们把一个DRAM芯片的内部结构剖开看看，会看到一个储存数组（MemorryArray）。

CPU会给这个储存数组”行地址”和”列地址”，就可以选出一个”储存单元”。常见的储存单元包含了4bit或8bit，每一个bit都会采用一个电路结构，我们称为DRAM的一个”基本储存单元”。

这个基本储存单元中包含了一个晶体管匹配一个电容。然后就可以视电容器是否有充电电荷存在、来判别目前的记忆状态。

“写入内存”的动作，就是由外部的数据线、对电容进行充电或放电，从而完成写入1或0的数字数据。

DRAM使用一个晶体管（MOS）与一个电容来储存一个位的资料（一个0或一个1），如图四（a）所示，当晶体管（MOS）不导通时没有电子流过，电容没有电荷，代表这一个位的资料是0，如图四（b）所示；当晶体管（MOS）导通时（在闸极施加正电压），电子会由源极流向汲极，电容有电荷，代表这一个位的资料是1，为了要将这些流过来的电荷“储存起来”，因此必须使用一个微小的电容，如图四（c）所示，DRAM就是因为电容需要时间充电，所以速度比SRAM还慢。

▲图四：动态随机存取存储器（DRAM）的结构与工作原理示意图。

由于电容会有漏电的现象，导致电位差不足而使记忆消失，因此除非电容经常周期性地充电，否则无法确保数据能长久保存起来。

由于每个DRAM基本储存单元的电路结构非常的简单，所以功耗低、价格也较低。这样一来用低成本就能制造出大储存容量的DRAM芯片。缺点就是读写的速度慢（电容要充电放电），影响了DRAM的性能。

SRAM的结构则较为复杂，一共有六个晶体管构成。我们能分别用M1、M2、M3到M6进行标记。这六个晶体管合起来才能保存一个bit。

SRAM芯片和DRAM芯片不太一样，不需要分成行地址和列地址分别选择，而且SRAM的设计相对来说又更加灵活，一个地址对应的储存单元数量可以是8bit、10bit，或32bit、40bit、64bit都行。

另外，晶体管的开关速度远比电容充电放电的速度还快，所以相对于DRAM、SRAM的读写速度比DRAM快很多。

然而SRAM中要储存一个bit就得用到六个晶体管。晶体管的数量一多、就会造成芯片的面积变大，从而带来集成电路难以变得更小、还有价格更贵的问题。

（SRAM的价格比起DRMA要高达1000倍以上。比如2010年世代––—SRAM的每单位储存价格是$60/MB，DRAM则是$0.06/MB。）

同时每个晶体管都要耗电，晶体管越多、功耗就越高。考虑到价格高和功耗大，目前只能在一些很严苛的地方来使用SRAM，比如上面提到的快取(Cache)。

故目前”主存储器”还是使用DRAM技术，但小块用来拉速度的”快取”就是采用SRAM。然而无论是DRAM还是SRAM，一不供应电源就会丧失储存的数据，所以都叫做挥发性内存。

铁电随机存取存储器FRAM

动态随机存取存储器（DRAM）是以一个晶体管加上一个电容来储存一个位（1bit）的资料，由于传统DRAM的电容都是使用“氧化矽”做为绝缘体，氧化矽的介电常数不够大（K值不够大），因此不容易吸引（储存）电子与电洞，造成必须不停地补充电子与电洞，所以称为“动态”，只要电脑的电源关闭，电容所储存的电子与电洞就会流失，DRAM所储存的资料也就会流失。

要解决这个问题，最简单的就是使用介电常数够大（K值够大）的材料来取代“氧化矽”为绝缘体，让电子与电洞可以储存在电容里不会流失。目前业界使用“钛锆酸铅”（PZT）或“钽铋酸锶”（SBT）这种介电常数很大（K值很大）的“铁电材料”（Ferroelectricmaterial）来取代氧化矽，则可以储存电子与电洞不会流失，让原本“易失性”的动态随机存取存储器（DRAM）变成“非易失性”的存储器称为“铁电随机存取存储器”（FerroelectricRAM，FRAM）。

NANDFlash又是什么呢？

继续讲讲非易失性的部分：

Flash（闪存）由于具备了重量轻、体积小、功率低等优点，被应用在各类电子产品的硬盘上。Flash又可以分成NOR型Flash和NAND型Flash。

NORFlash比NANDFlash更早导入市场。读取的速度较快，但写入的速度慢、价格也比NANDFlash贵。

目前用来储存操作系统的程序代码或重要数据，比如拿来做ROM。像是生产NORFlash的台厂旺宏就是因为打入任天堂Switch主机的ROM供应链，今年营收上看攀升。

NANDFlash写入的速度快、价格较低，故目前以NANDFlash最为普遍。现在的USB硬盘和手机储存空间，就是用NANDFlash为主流技术。

另外，固态硬盘（SolidStateDrive,SSD）也是以NAND型Flash为基础所建构的储存装置。SSD不像传统硬盘（HDD）中有马达、读写臂等零件。速度慢、功耗高，对震动又相当敏感，很难用在小型行动装置中。

SSD在读写数据时不会有噪音，耐震、传输速度快、重量又能缩减到HDD十分之一以上，现在已经成为个人计算机和笔记本电脑的主流储存设备。