上週，我給大家仔細介紹了HDD硬碟、軟盤和光碟的發展史（連結）。
大家應該都注意到了，在我們的日常生活中，其實遠遠不止上面三種儲存介質。
我們經常使用的隨身碟、TF卡、SD卡，還有電腦上使用的DDR記憶體、SSD硬碟，都屬於另外一種儲存技術。
這種技術，我們稱之為「半導體儲存」。
今天，小棗君就重點給大家講講這方面的知識。
█半導體儲存的分類
現代儲存技術，概括來看，就分為三大部分，分別是磁性儲存、光學儲存以及半導體儲存。
半導體儲存器，簡而言之，就是以「半導體積體電路」作為儲存媒介的儲存器。
大家如果拆開自己的隨身碟或SSD硬碟，就會發現裡面都是PCB電路板，以及各自各樣的晶片及元器件。其中有一類晶片，就是專門儲存資料的，有時候也稱「儲存晶片」。
SSD硬碟的構造
相比傳統磁碟（例如HDD硬碟），半導體儲存器的重量更輕，體積更小，讀寫速度更快。當然了，價格也更貴。
這些年，整個社會對晶片半導體行業的關注度很高。但是，大家主要關注的其實是CPU、GPU、手機SoC等計算類晶片。
殊不知，半導體儲存器也是整個半導體產業的核心支柱之一。2021年，全球半導體儲存器的市場規模為1538億美元，佔整個積體電路市場規模的33%，也就是三分之一。
2022年全球半導體主要品類佔比情況
儲存器有所下降，但仍有26%
半導體儲存器也是一個大類，它還可以進一步劃分，主要分為：易失性（VM）儲存器與非易失性（NVM）儲存器。
顧名思義，電路斷電後，易失性儲存器無法保留資料，非易失性儲存器可以保留資料。
這個其實比較好理解。學過計算機基礎知識的童鞋應該還記得，儲存分為記憶體和外存。
記憶體以前也叫運行記憶體（運存），計算機通電後，配合CPU等進行工作。斷電後，資料就沒有了，屬於易失性（VM）儲存器。
而外存呢，也就是硬碟，存放了大量的資料檔案。當計算機關機後，只要你執行了保存（寫入）操作，資料就會繼續存在，屬於非易失性（NVM）儲存器。
請大家注意：現在很多資料也將半導體儲存器分為隨機存取儲存器（RAM）和只讀儲存器（ROM），大家應該很耳熟吧？
ROM只讀儲存器：很好理解，可以讀取，不可以寫入。
RAM隨機存取儲存器：指的是它可以「隨機地從儲存器的任意儲存單元讀取或寫入資料」，這是相對傳統磁儲存必須「順序存取（Sequential Access）」而言的。
有些人認為，易失性儲存器就是RAM，非易失性儲存器就是ROM。其實，這是不嚴謹的，原因待會會講。
█易失性儲存器（VM）
在過去幾十年內，易失性儲存器沒有特別大的變化，主要分為DRAM（動態隨機存取儲存器，Dynamic RAM）和SRAM（靜態隨機存取儲存器，Static RAM）。
DRAM
DRAM由許多重複的位元格（Bit Cell）組成，每一個基本單元由一個電容和一個電晶體構成（又稱1T1C結構）。電容中儲存電荷量的多寡，用於表示「0」和「1」。而電晶體，則用來控制電容的充放電。
圖片來源：Lam Research
由於電容會存在漏電現象。所以，必須在資料改變或斷電前，進行週期性「動態」充電，保持電勢。否則，就會丟失資料。
因此，DRAM才被稱為「動態」隨機儲存器。
DRAM一直是計算機、手機記憶體的主流方案。計算機的記憶體條（DDR）、顯示卡的視訊記憶體（GDDR）、手機的運行記憶體（LPDDR），都是DRAM的一種。（DDR基本是指DDR SDRAM，雙倍速率同步動態隨機儲存器。）
值得一提的是，視訊記憶體這邊，除了GDDR之外，還有一種新型視訊記憶體，叫做HBM（High Bandwidth Memory）。它是將很多DDR晶片堆疊後，與GPU封裝在一起構成的（外觀上看不到視訊記憶體顆粒了）。
SRAM
SRAM大家可能比較陌生。其實，它就是我們CPU快取所使用的技術。
SRAM的架構，比DRAM複雜很多。
SRAM的基本單元，則最少由6管電晶體組成：4個場效電晶體（M1, M2, M3, M4）構成兩個交叉耦合的反相器，2個場效電晶體（M5, M6）用於讀寫的位線（Bit Line）的控制開關，通過這些場效電晶體構成一個鎖存器（觸發器），並在通電時鎖住二進位制數0和1。
因此，SRAM被稱為「靜態隨機儲存器」。
SRAM儲存單元
SRAM不需要定期刷新，響應速度快，但功耗大、集成度低、價格昂貴。
所以，它主要用於CPU的主快取以及輔助快取。此外，還會用在FPGA內。它的市場佔比一直都比較低，存在感比較弱。
█非易失性儲存器（NVM）
接下來，再看看非易失性儲存器產品。
非易失性儲存器產品的技術路線，就比較多了。最早期的，就是前面所說的ROM。
最老式的ROM，那是「真正」的ROM——完全只讀，出廠的時候，儲存內容就已經寫死了，無法做任何修改。
這種ROM，靈活性很差，萬一有內容寫錯了，也沒辦法糾正，只能廢棄。
掩模型只讀儲存器（MASK ROM），就是上面這種ROM的代表。說白了，就是直接用掩膜工藝，把資訊「刻」進儲存器裡面，讓使用者無法更改，適合早期的批量生產。
後來，專家們發明了PROM（Programmable ROM，可程式設計ROM）。這種ROM一般只可以程式設計一次。出廠時，所有儲存單元皆為1。通過專用的設備，以電流或光照（紫外線）的方式，熔斷熔絲，可以達到改寫資料的效果。
PROM的靈活性，比ROM更高一些，但還是不夠。最好是能夠對資料進行修改，於是，就有專家發明了EPROM（Erasable Programmable，可擦除可程式設計ROM）。
擦除的方式，可以是光，也可以是電。電更方便一點，採用電進行擦除的，就叫做EEPROM（電可擦除可程式設計EEPROM）。
EEPROM是以Byte為最小修改單位的。也就是說，可以往每個bit中寫0或者1，就是按「bit」讀寫，不必將內容全部擦除後再寫。它的擦除操作，也是以「bit」為單位，速度還是太慢了。
上世紀80年代，日本東芝的技術專家——舛岡富士雄，發明了一種全新的、能夠快速進行擦除操作的儲存器，也就是——Flash（快閃記憶體）。
舛岡富士雄
Flash在英文裡，就是「快速地」的意思。
限於篇幅，FLASH的具體原理我們下次再專門介紹。我們只需要知道，Flash儲存是以「塊」為單位進行擦除的。
常見的塊大小為128KB和256KB。1KB是1024個bit，比起EEPROM按bit擦除，快了幾個數量級。
目前，FLASH的主流代表產品也只有兩個，即：NOR Flash和NAND Flash。
NOR Flash
NOR Flash屬於程式碼型快閃記憶體晶片，其主要特點是晶片內執行（XIP，Execute In Place），即應用程序不必再把程式碼讀到系統RAM中，而是可以直接在Flash快閃記憶體內運行。
所以，NOR Flash適合用來儲存程式碼及部分資料，可靠性高、讀取速度快，在中低容量應用時具備性能和成本上的優勢。
但是，NOR Flash的寫入和擦除速度很慢，而且體積是NAND Flash的兩倍，所以用途受到了很多限制，市場佔比比較低。
早期的時候，NOR Flash還會用在高端手機上，但是後來，智慧機開始引入eMMC後，連這塊市場也被排擠了。
近年來，NOR Flash的應用有所回升，市場回暖。低功耗藍牙模組、TWS耳機、手機觸控和指紋、可穿戴設備、汽車電子和工業控制等領域，使用NOR Flash比較多。
NAND Flash
相比之下，NAND Flash的市場佔比就大了很多。
NAND Flash屬於資料型快閃記憶體晶片，可以實現大容量儲存。
它以頁為單位讀寫資料，以塊為單位擦除資料，故其寫入和擦除速度雖比DRAM大約慢3-4個數量級，卻也比傳統的機械硬碟快3個數量級，被廣泛用於eMMC/EMCP、隨身碟、SSD等市場。
前面提到了eMMC。前幾年，這個詞還是挺火的。
eMMC
eMMC即嵌入式多媒體卡（embedded Multi Media Card），它把MMC（多媒體卡）接口、NAND及主控制器都封裝在一個小型的BGA晶片中，主要是為了解決NAND品牌差異兼容性等問題，方便廠商快速簡化地推出新產品。
而eMCP，是把eMMC與LPDDR封裝為一體，進一步減小模組體積，簡化電路連接設計。
2011年，UFS（Universal Flash Storage，通用快閃記憶體儲存）1.0標準誕生。後來，UFS逐漸取代了eMMC，成為智慧手機的主流儲存方案。當然了，UFS也是基於NAND FLASH的。
這些年主流手機的標配
SSD，大家應該很熟悉了。它基本上都是採用NAND晶片的，目前發展非常迅猛。
SSD內部構造
根據內部電子單元密度的差異，NAND又可以分為SLC（單層儲存單元）、MLC（雙層儲存單元）、TLC(三層儲存單元、QLC（四層儲存單元），依次代表每個儲存單元儲存的資料分別為1位、2位、3位、4位。
由SLC到QLC，儲存密度逐步提升，單位比特成本也會隨之降低。但相對的，性能、功耗、可靠性與P/E循環（擦寫循環次數，即壽命）會下降。
這幾年，DIY裝機圈圍繞SLC/MLC/TLC/QLC的爭議比較大。一開始，網友們覺得SSD硬碟的壽命會縮水。後來發現，好像縮水也沒那麼嚴重，壽命仍然夠用。所以，也就慢慢接受了。
早期的NAND，都是2D NAND。工藝製程進入16nm後，2D NAND的成本急劇上升，平面微縮工藝的難度和成本難以承受。於是，3D NAND出現了。
圖片來源：electronics-lab
簡單來說，就是從平房到樓房，利用立體堆疊，提升儲存器容量，減小2D NAND的工藝壓力。
2012 年，三星推出了第一代3D NAND快閃記憶體晶片。後來，3D NAND技術不斷發展，堆疊層數不斷提升，容量也越來越大。
█新型儲存器（非易失性）
2021年，美國IBM提出「儲存級記憶體〞（SCM, Storage-Class Memory）的概念。IBM認為，SCM能夠取代傳統硬碟，並對DRAM起到補充作用。
SCM的背後，其實是行業對新型儲存器（介質）的探索。
按行業的共識，新型儲存器可以結合了DRAM記憶體的高速存取，以及NAND快閃記憶體在關閉電源之後保留資料的特性，打破記憶體和快閃記憶體的界限，使其合二為一，實現更低的功耗，更長的壽命，更快的速度。
目前，新型儲存器主要有這麼幾種：相變儲存器（PCM），阻變儲存器（ReRAM/RRAM），鐵電儲存器（FeRAM/FRAM），磁性儲存器（MRAM，第二代為STT-RAM），碳奈米管儲存器。
限於篇幅（主要是我也沒看懂，太難了），今天就不逐一介紹了。等將來我研究清楚後，再寫專題文章。
█結語
彙總一下，小棗君畫了一個完整的半導體儲存分類圖：
上面這個圖裡，儲存器類型很多。但我前面也說了，大家重點看DRAM、NAND Flash和NOR Flash就可以了。因為，在現在的市場上，這三種儲存器佔了96%以上的市場份額。
其實，所有的儲存器，都會基於自己的特性，在市場中找到自己的位置，發揮自己的價值。
一般來說，性能越強的儲存器，價格就越貴，會越離計算晶片（CPU/GPU等）越近。性能弱的儲存器，可以承擔一些對儲存時延要求低，寫入速度不敏感的需求，降低成本。
計算機系統中的典型儲存器層次結構
圖片來源：果殼硬科技
半導體儲存技術演進的過程，其實一直都受益於摩爾定律，在不斷提升性能的同時，降低成本。今後，隨著摩爾定律逐漸失效，半導體儲存技術將會走向何方，新型儲存介質能夠崛起？讓我們拭目以待。
下一期文章，小棗君將站在歷史的角度，詳細介紹一下半導體儲存的技術演進歷程，以及行業格局的風雨變幻。
歡迎大家繼續關注！謝謝！
參考文獻：
1、《資料存力白皮書》，華為、羅蘭貝格；
2、《中國存力白皮書》，2022算力大會；
3、《計算機儲存歷史》，中國儲存網
4、《硬碟發展簡史》，SunnyZhang的I世界；
5、《儲存技術發展歷程》，謝長生；
6、《儲存介質發展史》，B站，陰冷未遂；
7、《下一代資料儲存技術研究報告》，信通院；
8、《儲存晶片行業研究報告》，國信證券；
9、《國產儲存等待一場革命》，付斌，果殼；
10、《關於半導體儲存，沒有比這篇更全的了》，芯師爺
11、《科技簡章035-半導體儲存之快閃記憶體》，悟彌津，知乎
12、維基百科相關詞條。
