存储器基础扫盲

今天和大家浅谈一下存储器相关基础知识，如图1所示我做的一个脑图分类，我们按照这个分类逐一讲解。

图1 存储器分类示意图

01

磁性存储器

（1）机械硬盘通常都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几部份组成。

盘片：一般由铝合金或玻璃材料制成，上下盘面都涂有磁性材料。

磁头：一般由铁磁性材料制成，上面绕有读写线圈，用来实现“电←→磁”转换的重要装置。

磁道：磁盘在格式化时被划分成许多同心圆。这些同心圆不是连续的，而是由一组扇区组成。

扇区：通常是512Byte数据和一些扇区标识信息组成。

柱面：所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，为了提高硬盘的读写效率，数据的读/写按柱面进行，一个柱面写满后，才移到下一个扇区开始写数据。

图2 机械硬盘主要组成

（2）存储原理：通过电磁变换，利用磁头写线圈中的正负脉冲电流，将磁头下方区域磁化为不同方向，以此代表0和1；反之，通过磁电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。

图3 机械硬盘存储原理

02

半导体存储器--ROM

（1）ROM（Read Only Memory，只读存储器）：不可擦除，数据由工厂写入，一次写入机会。

（2）PROM（Programmable ROM，可编程ROM）：不可擦除，用户可以用专用的编程器将自己的资料写入，但也只有一次写入的机会。

（3）EPROM（Erasable Programmable ROM）：紫外线可擦除，用户可以重复操作，但需要用到专用的擦除器和编程器。

（4）EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）：电可擦除，彻底摆脱了EPROM Eraser和编程器的束缚，只需用厂商提供的专用刷新程序用户就能轻松修改内容。EEPROM如今依然被大量使用，很多芯片、模组的固件信息依然存放在EEPROM中。

（5）Flash又称闪存，本质上也属于EEPROM的一种。但Flash和一般EEPROM区别在于Flash以扇区（block）为单位进行操作，而一般的EEPROM则以字节为单位进行操作。Flash的电路结构简单，成本也更低。

a、浮栅（ FG ，Floating Gate）存储原理：

Flash 每个存储单元类似一个标准 MOSFET，但有两个栅极，顶部的是控制栅(Control Gate, CG)和夹在两层二氧化硅绝缘层之间的浮置栅极(Floating Gate, FG)。由于 FG 在电气上是绝缘独立的, 所以进入的电子会被困在里面，在一般的条件下电荷经过多年都不会逸散，这也是Flash掉电后数据不会丢失的原理。

图4 浮栅存储原理

b、数据写入 ：

向数据单元写入数据的过程实际就是向浮栅中注入电子的过程。NOR型 Flash通过热电子注入的方式（Channel Hot Electron injection，CHE）给浮栅充电，NAND型Flash通过F-N隧道效应（Fowler Nordheim tunneling）给浮栅充电。

----热电子注入：

当在漏和栅极上同时加高电压，沟道中的电子在 Vd 建立的横向电场加速下获得很高的能量。这些热电子在PN结附近碰撞电离，产生高能电子，在栅极电场的吸引下，跃过 3.2eV 的氧化层电子势垒，形成热电子注入。

图5 热电子注入示意图

----F-N隧道效应：

当在栅极和衬底之间加一个电压时，在氧化层中会建立一个电场。一般情况下．由于SO2 和 Si 界面的电子势垒很高(3.2eV)，电子很难越过势垒注入到多晶硅栅中。当氧化层中电场达到 10MV／cm，且氧化层厚度较小(0.01 微米以下)时，电子将发生直接隧穿效应，穿过氧化层中势垒注入到浮栅中。

图6 F-N隧道效应示意图

沟道热电子注入模式工作电压较低，外围高压工艺的要求也较低，但它的编程电流很大，有较大的功耗。隧穿模式的功耗小，但要求有更高的编程电压，外围工艺和升压电路也就较为复杂。

c、数据读取：

读出操作时，控制栅极上施加的电压很小，不会改变浮栅中的电荷量，即读出操作不会改变FLASH中原有的数据，也即浮栅有电荷时，D和S间存在导电沟道，从D极读到‘0’；当浮栅中没有电荷时，D和S间没有导电沟道，从D极读到‘1’。

d、数据擦除：

由于空穴的有效质量和氧化层界面势垒均比电子要大，所以CHE 方式不能用于 FG 中电子的擦除。因此NAND和NOR Flash中都采用F-N隧道效应将浮栅中的电荷挪走。即在衬底和栅极之间加一个正向电压。

图7 数据擦除示意图

e、Tips：

----为什么存储器都有写入擦除次数限制？

每次写入和擦除操作都是电子进出二氧化硅绝缘层的过程，长此以往会造成绝缘层的老化，浮栅就无法很好地锁存住电子，进而造成数据丢失。通常SLC有十万次以上的可擦写次数，MLC有几千到上万次不等,TLC只有几百次。

----为什么存储器不允许带数据状态下进行高温操作，比如焊接？

高温会使浮栅中的电子做热运动，产生较大的能量，从而造成电子在无外加电场的情况下发生隧穿效应，造成数据丢失。严重情况下会损伤绝缘层，造成硬件坏块（bad block）。

图8 电子在浮栅中运动示意图

（6）NOR Flash的结构特性：

NOR Flash每个bit line的基本存储单元是并联的，因此它有如下主要特征：

a、并联结构决定了金属导线占用较大面积，因此NOR Flash存储密度较低，不适用于data-storage。

b、并联结构决定了NOR Flash的存储单元可独立寻址，读取效率高，因此适用于code-storage，程序是可以直接在NOR Flash中运行的。

c、NOR Flash 采用CHE的方式写入，因此擦/写速度较慢，功耗较大。

图9 NOR Flash结构示意图

（7）NAND Flash的结构特性：

NAND Flash每个bit line的基本存储单元是串联的，因此它有如下主要特征：

a、串联结构减少了金属导线占用面积，因此存储密度较高，适用于大容量存储场合。

b、串联结构决定了NAND FLASH无法进行位读取，也就无法实现存储单元的独立寻址。此程序不可以直接在NAND 中运行,因此NAND是以Page为读取单位和写入单位，以Block为擦除单位。

c、NAND FLASH写入采用F-N隧道效应方式，因此NAND擦除/写入速率很高，适用于频繁擦除/写入场合。同时NAND是以Page为单位进行读取的，因此读取速率也不算低（稍低于NOR）。

图10 NAND Flash结构示意图

（8）2D&3D NAND：

2D NAND 真实的含义其实就是一种颗粒在单 die 内部的排列方式，是按照传统二维平面模式进行排列闪存颗粒的。相对应的，3D NAND 则是在二维平面基础上，在垂直方向也进行了扩展。在同样体积大小的情况下，极大地提升了闪存颗粒单 die 的容量体积。

图11 3D NAND结构示意图

03

半导体存储器--RAM

RAM（Random Access Memory，随机存取存储器），是与CPU直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入或读取信息。它与ROM的最大区别是数据的易失性，即一旦断电所存储的数据将随之丢失。

RAM在计算机和数字系统中用来暂时存储程序、数据和中间结果。

当前主流的RAM主要分为SRAM、DRAM和SDRAM三种。

图12 内存条示意图

（1）SRAM（Static Random Access Memory，静态随机存储器），它是一种具有静止存取功能的内存，可以做到不刷新电路即能保存它内部存储的数据。其优点是速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。缺点是集成度低，功耗较大，相同的容量体积较大，而且价格较高，少量用于关键性系统以提高效率，如SOC的cache。

如下图为一个6管结构的1bit基本存储单元。M1~M4构成两个交叉耦合的反相器，M5~M5存储基本单元到用于读写的位线的控制开关，整体等价于一个锁存器。

图13 SRAM结构示意图

（2）DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存储器）是最为常见的系统内存。DRAM使用电容存储数据，由于电容的持续放电，DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，所以必须隔一段时间动态刷新一次。其优点是接成都高，价格便宜，只是速度次于SRAM。我们使用的电脑和手机的运行内存几乎都是DRAM。

如下图为DRAM的一个1bit基本存储单元。通过行列地址线控制MOS的通断实现对存储数据的刷新和读写。

图14 DRAM结构示意图

（3）SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存取存储器），为DRAM的一种，同步是指Memory工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据的传输都以时钟为基准；

DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM），为双信道同步动态随机存取内存，是新一代的SDRAM技术。目前已经发展至DDR5。

图15 SDRAM内部框图

04

新型存储器

（1）STT MRAM（自旋转移力矩 磁性随机存取存储器）结构示意图如下，每个 bit 单元都包含一个晶体管外加一条垂直排列的隧道交叉点。该隧道交叉点包含两个磁体，其一的北极永远指向上，其二则为自由磁体、其北极可在向上与向下间切换以代表存储 0 或者 1。

MRAM STT 的访问时间在 纳秒级别且写入功耗极低（只有7.5uA），速度表现远超过闪存甚至接近 DRAM。STT MRAM 的关键性优势在于结合了非易失性与无限使用寿命，数据驻留时间可达10~20年。

MRAM最大的缺点是存储单元之间存在干扰，当对目标位进行编程时，非目标位中的自由层很容易被误编程，尤其是在高密度情况下，相邻单元间的磁场的交叠会愈加严重。

图16 MRAM结构示意图

（2）RRAM（阻变式随机存取存储器）结构示意图如下，典型的RRAM由两个金属电极夹一个薄介电层组成，介电层作为离子传输和存储介质。电压引起存储介质离子运动和局部结构变化，进而造成电阻变化，并利用这种电阻差异来存储数据。

RRAM擦写速度快，可以达到100ns以内。因其读写读写方式和NAND方式不同，其使用寿命大大提高。部分RRAM材料还具备多种电阻状态，使得当个存储单元存储多位数据成为可能，从而提高存储密度。

RRAM的相邻单元串扰和器件微缩能力难以兼顾。

图17 RRAM结构示意图

END

本期《存储器基础扫盲》就讲解到这，欢迎评论区留言哦