电脑手机都用它：一文读懂DRAM、SRAM和Flash原理

DRAM、SRAM和Flash都属于存储器，DRAM通常被称为内存，也有些朋友会把手机中的Flash闪存误会成内存。SRAM的存在感相对较弱，但他却是CPU性能发挥的关键。DRAM、SRAM和Flash有何区别，它们是怎样工作的？

DRAM：动态随机存取存储器

DRAM的全称是Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器。"随机存取"意味着CPU可以存取其中的的任意位置，而不像硬盘那样每次存取要以扇区为单位进行。

而"动态"是因为DRAM的工作采用电容原理，为了防止漏电引发数据错误，需要定时重复刷新。当电源中断后DRAM中的数据就会全部丢失，所以它属于"易失型"存储器。

SRAM：静态随机存取存储器

SRAM的存在感比较弱，因为多数时候它并不是像DRAM那样以内存条的形式直接展现在大家面前。CPU中集成的高速缓存就属于SRAM（Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器）。在一些无DRAM缓存设计的固态硬盘（如东芝TR200）中，主控内会集成小容量的SRAM缓存。

SRAM存储单元是由6个晶体管制成的简单锁存器，无需刷新和回写就能保留数据，速度比DRAM更快。但由于集成度低，SRAM容量比DRAM小，成本比DRAM高，所以在大多数地方只能以较小的容量作为高速缓存使用。断电后SRAM中的数据也会丢失，同样属于"易失性"存储器。

Flash：闪存存储器

铠侠（原东芝存储）在上世纪80年代发明NAND型闪存。闪存可以在断电后持续保存数据，但是它无法随机存取，最小读写单元是Page页（早期为4KB，当前多为16KB），最小擦除单位是Block块（当前为16MB左右）。

闪存使用特殊的"浮栅层"（Floating Gate）来存储数据，氧化物层（Oxide Layer）的存在可防止浮栅层中电子流失，这是它能够在断电后继续保存数据的原因。

Flash闪存的1个存储单元存储多位数据，这是DRAM和SRAM都做不到的。根据浮栅层中电子的多少，每个存储单元可以表达1比特（SLC）、2比特（MLC）、3比特（TLC）或4比特（QLC）数据。

闪存的写入和擦除基于量子隧道效应，每个单元可以存储的数据越多，对跃迁到浮栅层的电子数量控制越严苛，写入速度也越慢，所以TLC的闪存性能优于QLC。

当前的3D闪存在结构上跟传统闪存又有所不同。3D闪存的单元排列从水平变更为立体的同时，闪存单元的结构也变为类似于圆柱形，Floating Gate浮栅也被Charge Trap电荷捕获结构代替。

新一代固态硬盘上已经用上96层堆叠技术的3D闪存，而下一代100+层堆叠的闪存也已完成研发并将很快进入量产阶段，在容量、性能和成本上取得新的进步。

总结：DRAM是内存（动态刷新，断电丢数据），SRAM是高速缓存（无需刷新，断电丢数据），Flash（无需刷新，断电不丢数据）通常作为硬盘。从容量上看SRAM<DRAM<Flash，从性能上看则正好反过来。DRAM和SRAM断电后数据会丢失，写入Flash闪存的数据则可以在断电后持续保留。

闪存性能和耐久度不堪入目？别慌，新一代超高性能闪存来了

在闪存容量越来越大的同时，性能成为成本妥协的牺牲品。正如大家看到的历史，从SLC、MLC、TLC直到QLC和未来PLC，NAND闪存的性能、耐久度都会衰减。为了填补闪存和内存之间逐渐拉大的差距，高性能闪存的需求不断增长。

日本网站PC Watch近日整理了铠侠（原东芝存储）在今年2月18日于ISSCC国际固态电路峰会上的演讲内容，披露了大量关于铠侠XL-Flash超高速闪存芯片的信息。

XL-Flash是继英特尔3D XPoint、三星Z-NAND之后的又一个新型高速闪存技术。与3D XPoint所属的PCM技术相比，基于NAND的XL-Flash能随堆叠层数增长提供良好的成本收益。目前公布的信息显示，初代XL-Flash将使用96层堆叠技术，单die容量达到128Gb。

铠侠还将XL-Flash与三星的Z-NAND进行了对比。占据后发优势的XL-Flash在存储密度（Capacity）和写入延迟（tProg）上拥有明显优势，仅读取延迟（tR）比Z-NAND稍大一些。XL-Flash和Z-NAND都有比普通3D TLC闪存强出多倍的性能指标。

XL-Flash使用SLC（1bit/cell）结构，单个Page大小也从3D TLC闪存的16KB降低到4KB，使用16平面结构（8倍于BiCS4 3D TLC）。平面数量的增多缩短了闪存中字线和位线的长度，使闪存访问速度更快。

下图是96层堆叠的3D TLC闪存（左）和XL-Flash（右）对比，XL-Flash中外围电路与硅芯片的比例更大、更复杂。

从基础原理上来说，铠侠推出的XL-Flash并没有脱离它的前身东芝存储在1987年发明的NAND闪存。不过XL-Flash并不是简单的3D SLC闪存，由它制成的固态硬盘性能将明显优于当前固态硬盘的SLC缓存部分，特别是低队列深度下的随机读写IOPS（这部分也是傲腾SSD的魅力）。

XL-Flash将存储单元阵列划分成16个平面，从而令字线延迟时间减少到原有的1/20左右。此外，针对平面接地电位以及温度补偿电路的优化也对降低读取延迟带来帮助。最终的结果是XL-Flash的读取延迟仅有普通3D TLC闪存的5%。

为了提升写入性能，铠侠在XL-Flash中将编程准备时间（PP）缩短到过去的三分之一，并优化编程和验证的操作顺序，使得原本需要200至300μs的编程时间缩短到75μs。

普通消费者不一定关心技术的具体实现方法，但也有好消息带给大家，铠侠对XL-Flash超高性能闪存采取了较为开放的态度（而不是像傲腾和Z-SSD那样封闭），这意味着可以有众多的主控去支持它，从而产生更加丰富的终端产品。根据之前的消息，XL-Flash闪存将在今年内完成出样。

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