关于半导体存储的最强入门科普

上周，我给大家仔细介绍了HDD硬盘、软盘和光盘的发展史（链接）。

大家应该都注意到了，在我们的日常生活中，其实远远不止上面三种存储介质。

我们经常使用的U盘、TF卡、SD卡，还有电脑上使用的DDR内存、SSD硬盘，都属于另外一种存储技术。

这种技术，我们称之为“半导体存储” 。

今天，小枣君就重点给大家讲讲这方面的知识。

█ 半导体存储的分类

现代存储技术，概括来看，就分为三大部分，分别是磁性存储、光学存储以及半导体存储。

半导体存储器，简而言之，就是以“半导体集成电路” 作为存储媒介的存储器。

大家如果拆开自己的U盘或SSD硬盘，就会发现里面都是PCB电路板，以及各自各样的芯片及元器件。其中有一类芯片，就是专门存储数据的，有时候也称“存储芯片”。

SSD硬盘的构造

相比传统磁盘（例如HDD硬盘），半导体存储器的重量更轻，体积更小，读写速度更快。当然了，价格也更贵。

这些年，整个社会对芯片半导体行业的关注度很高。但是，大家主要关注的其实是CPU、GPU、手机SoC等计算类芯片。

殊不知，半导体存储器也是整个半导体产业的核心支柱之一。2021年，全球半导体存储器的市场规模为1538亿美元，占整个集成电路市场规模的33%，也就是三分之一。

2022年全球半导体主要品类占比情况 存储器有所下降，但仍有26%

半导体存储器也是一个大类，它还可以进一步划分，主要分为：易失性（VM）存储器 与非易失性（NVM）存储器 。

顾名思义，电路断电后，易失性存储器无法保留数据，非易失性存储器可以保留数据。

这个其实比较好理解。学过计算机基础知识的童鞋应该还记得，存储分为内存 和外存 。

计算机通电后，内存配合CPU等进行工作。断电后，内存数据就没有了，属于易失性（VM）存储器。

而外存呢，也就是硬盘，存放了大量的数据文件。当计算机关机后，只要你执行了保存（写入）操作，数据就会继续存在，属于非易失性（NVM）存储器。

请大家注意：现在很多资料也将半导体存储器分为随机存取存储器（RAM） 和只读存储器（ROM） ，大家应该很耳熟吧？

ROM只读存储器：很好理解，可以读取，不可以写入。

RAM随机存取存储器：指的是它可以“随机地从存储器的任意存储单元读取或写入数据”，这是相对传统磁存储必须“顺序存取（Sequential Access）”而言的。

有些人认为，易失性存储器就是RAM，非易失性存储器就是ROM。其实，这是不严谨的，原因待会会讲。

█ 易失性存储器（VM）

在过去几十年内，易失性存储器没有特别大的变化，主要分为DRAM（动态随机存取存储器，Dynamic RAM）和SRAM（静态随机存取存储器，Static RAM）。

DRAM

DRAM由许多重复的位元格（Bit Cell）组成，每一个基本单元由一个电容和一个晶体管构成（又称1T1C结构）。电容中存储电荷量的多寡，用于表示“0”和“1”。而晶体管，则用来控制电容的充放电。

图片来源：Lam Research

由于电容会存在漏电现象。所以，必须在数据改变或断电前，进行周期性“动态”充电，保持电势。否则，就会丢失数据。

因此，DRAM才被称为“动态”随机存储器。

DRAM一直是计算机、手机内存的主流方案。计算机的内存条（DDR）、显卡的显存（GDDR）、手机的运行内存（LPDDR），都是DRAM的一种。（DDR基本是指DDR SDRAM，双倍速率同步动态随机存储器。）

值得一提的是，显存这边，除了GDDR之外，还有一种新型显存，叫做HBM （High Bandwidth Memory）。它是将很多DDR芯片堆叠后，与GPU封装在一起构成的（外观上看不到显存颗粒了）。

SRAM

SRAM大家可能比较陌生。其实，它就是我们CPU缓存所使用的技术。

SRAM的架构，比DRAM复杂很多。

SRAM的基本单元，则最少由6管晶体管组成：4个场效应管（M1, M2, M3, M4）构成两个交叉耦合的反相器，2个场效应管（M5, M6）用于读写的位线（Bit Line）的控制开关，通过这些场效应管构成一个锁存器（触发器），并在通电时锁住二进制数0和1。

因此，SRAM被称为“静态随机存储器”。

SRAM存储单元

SRAM不需要定期刷新，响应速度快，但功耗大、集成度低、价格昂贵。

所以，它主要用于CPU的主缓存以及辅助缓存。此外，还会用在FPGA内。它的市场占比一直都比较低，存在感比较弱。

█ 非易失性存储器（NVM）

接下来，再看看非易失性存储器产品。

非易失性存储器产品的技术路线，就比较多了。最早期的，就是前面所说的ROM。

最老式的ROM，那是“真正”的ROM ——完全只读，出厂的时候，存储内容就已经写死了，无法做任何修改。

这种ROM，灵活性很差，万一有内容写错了，也没办法纠正，只能废弃。

掩模型只读存储器（MASK ROM），就是上面这种ROM的代表。说白了，就是直接用掩膜工艺，把信息“刻”进存储器里面，让用户无法更改，适合早期的批量生产。

后来，专家们发明了PROM （Programmable ROM，可编程ROM）。这种ROM一般只可以编程一次。出厂时，所有存储单元皆为1。通过专用的设备，以电流或光照（紫外线）的方式，熔断熔丝，可以达到改写数据的效果。

PROM的灵活性，比ROM更高一些，但还是不够。最好是能够对数据进行修改，于是，就有专家发明了EPROM （Erasable Programmable，可擦除可编程ROM）。

擦除的方式，可以是光，也可以是电。电更方便一点，采用电进行擦除的，就叫做EEPROM（电可擦除可编程EEPROM）。

EEPROM可以随机访问和修改任何一个字节，可以往每个bit中写0或者1，就是按“bit”读写，不必将内容全部擦除后再写。它的擦除操作，也是以“bit”为单位，速度还是太慢了。

上世纪80年代，日本东芝的技术专家——舛冈富士雄 ，发明了一种全新的、能够快速进行擦除操作的存储器，也就是——Flash（闪存）。

舛冈富士雄

Flash在英文里，就是“快速地”的意思。

限于篇幅，FLASH的具体原理我们下次再专门介绍。我们只需要知道，Flash存储是以“块”为单位进行擦除的。

常见的块大小为128KB和256KB。1KB是1024个bit，比起EEPROM按bit擦除，快了几个数量级。

目前，FLASH的主流代表产品也只有两个，即：NOR Flash 和NAND Flash 。

NOR Flash

NOR Flash属于代码型闪存芯片，其主要特点是芯片内执行（XIP，Execute In Place），即应用程序不必再把代码读到系统RAM中，而是可以直接在Flash闪存内运行。

所以，NOR Flash适合用来存储代码及部分数据，可靠性高、读取速度快，在中低容量应用时具备性能和成本上的优势。

但是，NOR Flash的写入和擦除速度很慢，而且体积是NAND Flash的两倍，所以用途受到了很多限制，市场占比比较低。

早期的时候，NOR Flash还会用在高端手机上，但是后来，智能机开始引入eMMC后，连这块市场也被排挤了。

近年来，NOR Flash的应用有所回升，市场回暖。低功耗蓝牙模块、TWS耳机、手机触控和指纹、可穿戴设备、汽车电子和工业控制等领域，使用NOR Flash比较多。

NAND Flash

相比之下，NAND Flash的市场占比就大了很多。

NAND Flash属于数据型闪存芯片，可以实现大容量存储。

它以页为单位读写数据，以块为单位擦除数据，故其写入和擦除速度虽比DRAM大约慢3-4个数量级，却也比传统的机械硬盘快3个数量级，被广泛用于eMMC/EMCP、U盘、SSD等市场。

前面提到了eMMC。前几年，这个词还是挺火的。

eMMC

eMMC即嵌入式多媒体卡（embedded Multi Media Card），它把MMC（多媒体卡）接口、NAND及主控制器都封装在一个小型的BGA芯片中，主要是为了解决NAND品牌差异兼容性等问题，方便厂商快速简化地推出新产品。

而eMCP，是把eMMC与LPDDR封装为一体，进一步减小模块体积，简化电路连接设计。

2011年，UFS（Universal Flash Storage，通用闪存存储）1.0标准诞生。后来，UFS逐渐取代了eMMC，成为智能手机的主流存储方案。当然了，UFS也是基于NAND FLASH的。

这些年主流手机的标配

SSD，大家应该很熟悉了。它基本上都是采用NAND芯片的，目前发展非常迅猛。

SSD内部构造

根据内部电子单元密度的差异，NAND又可以分为SLC（单层存储单元）、MLC（双层存储单元）、TLC(三层存储单元、QLC（四层存储单元），依次代表每个存储单元存储的数据分别为1位、2位、3位、4位。

由SLC到QLC，存储密度逐步提升，单位比特成本也会随之降低。但相对的，性能、功耗、可靠性与P/E循环（擦写循环次数，即寿命）会下降。

这几年，DIY装机圈围绕SLC/MLC/TLC/QLC的争议比较大。一开始，网友们觉得SSD硬盘的寿命会缩水。后来发现，好像缩水也没那么严重，寿命仍然够用。所以，也就慢慢接受了。

早期的NAND，都是2D NAND。工艺制程进入16nm后，2D NAND的成本急剧上升，平面微缩工艺的难度和成本难以承受。于是，3D NAND出现了。

图片来源：electronics-lab

简单来说，就是从平房到楼房，利用立体堆叠，提升存储器容量，减小2D NAND的工艺压力。

2012 年，三星推出了第一代3D NAND闪存芯片。后来，3D NAND技术不断发展，堆叠层数不断提升，容量也越来越大。

█ 新型存储器（非易失性）

2021年，美国IBM提出“存储级内存”（SCM, Storage-Class Memory）的概念。IBM认为，SCM能够取代传统硬盘，并对DRAM起到补充作用。

SCM的背后，其实是行业对新型存储器（介质） 的探索。

按行业的共识，新型存储器可以结合了DRAM内存的高速存取，以及NAND闪存在关闭电源之后保留数据的特性，打破内存和闪存的界限，使其合二为一，实现更低的功耗，更长的寿命，更快的速度。

目前，新型存储器主要有这么几种：相变存储器（PCM），阻变存储器（ReRAM/RRAM），铁电存储器（FeRAM/FRAM），磁性存储器（MRAM，第二代为STT-RAM），碳纳米管存储器。

限于篇幅（主要是我也没看懂，太难了），今天就不逐一介绍了。等将来我研究清楚后，再写专题文章。

█ 结语

汇总一下，小枣君画了一个完整的半导体存储分类图：

上面这个图里，存储器类型很多。但我前面也说了，大家重点看DRAM、NAND Flash和NOR Flash就可以了。因为，在现在的市场上，这三种存储器占了96%以上的市场份额。

其实，所有的存储器，都会基于自己的特性，在市场中找到自己的位置，发挥自己的价值。

一般来说，性能越强的存储器，价格就越贵，会越离计算芯片（CPU/GPU等）越近。性能弱的存储器，可以承担一些对存储时延要求低，写入速度不敏感的需求，降低成本。

计算机系统中的典型存储器层次结构 图片来源：果壳硬科技

半导体存储技术演进的过程，其实一直都受益于摩尔定律 ，在不断提升性能的同时，降低成本。今后，随着摩尔定律逐渐失效，半导体存储技术将会走向何方，新型存储介质能够崛起？让我们拭目以待。

下一期文章，小枣君将站在历史的角度，详细介绍一下半导体存储的技术演进历程，以及行业格局的风雨变幻。

欢迎大家继续关注！谢谢！

参考文献：

1、《数据存力白皮书》，华为、罗兰贝格；

2、《中国存力白皮书》，2022算力大会；

3、《计算机存储历史》，中国存储网

4、《硬盘发展简史》，SunnyZhang的I世界；

5、《存储技术发展历程》，谢长生；

6、《存储介质发展史》，B站，阴冷未遂；

7、《下一代数据存储技术研究报告》，信通院；

8、《存储芯片行业研究报告》，国信证券；

9、《国产存储等待一场革命》，付斌，果壳；

10、《关于半导体存储，没有比这篇更全的了》，芯师爷

11、《科技简章035-半导体存储之闪存》，悟弥津，知乎

12、维基百科相关词条。

一款SSD是否值得买？使出三板斧 一眼就看穿

SSD固态硬盘已经是如今装机或者购机的绝对标配，而伴随着SSD技术和产品的发展，如何挑选一块称心如意的SSD，也需要额外注意。

NAND闪存闪存技术不断成长，从单一Cell单元存储1bit(比特)的SLC，发展到单一Cell存储2bit的MLC，再到目前主流的单一Cell存储3bit的TLC，以及即将普及的单一Cell存储4bit的QLC，随着每一次技术革新，闪存的成本都呈指数倍下降，带给用户的是越来越便宜的产品。

而且不论是用于个人电脑的SSD固态硬盘，还是用在手机中的eMMC/UFS，今后数年容量会不断翻倍，而购买成本将会越来越低。

全球NAND闪存存储密度增长趋势（来源：中国闪存市场）

目前市场上的SSD品牌琳琅满目，让一般消费者无从下手。这里我们就通过一般用户能抓取到的数据，窥探一个SSD的质量好与坏，让普通用户也可以根据这些表面数据，来选择合适自己的SSD。

京东上SSD品类有8000多个商品可供选择

一、闪存颗粒数对SSD质量的影响

前文我们提过，NAND闪存技术从SLC发展到MLC再发展到TLC，目前主力提供商包括三星、海力士、东芝、美光、Intel和闪迪（被西部数据收购），并且以TLC为绝对主力(3D NAND)，还有少量的MLC。

每一家闪存供应商都有自己的战略布局，例如三星的闪存在性能上表现优越，成为高性能手机的主力者和首选（华为手机就曾因三星UFS供应问题而躺枪）。Intel的闪存在手机里面难觅其踪，因为大量搭配其CPU用在了服务器领域，以稳定性和容量著称，而非性能。

我们在当前市面上非原厂品牌SSD中看到的闪存，三星和海力士的用得最少，主流多以东芝/闪迪和Intel/美光为主。

任何一个SSD需要两部分协作方可稳定运行，即主控+闪存。主控对闪存类型支持的越多，就可以打造更丰富的产品，自然更有价值，这是基本的商业逻辑，但是当前市场上虽然很多主控厂声称支持所有原厂闪存，但实际上对韩系闪存的支持一般般。

比如说Intel 2016年推出的3D NAND，代号是L06B、B0KB，其中L06B是MLC颗粒，采用ONFI 4.0标准，每个Die容量为32GB，页面尺寸为16KB，使用4层设计，闪存寿命是3000 P/E(编程擦写循环)。

B0KB则是TLC颗粒，其实采用的是同一芯片，用户可以根据需求选择采用MLC模式和TLC模式，单个Die的容量达48GB，不过寿命只有1500 P/E，所以需要更高的LDPC ECC纠错标准。

Intel 3D NAND架构

将多个Die堆叠封装为闪存颗粒，MLC闪存容量就可选32GB到512GB(16层堆叠)，TLC闪存则可以从48GB到768GB。

通过多Die封装的方式，可以让单颗闪存颗粒容量越做越大，而这些颗粒用于SSD，就存在一个很基本的逻辑，即质量越高的Die，可封装的层数越多，容量越大；一个SSD采用的颗粒数越少，出问题的几率就越低。

所以，在挑选SSD的时候，颗粒越少同时容量越大，证明该SSD的质量越高。

近期从某拆解网站上看到的120GB SSD采用了8颗TSOP封装颗粒

入门级的120GB、240GB固态硬盘，若是两三年前TLC还未普及的时候，有可能会采用多颗颗粒的方式，但是在目前TLC已经成为主流的情况下，用户在选择的时候还需要先掂量掂量。

近期从某拆解网站上看到的640GB SSD采用单颗BGA封装颗粒

这颗应该就是前面谈到Intel TLC单颗能做到的最大容量768GB，一颗就能打造出640GB容量的SSD。

二、OP预留空间对质量的影响

OP预留空间，英文名称Over-Provisioning，是指SSD内部由主控芯片控制的、用户不可操作的隐藏空间，用于主控各种优化机制的操作，诸如GC垃圾回收、磨损均衡等。

通俗来讲，SSD预留的OP空间越多，越能提高GC回收、磨损均衡等的性能，从而提升和保持SSD持久高速，不会掉速，自然就会越稳定，返修率越低，寿命更长。

不同使用容量的OP占比（来源于Kingston官网）

在MLC时代，128/256/512GB SSD容量较为常见，，在迈入TLC时代之后，120G/240/480GB 更常见一些，Intel SSD在服务器市场上还出现了360/800GB，而美光针对消费类更是喜欢推出275/525GB这种奇葩容量。

可以推算出来，360GB SSD如果闪存原始容量为512GB，OP空间预留比例就高达42%。275GB SSD如果使用192GB+96GB（与Intel共厂生产的B0KB），则OP值为4.7％。

可以看到，原厂在制作SSD的时候，会根据不同市场设定不同的OP值来满足于市场。对于非原厂类的品牌，若是TLC产品，必然是OP值越大越好。

组装机电商用320G做主力硬盘降低返修率

可以观察到，国内较大规模的组装机电商经常用到320GB、160GB这种特殊容量，原因是这类产品有较大OP预留。如果是192GB开卡为160GB，OP值为20%，通过降低返修率，可以降低其返修带来的往返运费。

Intel针对服务器使用的S3520系列

Intel S3520采用的是MLC颗粒，入门级的150GB容量如果用256GB颗粒制作，预留的OP值达70％！通过大量的OP值预留，可以保证稳定运行在服务器上，这也印证了前文所提及的Intel闪存的企业战略——优先满足于服务器的需求。

三、不要被SSD速度“误导”了

SSD的速度取决于两个层面，即主控的运作方式和所采用的NAND闪存。

在闪存速度层面，三星一直是Bug般的存在，同级别闪存中确实不可匹敌，而在主控层面，不同的解决方案就会带来以不同的SSD表现。

在当前的TLC时代，主控给出的廉价解决方案为：将部分TLC模拟SLC模式，先让SLC这部分当搬运工，数据写入SLC，效率最高；SLC写完之后，主控亲自上阵当搬运工，这时候才能体现出TLC的真实速度。

前面提到TLC是1个Cell存储3个bit，SLC是1个Cell存储1个bit，故TLC模拟SLC模式，最多也只能模拟到全盘的1/3容量。

为了满足不同用户的需求，主控厂商们还给出了另外一个解决方案，即在TLC模拟SLC的同时，增加一颗DDR缓存颗粒，让缓存颗粒协助搬运数据，一般是1GB闪存应对1MB缓存的匹配关系。

不带缓存480G SLC模式下的测试（40G写入）

不带缓存480G填充全盘1/3以上测试（40G写入）

带缓存的500G填充全盘1/3以上测试（40G写入）

这个工具叫做HD Tune Pro，能让用户实打实地测试出SSD的真实效能，不轻易被品牌工厂和媒体误导。

之所以没有测试填充后的读取，是因为SSD的读取基本是不变的，一般我们用到SSD的时候，比如说玩游戏，也基本都是读取操作。

时至今日，仍有人误导用户说机械硬盘比固态硬盘好，也有人说SSD性能不如U盘，实在是贻笑大方。

通过上面三张图的比较我们可以得出以下结论：

1、不论是带DDR方案还是不带DDR方案，就写入比较而言，模拟SLC段的写入都是大同小异的。

2、当SLC模拟容量填充完之后，写入速度就会出现变化。主控带DDR的解决方案的平均速度是不带DDR的平均速度的一倍以上。

3、不论是带DDR还是不带DDR方案，均会出现最低速度低于10MB/s的情况，这是因为主控在搬运数据的时候的垃圾回收功能决定的。在看一个SSD的写入的时候，最好的考核参数是平均写入速度，而最高值和最低值均只能作参考。

如果你每天需要大量的拷贝吸入，选择带DDR的解决方案或者三星的SSD会是最好的选择。

四、国产闪存任重而道远

最后，我们来看看国产闪存的趋势和进度。

长江存储最近宣布，32层堆叠的64Gb 3D闪存将会在2018年达成小规模量产，2019年64层堆叠的128Gb 3D闪存将进入规模研发的阶段。

单Die 64Gb也就是8GB容量，而我们在前文谈到Intel上一代代号为B0KB的TLC为单Die 32GB，当前量产的代号为B17的TLC为单Die 64GB。

这样一来，即使国产闪存的良率与国际大厂一致，成本差异也将达到8倍。如果摩尔定律在闪存中继续生效，国产闪存的成本仍然需要很长的时间才能实现市场化竞争。

当前中美贸易战争还在继续，面对这种受制于人的局面，只能由衷地祝愿国产闪存能够早日实现技术革新并规模化量产，这样我们也能早日能用上中国芯的SSD产品。

NAND技术还在继续发展，并仍然遵循摩尔定律，可以大胆地预测，当QLC时代正式来临，SSD彻底取代HDD将成为可能。

在SSD的选择上，我们需要掌握一定的基础知识，遵循基础的选购逻辑，这才能避免掉入别人的忽悠陷阱。

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