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。

DRAMSLC缓存傻傻分不清？解读固态硬盘的“缓存”

在固态硬盘界提起"缓存"这个词的时候很容易一头雾水，存储极客简单给大家盘点下：外置DRAM缓存、SRAM缓存、SLC缓存。显然，这些名词说的并不是一回事儿，承担的作用也不相同。

有两种东西，都被叫做缓存：Cache和Buffer，前者在港台地区也被称为快取，后者则还有一个缓冲的名字。很多时候Cache和Buffer被混在一起说，也没有权威和统一的区分方式。小编简单地把Cache快取表述成为了加速应用而提前载入到快速存储区的数据，Buffer则是为了提高写入完成速度而设立的数据"暂存区"。

一旦有机会，Buffer的数据会被写入到闪存并清空。而Cache中的数据则有可能长期保存和维护。

DRAM芯片里装了些什么？

固态硬盘工作时，DRAM芯片中既有属于Cache快取的部分，也有属于Buffer缓冲的部分。

跟很多朋友想象的不同，固态硬盘的Cache快取的内容并不是电脑读写的"用户数据"，而是固态硬盘为了兼容机械硬盘的工作方式而设立的FTL闪存转换层，简单来说FTL就是为了让固态硬盘能跟现有的操作系统所兼容。

固态硬盘也的确需要数据缓冲，但并不是单纯为了提高写入速度。闪存的最小写入单位是Page页，包括东芝BiCS闪存在内的当前大多数闪存页大小是16KB。在DRAM芯片中凑齐至少16KB数据然后再执行实际向闪存的写入，将零碎写入请求合并的操作使得固态硬盘更高效、更长寿。

SLC缓存是干嘛的？

SLC缓存是MLC、TLC或者QLC固态硬盘利用部分闪存空间模拟SLC的方式工作，以达到提速和延寿的效果。如果按照前文中的定义，SLC缓存的正确叫法应该是SLC缓冲。

为什么固态硬盘一定要有SLC缓冲？

我相信大多数人都认为这个问题的答案是：为了加速写入，尤其是顺序写入速度。其实这只是SLC缓冲的作用之一，毕竟固态硬盘用作移动硬盘的机会还是很低的，系统盘的读写是以随机读写为主。

引入SLC缓冲主要是为了降低闪存的写入难度。TLC闪存的一个单元拥有8种数据状态（表达3比特数据）、QLC闪存的一个单元拥有16种数据状态（表达4个比特数据）。要把数据一次性"刷"到TLC/QLC闪存单元中是比较困难的。模拟SLC可以简单快速的将写入数据先接纳下来，然后利用空闲时间释放到TLC/QLC形态。

当TLC/QLC模拟SLC方式写入时，其擦写次数也会相应提高，虽然不能达到等同SLC的水平，但也无需担心SLC缓冲机制会缩短固态硬盘的寿命。

无(DRAM)缓存的固态硬盘怎么工作？

固态硬盘的DRAM芯片主要是用来存储FTL闪存映射表的，这部分数据可以通过主控内集成小容量SRAM缓存并搭配NAND闪存交换来完成。在固件经过优化之后，无DRAM芯片的固态硬盘也可以发挥出理想的随机读写效能，譬如上图中的东芝TR200固态硬盘，在电脑配置足够的情况下，4K读取可以达到50MB/s以上。

完全没有DRAM缓存的固态硬盘：

TR200虽然没有外置DRAM芯片，但它所用的主控内集成了32MB容量的SRAM缓存。另外一种固态硬盘则是彻底消灭了DRAM芯片，比如东芝BG4就采用了NVMe协议当中的HMB特性，通过驱动程序直接向主机内存申请到一块专用空间，用来实现过去由固态硬盘板载DRAM芯片所承担的功能，可以说是一种非常巧妙的方式。

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