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NAND的存储原理电脑手机都用它：一文读懂DRAM，SRAM和Flash原理

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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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。

刨根问底：闪存是如何存储和记录数据的

手机和固态硬盘中用来存储数据的NAND闪存问世于1987年，首次量产则是在4年之后。当年的东芝闪存部门如今已经成为新的KIOXIA铠侠，不过NAND闪存的工作原理至今没有发生太多的变化。

在每个闪存芯片中都有海量的存储单元，下图是一个闪存存储单元示意图，从上到下分别是控制栅极（Control Gate）、氧化层、浮栅层（Floating Gate）、隧道氧化层和衬底（Substrate）。左侧是源级（Sources）右侧是漏级（Drain），电流只能从源级向漏级单向传导。

闪存记录数据的关键在于浮栅层，当其中被充满电子时是已编程（写入）状态，代表二进制0；当其中没有电子时是已擦除状态，代表二进制1。

上面的这个0和1的逻辑听起来有些颠倒，不过当你了解到闪存的读取原理后就会觉得这样才是对的：源级到漏级之间没有电流（0），说明浮栅中有电子。

当源级到漏级之间有电流（1），说明浮栅里没有电子。

以上就是从闪存中读取数据的原理，往复杂了说它涉及到MOS管等复杂的半导体知识，但是如果朝简单的方向理解，我们也能轻松理解闪存表达数据的原理。

接下来是向闪存单元中写入数据的方法：在控制栅极和漏级之间施加一个20V高电压，就可以引发量子隧道效应，使电子进入到浮栅层中。由于氧化隧道层的绝缘效果，进入到浮栅层的电子不容易流失掉，所以闪存可以在断电后继续保留数据。

反过来也可以使用20V高电压反向将浮栅层中的电子"抽离"出去，这就是闪存的擦除。闪存的独特工作原理决定了闪存单元在写入之前必须经过擦除，而不能像磁记录那样直接覆盖写入。

对于原始的SLC闪存而言，一个存储单元只需保留一比特数据，非0即1，判断起来非常简单。SLC闪存速度快、寿命长，但容量小、每GB容量成本过高，不适合家用电脑的固态硬盘。

MLC闪存可以在每个存储单元中存储2比特数据，即00、01、10、11四种状态，浮栅层中的电荷等级需要更加精细化。

到了TLC闪存（3比特/单元），状态数量达到8种，而QLC闪存（4比特/单元）的状态数量高达16种。

2007年铠侠的前身东芝存储率先提出了三维闪存层叠技术，现在的3D闪存已经使用Charge Trap电荷捕获层取代原有Floating Gate浮栅层，存储单元的结构也发生了较大的变化，使得闪存写入速度更快，可靠性更强，功耗水平更低。铠侠TC10、RC10、RD10使用的都是3D TLC闪存。

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