来源：网络素材
整理：李肖遥
所有使用者对“存储器”这个名词可是一点都不陌生，因为所有的电子产品都必须用到存储器，且通常用到不只一种存储器。不过对于存储器种类、规格与形式，很多人容易搞混。比如NAND Flash，产业新闻里常常提到的DRAM，还有SRAM、SDRAM、DDR 3、DDR 4、NOR Flash … 这些又是什么？存储器是用来存储程序和数据的部件，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器，主存储器又称内存储器（简称内存，港台称之为记忆体）。外储存器是指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器，此类储存器一般断电后仍然能保存数据。常见的外存储器有硬盘、软盘、光盘、U盘等。而简单来说，DRAM就是我们一般在用的内存，而NAND Flash 闪存，它在做的事情其实是硬盘。不熟悉PC知识的朋友常常在选购设备时问，硬盘和内存到底有什么差别？我硬盘容量明明有 1TB，但PC还是跑得很慢哎？硬盘和内存的差异，在于把电源关掉后、空间中储存的数据还会不会留着。就算关掉电源，硬盘的数据也不会消失。但我们要运算数据时，如果 CPU 要直接从硬盘里面抓数据，时间会太久。所以”内存”会作为中间桥梁，先到硬盘里面复制一份进来、再让 CPU 直接到内存中拿数据做运算。这样会 比直接去硬盘抓数据，快约数百万倍。打开任务管理器，就可以看到现在执行中程序占掉的内存空间，很多人就在骂Chrome 耗费的运算资源很高，内存使用率高于其他浏览器，多开几个分页内存就被吃完了。所以简单来说，计算机在运作就像是办公一样，喝饮料、看书本、听音响… 想一次使用越多东西、桌面（内存）就要越大。但其他一时间没有要用到的东西，都会放在抽屉（硬盘）里面。所以硬盘就算再大，你一次想执行很多任务，还是得要看内存大小。内存的处理速度比硬盘更快，但断电之后数据会消失，且价格也比硬盘贵。简单来说，CPU 里面也有一个储存空间，叫做 Register。要运算时、CPU 会从内存中把数据载入Register、再让Register中存的数字做运算，运算完再将结果存回内存中。毕竟 CPU 和内存终究还是两片不同的芯片，没有在同一片芯片里直接抓数据快。还有一个概念是 Cache，这是CPU 和内存之间的中间桥梁。速度来讲，就是：CPU里面的Register > Cache > 内存 > 硬盘。越上层（越靠近 CPU），速度就越快、价格越高、容量越低。
电的存储器是指电写电读的存储器，主要分为两大类，如图一所示：易失性存储器（Volatile Memory，VM）：电源开启时资料存在，电源关闭则资料立刻流失（资料挥发掉），例如：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM 等。非易失性存储器（Non-Volatile Memory，NVM）：电源开启时资料存在，电源关闭资料仍然可以保留，例如：ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM 等。存储器的“单元”（Cell）是指用来存取资料的最小结构，如果含有一个晶体管（Transistor）与一个电容（Capacitor）则称为“1T1C”；如果含有一个晶体管（Transistor）与一个电阻（Resistor）则称为“1T1R”；如果含有一个二极体（Diode）与一个电阻（Resistor）则称为“1D1R”。存储器的每个“单元”不一定只能储存 1 个位的资料，由于我们对存储器容量的要求越来越高，每个“单元”能储存的资料越来越多，依照每个“单元”能储存的资料位数又分为：单层单元（Single-Level Cell，SLC）、多层单元（Multi-Level Cell，MLC）、三层单元（Triple-Level Cell，TLC）、四层单元（Quad-Level Cell，QLC）等。要了解电子产品的各种存储器配置，就必须先介绍“存储器层次结构”（Memory hierarchy）观念。存储器层次结构是指如何将储存容量不同、运算速度不同、单位价格不同的多种存储器妥善分配，才能达到最大的经济效益，使产品的运算速度合理、储存容量合理、产品价格合理。图二为存储器阶层示意图，由上而下依序为暂存器、快取存储器、主存储器、辅助存储器：
暂存器（Register，也译为寄存器）：在处理器内，用来设定处理器的功能，主要是“暂时储存”设定值的地方。快取存储器（Cache memory，翻译版本有缓存，快取缓存区，快取存储器；台湾翻译为快取。）：在处理器内，执行程序时“暂时储存”程序与资料的地方，通常以 SRAM 制作。主存储器（Main memory）：在处理器外，“暂时储存”程序与资料的地方，通常以 DRAM 制作，目前已经改良成 SDRAM 或 DDR。辅助存储器（Assistant memory）：在处理器外，“永久储存”程序与资料的地方，包括：快闪存储器、磁盘机、光盘机、磁带机等。不同种类的存储器分别有不同的储存容量、工作速度、单位价格：储存容量：辅助存储器（GB）> 主存储器（MB）> 快取存储器（KB）> 暂存器（B）。工作速度：辅助存储器（1ms）< 主存储器（10ns）< 快取存储器（1ns）< 暂存器（1ns）。单位价格：辅助存储器 < 主存储器 < 快取存储器 < 暂存器。所有的电子产品都必须用到存储器，而且通常用到不只一种存储器，由于存储器的种类繁多，常常让使用者混淆，我们简单说明不同存储器之间的差异，图三为手机主要芯片的系统方块图（System block diagram），包括：应用处理器（Application processor）、基带处理器（Baseband processor）、运动控制器（Motion Controller）。应用处理器主要是执行操作系统（Operating System，OS）与应用程序（Application program，App），暂存器与快取存储器目前都是内建在处理器内，其中暂存器用来设定处理器的功能，用来设定暂存器数值的程序，也就是用来趋动硬件的软件程序又称为“固件”（Firmware）；快取存储器是在执行程序时用来“暂时储存”程序与资料的地方，由于在处理器内离运算单元比较近，可以缩短程序与资料来回的时间，加快程序的执行速度因此称为“Cache”。由于快取存储器成本较高因此容量不大，如果执行程序时放不下，则可以退一步放在主存储器内，可是目前主存储器所使用的 SDRAM 或 DDR，属于易失性存储器，电源关闭则资料立刻流失，因此关机后资料必须储存在非易失性的辅助存储器内，早期辅助存储器使用磁盘机、光盘机、磁带机等，由于半导体制程的进步，目前大多使用快闪存储器（Flash ROM），或所谓的固态硬盘（Solid State Disk，SSD），固态硬盘其实也是使快闪存储器制作。由于快取存储器（SRAM）与主存储器（SDRAM、DDR）是执行程序用来“暂时储存”程序与资料的地方，与处理器内的运算单位直接使用汇流排（Bus）连接，一般都是用“位”（bit）来计算容量；而辅助存储器是“永久储存”程序与资料的地方，由于一个位组（Byte）可以储存一个半型字，因此一般都是用“位组”（Byte）来计算容量。▲ 图三：手机主要芯片的系统方块图（System block diagram）。静态随机存取存储器（SRAM：Static RAM）以 6 个晶体管（MOS）来储存 1 个位（1bit）的资料，而且使用时“不需要”周期性地补充电源来保持记忆的内容，故称为“静态”（Static）。SRAM 的构造较复杂（6 个晶体管储存 1 个位的资料），不使用电容所以存取速度较快，但是成本也较高，因此一般都制作成对容量要求较低但是对速度要求较高的存储器，例如：中央处理器（CPU）内建 256KB、512KB、1MB 的“快取存储器”（Cache memory），一般都是使用 SRAM。动态随机存取存储器（DRAM：Dynamic RAM）以一个晶体管（MOS）加上一个电容（Capacitor）来储存一个位（1bit）的资料，而且使用时“需要”周期性地补充电源来保持记忆的内容，故称为“动态”（Dynamic）。DRAM 构造较简单（一个晶体管加上一个电容），由于电容充电放电需要较长的时间造成存取速度较慢，但是成本也较低，因此一般制作成对容量要求较高但是对速度要求较低的存储器，例如：个人电脑主机板通常使用 1GB 以上的 DDR-SDRAM 就是属于一种 DRAM。由于处理器的速度越来越快，传统 DRAM 的速度已经无法满足要求，因此目前都改良成 SDRAM 或 DDR-SDRAM 等两种型式来使用。同步动态随机存取存储器（SDRAM：Synchronous DRAM）中央处理器（CPU）与主机板上的主存储器（SDRAM）存取资料时的“工作时脉”（Clock）相同，故称为“同步”（Synchronous）。由于 CPU 在存取资料时不需要“等待”（Wait）因此效率较高，SDRAM 的存取速度较 DRAM 快，所以早期电脑主机板上都是使用 SDRAM 来取代传统 DRAM，不过目前也只有少数工业电脑仍然使用 SDRAM。可以记住一个简单的结论：SRAM 比较快、 DRAM 比较慢；SRAM 比较贵、DRAM 比较便宜。这是我们平常在计算机中使用的内存，更精确的说法应该叫”内存模块”（Memory Module）。一个内存模块实际上就是由一块小电路板、再加上几块的 DRAM 芯片构成。图标中的内存模块上一共有 8 个 DRAM 芯片。让我们把一个 DRAM 芯片的内部结构剖开看看，会看到一个储存数组（Memorry Array）。CPU 会给这个储存数组”行地址”和”列地址”，就可以选出一个”储存单元”。常见的储存单元包含了 4 bit 或 8 bit，每一个 bit 都会采用一个电路结构，我们称为 DRAM 的一个”基本储存单元”。这个基本储存单元中包含了一个晶体管匹配一个电容。然后就可以视电容器是否有充电电荷存在、来判别目前的记忆状态。“写入内存”的动作，就是由外部的数据线、对电容进行充电或放电，从而完成写入 1 或 0 的数字数据。DRAM 使用一个晶体管（MOS）与一个电容来储存一个位的资料（一个 0 或一个 1），如图四（a）所示，当晶体管（MOS）不导通时没有电子流过，电容没有电荷，代表这一个位的资料是 0，如图四（b）所示；当晶体管（MOS）导通时（在闸极施加正电压），电子会由源极流向汲极，电容有电荷，代表这一个位的资料是 1，为了要将这些流过来的电荷“储存起来”，因此必须使用一个微小的电容，如图四（c）所示，DRAM 就是因为电容需要时间充电，所以速度比 SRAM 还慢。▲ 图四：动态随机存取存储器（DRAM）的结构与工作原理示意图。由于电容会有漏电的现象，导致电位差不足而使记忆消失，因此除非电容经常周期性地充电，否则无法确保数据能长久保存起来。由于每个 DRAM 基本储存单元的电路结构非常的简单，所以功耗低、价格也较低。这样一来用低成本就能制造出大储存容量的 DRAM 芯片。缺点就是读写的速度慢（电容要充电放电），影响了 DRAM 的性能。SRAM 的结构则较为复杂，一共有六个晶体管构成。我们能分别用 M1、M2、M3 到 M6 进行标记。这六个晶体管合起来才能保存一个 bit。SRAM 芯片和 DRAM 芯片不太一样，不需要分成行地址和列地址分别选择，而且 SRAM 的设计相对来说又更加灵活，一个地址对应的储存单元数量可以是 8 bit、10 bit，或 32 bit、40 bit、64 bit 都行。另外，晶体管的开关速度远比电容充电放电的速度还快，所以相对于 DRAM、SRAM 的读写速度比 DRAM 快很多。然而 SRAM 中要储存一个 bit 就得用到六个晶体管。晶体管的数量一多、就会造成芯片的面积变大，从而带来集成电路难以变得更小、还有价格更贵的问题。（SRAM 的价格比起 DRMA 要高达 1000 倍以上。比如 2010 年世代––—SRAM 的每单位储存价格是 $60/MB，DRAM 则是 $0.06/MB。）同时每个晶体管都要耗电，晶体管越多、功耗就越高。考虑到价格高和功耗大，目前只能在一些很严苛的地方来使用 SRAM，比如上面提到的快取 (Cache)。故目前”主存储器”还是使用 DRAM 技术，但小块用来拉速度的”快取”就是采用 SRAM。然而无论是 DRAM 还是 SRAM，一不供应电源就会丧失储存的数据，所以都叫做挥发性内存。动态随机存取存储器（DRAM）是以一个晶体管加上一个电容来储存一个位（1bit）的资料，由于传统 DRAM 的电容都是使用“氧化矽”做为绝缘体，氧化矽的介电常数不够大（K 值不够大），因此不容易吸引（储存）电子与电洞，造成必须不停地补充电子与电洞，所以称为“动态”，只要电脑的电源关闭，电容所储存的电子与电洞就会流失，DRAM 所储存的资料也就会流失。要解决这个问题，最简单的就是使用介电常数够大（K 值够大）的材料来取代“氧化矽”为绝缘体，让电子与电洞可以储存在电容里不会流失。目前业界使用“钛锆酸铅”（PZT）或“钽铋酸锶”（SBT）这种介电常数很大（K 值很大）的“铁电材料”（Ferroelectric material）来取代氧化矽，则可以储存电子与电洞不会流失，让原本“易失性”的动态随机存取存储器（DRAM）变成“非易失性”的存储器称为“铁电随机存取存储器”（Ferroelectric RAM，FRAM）。Flash（闪存）由于具备了重量轻、体积小、功率低等优点，被应用在各类电子产品的硬盘上。Flash 又可以分成 NOR 型 Flash 和 NAND 型 Flash。NOR Flash 比 NAND Flash 更早导入市场。读取的速度较快，但写入的速度慢、价格也比 NAND Flash 贵。目前用来储存操作系统的程序代码或重要数据，比如拿来做 ROM。像是生产 NOR Flash 的台厂旺宏就是因为打入任天堂 Switch 主机的 ROM 供应链，今年营收上看攀升。NAND Flash 写入的速度快、价格较低，故目前以 NAND Flash 最为普遍。现在的 USB 硬盘和手机储存空间，就是用 NAND Flash 为主流技术。另外，固态硬盘（Solid State Drive, SSD）也是以 NAND 型 Flash 为基础所建构的储存装置。SSD 不像传统硬盘（HDD）中有马达、读写臂等零件。速度慢、功耗高，对震动又相当敏感，很难用在小型行动装置中。SSD 在读写数据时不会有噪音，耐震、传输速度快、重量又能缩减到 HDD 十分之一以上，现在已经成为个人计算机和笔记本电脑的主流储存设备。依照停止供应电源的话、是否还能保留数据，分成”易失性”与”非易失性”存储。SRAM 更快但价格更贵，所以主存储器多用 DRAM、快取多用 SRAM。
非易失性存储分成 ROM 和 Flash。主要用来作为硬盘。
Flash 又分成 NOR Flash 与 NAND Flash，现在硬盘多以 NAND Flash 构成的 SSD 为主。
▲ Q：看看一天到晚听到的 DRAM、SRAM、Flash 等内存厂商又分别代表哪层？‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ END ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧
关注我的微信公众号，回复“加群”按规则加入技术交流群。
关注程序员编程基地，回复“pdf”获取程序员必读经典书单，一起编程一起进阶。
点击“阅读原文”查看更多分享，欢迎点分享、收藏、点赞、在看。
