導(dǎo)語(yǔ)--上篇文章我們提到數(shù)字芯片是處理0和1離散信號(hào)的芯片，它可以進(jìn)一步細(xì)分為承擔(dān)計(jì)算功能的邏輯芯片、承擔(dān)存儲(chǔ)功能的存儲(chǔ)芯片以及將運(yùn)算、存儲(chǔ)等功能集成于一個(gè)芯片之上的微控制單元（MCU）。我們已經(jīng)對(duì)承擔(dān)計(jì)算功能的邏輯芯片做了介紹，本篇文章將繼續(xù)我們的旅程，對(duì)承擔(dān)存儲(chǔ)功能的存儲(chǔ)芯片做一個(gè)梳理。

通過(guò)上篇文章我們也對(duì)集成電路細(xì)分品類之多有了一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，存儲(chǔ)芯片同樣也種類繁多，開宗明義，我們首先將存儲(chǔ)芯片的分類總結(jié)為如下的思維導(dǎo)圖。

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存儲(chǔ)芯片，即半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（其他類型的存儲(chǔ)器包括光學(xué)存儲(chǔ)器，如CD、DVD等，以及磁性存儲(chǔ)器，如磁盤、軟盤、機(jī)械硬盤等），是半導(dǎo)體的一大重要分支。按數(shù)據(jù)是否易失可將存儲(chǔ)芯片分為非易失性存儲(chǔ)芯片與易失性存儲(chǔ)芯片。進(jìn)一步地，易失性存儲(chǔ)芯片可分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（DRAM）與靜態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（SRAM），非易失性存儲(chǔ)器則可分為ROM與FLASH芯片，F(xiàn)LASH又可進(jìn)一步細(xì)分為NOR FLASH與NAND FLASH。根據(jù)IC insights的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年以銷售額口徑計(jì)算的市場(chǎng)規(guī)模NAND FLASH占比為56%，DRAM為41%，其它為3%。

1.?RAM（Random Access Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），為易失性存儲(chǔ)芯片，易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是斷電丟失數(shù)據(jù)，例如我們平時(shí)使用word或excel時(shí)如果沒(méi)有點(diǎn)保存，突然關(guān)機(jī)或斷電后再重啟時(shí)文件便會(huì)丟失，就是因?yàn)槲覀儧](méi)點(diǎn)保存時(shí)數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在電腦內(nèi)存中，只有我們點(diǎn)擊保存后，數(shù)據(jù)才會(huì)保存在硬盤中，而電腦內(nèi)存使用的就是DRAM。那么為什么在有了硬盤的基礎(chǔ)上還會(huì)有內(nèi)存，內(nèi)存的意義在于如果計(jì)算機(jī)的每一次運(yùn)算都需要直接從硬盤中抓取數(shù)據(jù)，會(huì)極大降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率，而RAM存儲(chǔ)單元的內(nèi)容可按照需要隨機(jī)取出或存入，且存取的速度與存儲(chǔ)單元的位置無(wú)關(guān)。易失性存儲(chǔ)器斷電丟失數(shù)據(jù)的根本原因在于其存儲(chǔ)方式：

(1)?DRAM（Dynamic Random Access Memory，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）的每一個(gè)bit cell（存儲(chǔ)單元）由一個(gè)電容與一個(gè)晶體管兩個(gè)元器件組成，晶體管起開關(guān)作用，DRAM的存儲(chǔ)原理是通過(guò)電容充放電后的電勢(shì)高低代表0和1，從而起到存儲(chǔ)功能，而電容在斷電的情況下會(huì)漏電，存儲(chǔ)信息會(huì)因?yàn)殡娙莸穆╇姸鵁o(wú)法識(shí)別

(2)?SRAM（Static Random Access Memory，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）的存儲(chǔ)單元使用六個(gè)晶體管進(jìn)行存儲(chǔ)，同樣具有易失的特點(diǎn)。

(3)?DRAM與SRAM的主要區(qū)別是：

DRAM所使用的電容容量極小，電子僅能保存幾毫秒的時(shí)間，為了使電子不丟失，每隔幾毫秒就要充電刷新一次，這就是DRAM名稱中動(dòng)態(tài)（Dynamic）的由來(lái)。而SRAM則不需要刷新，因?yàn)橹灰粩嚯姡w管的數(shù)據(jù)就不會(huì)繼續(xù)保存數(shù)據(jù)。引入刷新所需的額外電路和時(shí)序會(huì)產(chǎn)生一些 復(fù)雜情況，因此DRAM的讀寫速度比SRAM慢，且使用的功率比SRAM要高得多。

從結(jié)構(gòu)上講，SRAM需要更多的晶體管才能存儲(chǔ)一定數(shù)量的內(nèi)存，由于內(nèi)存模塊中的晶體管數(shù)量決定了其容量，因此DRAM模塊的容量幾乎是SRAM模塊容量的六倍。

容量的不同最終其實(shí)歸結(jié)為價(jià)格，由于較低的價(jià)格，盡管與SRAM相比速度較慢功耗更高，但DRAM已成為計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器的主流，2020年DRAM下游需求中，智能手機(jī)、服務(wù)器、PC機(jī)占39.7%、34.9%與12.6%，三者合計(jì)90%。SRAM適用于速度比容量更重要的場(chǎng)景中，如處理器的告訴緩存，低功耗也意味著發(fā)熱量更小。

全球DRAM產(chǎn)品目前由三星、SK海力士與美光壟斷，三者市場(chǎng)份額占到95%，三星于2020年上半年完成10nm制程DRAM的出貨，為業(yè)內(nèi)最高水平。國(guó)內(nèi)DRAM領(lǐng)域代表企業(yè)有長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)（IDM）與兆易創(chuàng)新（Fabless），兆易創(chuàng)新2021年首款DRAM芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，主要面向工控等利基市場(chǎng)，長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)的工藝制程正處于16nm-19nm階段，相比三巨頭落后約4年-5年。

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2.?非易失性存儲(chǔ)器包括FLASH（FLASH EEPROM，又稱閃存，快閃）和ROM。

(1)?ROM全稱Read Only Memory，顧名思義，它是一種只能讀出事先所存的數(shù)據(jù)的固態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。ROM中所存數(shù)據(jù)穩(wěn)定，一旦存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就再也無(wú)法很方便地將之改變或者刪除，斷電后所存數(shù)據(jù)也不會(huì)消失。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而常用于存儲(chǔ)各種固化程序和數(shù)據(jù)。此后，ROM延伸進(jìn)化，衍生出多種類型（有些可以進(jìn)行修改），進(jìn)化史為ROM->PROM->EPROM->EEPROM。

ROM最初不能編程，是一種線路最簡(jiǎn)單半導(dǎo)體電路，通過(guò)掩模工藝，一次性制造，其中的代碼與數(shù)據(jù)將永久保存，不能進(jìn)行修改。在微機(jī)的發(fā)展初期，BIOS都存放在ROM（中。如果發(fā)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)有錯(cuò)，則只有舍棄不用，重新訂做一份。

此后出現(xiàn)了PROM（Programable ROM，可編程只讀存儲(chǔ)器），可自己寫入一次，所以也被稱為“一次可編程只讀存儲(chǔ)器”(One Time Progarmming ROM，OTP-ROM)。PROM在出廠時(shí)，存儲(chǔ)的內(nèi)容全為1，用戶可根據(jù)需要將其中的某些單元寫入0(部分的PROM在出廠時(shí)全為0，則用戶可將其中的部分單元寫入1)， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)其“編程”的目的。PROM的典型產(chǎn)品是雙極性熔絲結(jié)構(gòu)，如果想改寫某些單元，則可以給這些單元通以足夠大的電流，并維持一定的時(shí)間， 熔斷原來(lái)的熔絲已達(dá)到改寫某些位的效果。另一類經(jīng)典的PROM為使用肖特基二極管的PROM，出廠時(shí)其中的二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，修改可用大電流的方法加反相電壓造成其永久性擊穿即可。PROM一旦寫入后無(wú)法修改，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，已寫入的芯片只能報(bào)廢。

EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器），其特點(diǎn)是具有可擦除功能，擦除后即可進(jìn)行再編程，但缺點(diǎn)是擦除需要使用紫外線照射一定的時(shí)間，不太方便。

EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器），其最大優(yōu)點(diǎn)是可直接用電信號(hào)擦除，也可用電信號(hào)寫入，缺點(diǎn)則是價(jià)格很高，寫入時(shí)間很長(zhǎng)，寫入很慢。EEPROM的擦除以Byte為最小修改單位，不必將資料全部洗掉才能寫入。EEPROM在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，仍要利用一定的編程電壓，此時(shí)，只需用廠商提供的專用刷新程序就可以改寫內(nèi)容，因此它屬于雙電壓芯片。 借助于EEPROM芯片的雙電壓特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升級(jí)時(shí)，把跳線開關(guān)打至“ON”的位置，即給芯片加上相應(yīng)的編程電壓，就可以方便地升級(jí)；平時(shí)使用時(shí)，則把跳線開關(guān)打至“OFF”的位置，防止病毒對(duì)BIOS芯片的非法修改。

(2)?FLASH屬于廣義的EEPROM，因此也稱FLASH ROM，它屬于EEPROM的改進(jìn)產(chǎn)品，結(jié)合了ROM和RAM的長(zhǎng)處。不僅具備電子可擦除可編輯（EEPROM）的性能，還不會(huì)斷電丟失數(shù)據(jù)同時(shí)可以快速讀取數(shù)據(jù)。Flash屬于真正的單電壓芯片，它的讀和寫操作都是在單電壓下進(jìn)行。它的最大特點(diǎn)是必須按塊(Block或Sector)擦除(每個(gè)區(qū)塊的大小不定，不同廠家的產(chǎn)品有不同的規(guī)格)， 而EEPROM則可以一次只擦除一個(gè)字節(jié)(Byte)。FLASH的電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，同樣容量占芯片面積較小，成本自然比EEPROM低，因此適合用于做程序存儲(chǔ)器。

FLASH采用MOSFET來(lái)存放數(shù)據(jù)：FLASH的unit cell（存儲(chǔ)單元）是一個(gè)含有源極、漏極與柵極的MOSFET器件。在向柵極施加正向偏壓時(shí)，電子在隧穿效應(yīng)下從隧穿層進(jìn)入浮柵存儲(chǔ)起來(lái)，閾值電壓較高，對(duì)應(yīng)邏輯為0。在向柵極施加負(fù)向偏壓時(shí)，浮柵中的電子退出隧穿層，閾值電壓較小，對(duì)應(yīng)邏輯為1，這個(gè)過(guò)程就就完成了信息的存儲(chǔ)。即使電流消失，阻擋層與隧穿層也能保證浮柵中的電子不丟失，從而保證數(shù)據(jù)的完整性。FLASH相比DRAM的優(yōu)點(diǎn)在于斷電不失數(shù)據(jù)，且成本較低，缺點(diǎn)在于由于每一次寫入數(shù)據(jù)均需要擦除一次，使得寫入速度慢于DRAM。FLASH存儲(chǔ)芯片可進(jìn)一步細(xì)分為NAND FLASH與NOR FLASH。

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NAND FLASH與NOR FLASH的區(qū)別是：

存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不同，閃存將信息存儲(chǔ)在由浮柵晶體管制成的存儲(chǔ)單元中。這些技術(shù)的名稱解釋了存儲(chǔ)器單元的組織方式。在NOR閃存中，每個(gè)存儲(chǔ)器單元的一端連接到源極線，另一端直接連接到類似于NOR門的位線。在NAND閃存中，幾個(gè)存儲(chǔ)器單元（通常是8個(gè)單元）串聯(lián)連接，類似于NAND門。

不同的結(jié)構(gòu)決定了不同的性質(zhì)，NOR Flash架構(gòu)提供足夠的地址線來(lái)映射整個(gè)存儲(chǔ)器范圍。這提供了隨機(jī)訪問(wèn)和短讀取時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，這使其成為代碼執(zhí)行的理想選擇。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是100％已知的零件壽命。缺點(diǎn)包括較大的單元尺寸導(dǎo)致每比特的較高成本和較慢的寫入和擦除速度。相比之下，與NOR閃存相比，NAND閃存具有更小的單元尺寸和更高的寫入和擦除速度。缺點(diǎn)包括較慢的讀取速度和I / O映射類型或間接接口，這更復(fù)雜并且不允許隨機(jī)訪問(wèn)。此外，NAND Flash中的代碼執(zhí)行是通過(guò)將內(nèi)容映射到RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這與直接從NOR Flash執(zhí)行代碼不同。NAND的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是存在壞塊。NAND閃存通常在部件的整個(gè)生命周期內(nèi)出現(xiàn)額外的位故障時(shí)具有98％的良好位，因此，器件內(nèi)需要ECC（Error Correcting Code，錯(cuò)誤檢查和糾正）功能。

NOR主要應(yīng)用于早期電腦與老式功能機(jī)，這些設(shè)備存儲(chǔ)器的主要需求在于讀取系統(tǒng)程序，讀取速度快的NOR占優(yōu)，但隨著智能手機(jī)的不斷發(fā)展，NAND寫入速度快的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)，NOR的市場(chǎng)規(guī)模不斷萎縮，直到2016年后TWS耳機(jī)的興起NOR才逐漸走出谷底。NAND近年來(lái)正在從2D向3D堆疊技術(shù)發(fā)展，不同于以往將存儲(chǔ)單元直接平鋪電路板上，而是像建高樓一樣，將存儲(chǔ)單元層層平鋪向三維發(fā)展。3D NAND將思路從提高制程工藝轉(zhuǎn)到在一定面積堆疊更多的存儲(chǔ)單元以提高容量。

全球NAND FLASH芯片目前由三星、鎧俠、SK海力士、西部數(shù)據(jù)與美光壟斷，CR5達(dá)到90%以上。國(guó)內(nèi)NAND領(lǐng)域龍頭企業(yè)為長(zhǎng)江存儲(chǔ)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)采用設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)一體化的IDM模式，于2020年成功研發(fā)中國(guó)首款128層3D NAND閃存，并于2021年下半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，當(dāng)前三星、美光、SK海力士等第一梯隊(duì)廠商正在研發(fā)176層3D NAND閃存。NOR相比NAND市場(chǎng)規(guī)模較小，因此實(shí)力較強(qiáng)的存儲(chǔ)芯片廠商往往放棄這一領(lǐng)域，為國(guó)內(nèi)企業(yè)留出了一定的空間，臺(tái)灣企業(yè)旺宏電子、華邦電子與大陸企業(yè)兆易創(chuàng)新的市場(chǎng)份額合計(jì)占到70%，兆易創(chuàng)新的市場(chǎng)份額約20%。

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至此我們已經(jīng)對(duì)存儲(chǔ)芯片做了一個(gè)簡(jiǎn)單的梳理，下篇文章我們將看一看數(shù)字芯片的另一種分類MCU的主要內(nèi)容，讓我們下篇文章見吧。