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。
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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。
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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。
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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。
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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)。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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