所有使用者對“存儲器”這個名詞可是一點都不陌生，因為所有的電子產(chǎn)品都必須用到存儲器，且通常用到不只一種存儲器，說它是一種“戰(zhàn)略物資”也不為過！不過對于存儲器種類、規(guī)格與形式，很多人容易搞混，例如：身為“執(zhí)行”程序（資料）的 DRAM ，以及“儲存”程序與資料的 Flash ROM 就是一例，這篇專輯將由淺入深為大家介紹各種新型存儲器的結(jié)構(gòu)與運作模式。

存儲器的分類

電的存儲器是指電寫電讀的存儲器，主要分為兩大類，如圖一所示：

揮發(fā)性存儲器（Volatile Memory，VM）：電源開啟時資料存在，電源關閉則資料立刻流失（資料揮發(fā)掉），例如：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM 等。

非揮發(fā)性存儲器（Non-Volatile Memory，NVM）：電源開啟時資料存在，電源關閉資料仍然可以保留，例如：ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM 等。▲ 圖一：存儲器的分類。

存儲器的單元

存儲器的“單元”（Cell）是指用來存取資料的最小結(jié)構(gòu)，如果含有一個晶體管（Transistor）與一個電容（Capacitor）則稱為“1T1C”；如果含有一個晶體管（Transistor）與一個電阻（Resistor）則稱為“1T1R”；如果含有一個二極體（Diode）與一個電阻（Resistor）則稱為“1D1R”。

存儲器的每個“單元”不一定只能儲存 1 個位的資料，由于我們對存儲器容量的要求越來越高，每個“單元”能儲存的資料越來越多，依照每個“單元”能儲存的資料位數(shù)又分為：單層單元（Single-Level Cell，SLC）、多層單元（Multi-Level Cell，MLC）、三層單元（Triple-Level Cell，TLC）、四層單元（Quad-Level Cell，QLC）等。

存儲器階層（Memory hierarchy）

要了解電子產(chǎn)品的各種存儲器配置，就必須先介紹“存儲器階層”（Memory hierarchy）觀念。存儲器階層是指如何將儲存容量不同、運算速度不同、單位價格不同的多種存儲器妥善分配，才能達到最大的經(jīng)濟效益，使產(chǎn)品的運算速度合理、儲存容量合理、產(chǎn)品價格合理。

圖二為存儲器階層示意圖，由上而下依序為暫存器、快取存儲器、主存儲器、輔助存儲器：

暫存器（Register）：在處理器內(nèi)，用來設定處理器的功能，主要是“暫時儲存”設定值的地方。

快取存儲器（Cache memory）：在處理器內(nèi)，執(zhí)行程序時“暫時儲存”程序與資料的地方，通常以 SRAM 制作。

主存儲器（Main memory）：在處理器外，“暫時儲存”程序與資料的地方，通常以 DRAM 制作，目前已經(jīng)改良成 SDRAM 或 DDR。

輔助存儲器（Assistant memory）：在處理器外，“永久儲存”程序與資料的地方，包括：快閃存儲器、磁盤機、光盤機、磁帶機等。

不同種類的存儲器分別有不同的儲存容量、工作速度、單位價格：

儲存容量：輔助存儲器（GB）> 主存儲器（MB）> 快取存儲器（KB）> 暫存器（B）。

工作速度：輔助存儲器（1ms）< 主存儲器（10ns）< 快取存儲器（1ns）< 暫存器（1ns）。

單位價格：輔助存儲器 < 主存儲器 < 快取存儲器 < 暫存器。

▲ 圖二：存儲器階層示意圖。

存儲器的應用

所有的電子產(chǎn)品都必須用到存儲器，而且通常用到不只一種存儲器，由于存儲器的種類繁多，常常讓使用者混淆，我們簡單說明不同存儲器之間的差異，圖三為手機主要芯片的系統(tǒng)方塊圖（System block diagram），包括：應用處理器（Application processor）、基帶處理器（Baseband processor）、運動控制器（Motion Controller）。

應用處理器主要是執(zhí)行操作系統(tǒng)（Operating System，OS）與應用程序（Application program，App），暫存器與快取存儲器目前都是內(nèi)建在處理器內(nèi)，其中暫存器用來設定處理器的功能，用來設定暫存器數(shù)值的程序，也就是用來趨動硬件的軟件程序又稱為“固件”（Firmware）；快取存儲器是在執(zhí)行程序時用來“暫時儲存”程序與資料的地方，由于在處理器內(nèi)離運算單元比較近，可以縮短程序與資料來回的時間，加快程序的執(zhí)行速度因此稱為“快取”（Cache）。

由于快取存儲器成本較高因此容量不大，如果執(zhí)行程序時放不下，則可以退一步放在主存儲器內(nèi)，可是目前主存儲器所使用的 SDRAM 或 DDR，屬于揮發(fā)性存儲器，電源關閉則資料立刻流失，因此關機后資料必須儲存在非揮發(fā)性的輔助存儲器內(nèi)，早期輔助存儲器使用磁盤機、光盤機、磁帶機等，由于半導體制程的進步，目前大多使用快閃存儲器（Flash ROM），或所謂的固態(tài)硬盤（Solid State Disk，SSD），固態(tài)硬盤其實也是使快閃存儲器制作。

由于快取存儲器（SRAM）與主存儲器（SDRAM、DDR）是執(zhí)行程序用來“暫時儲存”程序與資料的地方，與處理器內(nèi)的運算單位直接使用匯流排（Bus）連接，一般都是用“位”（bit）來計算容量；而輔助存儲器是“永久儲存”程序與資料的地方，由于一個位組（Byte）可以儲存一個半型字，因此一般都是用“位組”（Byte）來計算容量。

▲ 圖三：手機主要芯片的系統(tǒng)方塊圖（System block diagram）。

靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM：Static RAM）

以 6 個電晶體（MOS）來儲存 1 個位（1bit）的資料，而且使用時“不需要”周期性地補充電源來保持記憶的內(nèi)容，故稱為“靜態(tài)”（Static）。

SRAM 的構(gòu)造較復雜（6 個電晶體儲存 1 個位的資料），不使用電容所以存取速度較快，但是成本也較高，因此一般都制作成對容量要求較低但是對速度要求較高的存儲器，例如：中央處理器（CPU）內(nèi)建 256KB、512KB、1MB 的“快取存儲器”（Cache memory），一般都是使用 SRAM。

動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM：Dynamic RAM）

以一個電晶體（MOS）加上一個電容（Capacitor）來儲存一個位（1bit）的資料，而且使用時“需要”周期性地補充電源來保持記憶的內(nèi)容，故稱為“動態(tài)”（Dynamic）。

DRAM 構(gòu)造較簡單（一個電晶體加上一個電容），由于電容充電放電需要較長的時間造成存取速度較慢，但是成本也較低，因此一般制作成對容量要求較高但是對速度要求較低的存儲器，例如：個人電腦主機板通常使用 1GB 以上的 DDR-SDRAM 就是屬于一種 DRAM。由于處理器的速度越來越快，傳統(tǒng) DRAM 的速度已經(jīng)無法滿足要求，因此目前都改良成 SDRAM 或 DDR-SDRAM 等兩種型式來使用。

同步動態(tài)隨機存取存儲器（SDRAM：Synchronous DRAM）

中央處理器（CPU）與主機板上的主存儲器（SDRAM）存取資料時的“工作時脈”（Clock）相同，故稱為“同步”（Synchronous）。由于 CPU 在存取資料時不需要“等待”（Wait）因此效率較高，SDRAM 的存取速度較 DRAM 快，所以早期電腦主機板上都是使用 SDRAM 來取代傳統(tǒng) DRAM，不過目前也只有少數(shù)工業(yè)電腦仍然使用 SDRAM。

DRAM 使用一個電晶體（MOS）與一個電容來儲存一個位的資料（一個 0 或一個 1），如圖四（a）所示，當電晶體（MOS）不導通時沒有電子流過，電容沒有電荷，代表這一個位的資料是 0，如圖四（b）所示；當電晶體（MOS）導通時（在閘極施加正電壓），電子會由源極流向汲極，電容有電荷，代表這一個位的資料是 1，為了要將這些流過來的電荷“儲存起來”，因此必須使用一個微小的電容，如圖四（c）所示，DRAM 就是因為電容需要時間充電，所以速度比 SRAM 還慢。▲ 圖四：動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）的結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。

動態(tài)隨機存取存儲器的缺點

動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）是以一個電晶體加上一個電容來儲存一個位（1bit）的資料，由于傳統(tǒng) DRAM 的電容都是使用“氧化矽”做為絕緣體，氧化矽的介電常數(shù)不夠大（K 值不夠大），因此不容易吸引（儲存）電子與電洞，造成必須不停地補充電子與電洞，所以稱為“動態(tài)”，只要電腦的電源關閉，電容所儲存的電子與電洞就會流失，DRAM 所儲存的資料也就會流失。

要解決這個問題，最簡單的就是使用介電常數(shù)夠大（K 值夠大）的材料來取代“氧化矽”為絕緣體，讓電子與電洞可以儲存在電容里不會流失。目前業(yè)界使用“鈦鋯酸鉛”（PZT）或“鉭鉍酸鍶”（SBT）這種介電常數(shù)很大（K 值很大）的“鐵電材料”（Ferroelectric material）來取代氧化矽，則可以儲存電子與電洞不會流失，讓原本“揮發(fā)性”的動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）變成“非揮發(fā)性”的存儲器稱為“鐵電隨機存取存儲器”（Ferroelectric RAM，F(xiàn)RAM）。