所有使用者對(duì)“存儲(chǔ)器”這個(gè)名詞可是一點(diǎn)都不陌生，因?yàn)樗械?a target="_blank">電子產(chǎn)品都必須用到存儲(chǔ)器，且通常用到不只一種存儲(chǔ)器，說它是一種“戰(zhàn)略物資”也不為過！不過對(duì)于存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與運(yùn)作模式。

存儲(chǔ)器的分類

電的存儲(chǔ)器是指電寫電讀的存儲(chǔ)器，主要分為兩大類，如圖一所示：

揮發(fā)性存儲(chǔ)器（Volatile Memory，VM）：電源開啟時(shí)資料存在，電源關(guān)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(chǔ)器（Non-Volatile Memory，NVM）：電源開啟時(shí)資料存在，電源關(guān)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(chǔ)器的分類。

存儲(chǔ)器的單元

存儲(chǔ)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(gè)晶體管（Transistor）與一個(gè)電容（Capacitor）則稱為“1T1C”；如果含有一個(gè)晶體管（Transistor）與一個(gè)電阻（Resistor）則稱為“1T1R”；如果含有一個(gè)二極體（Diode）與一個(gè)電阻（Resistor）則稱為“1D1R”。

存儲(chǔ)器的每個(gè)“單元”不一定只能儲(chǔ)存 1 個(gè)位的資料，由于我們對(duì)存儲(chǔ)器容量的要求越來越高，每個(gè)“單元”能儲(chǔ)存的資料越來越多，依照每個(gè)“單元”能儲(chǔ)存的資料位數(shù)又分為：?jiǎn)螌訂卧⊿ingle-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(chǔ)器階層（Memory hierarchy）

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

圖二為存儲(chǔ)器階層示意圖，由上而下依序?yàn)闀捍嫫鳌⒖烊〈鎯?chǔ)器、主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器：

暫存器（Register）：在處理器內(nèi)，用來設(shè)定處理器的功能，主要是“暫時(shí)儲(chǔ)存”設(shè)定值的地方。

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

主存儲(chǔ)器（Main memory）：在處理器外，“暫時(shí)儲(chǔ)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(chǔ)器（Assistant memory）：在處理器外，“永久儲(chǔ)存”程序與資料的地方，包括：快閃存儲(chǔ)器、磁盤機(jī)、光盤機(jī)、磁帶機(jī)等。

不同種類的存儲(chǔ)器分別有不同的儲(chǔ)存容量、工作速度、單位價(jià)格：

儲(chǔ)存容量：輔助存儲(chǔ)器（GB）> 主存儲(chǔ)器（MB）> 快取存儲(chǔ)器（KB）> 暫存器（B）。

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

單位價(jià)格：輔助存儲(chǔ)器 < 主存儲(chǔ)器 < 快取存儲(chǔ)器 < 暫存器。

▲ 圖二：存儲(chǔ)器階層示意圖。

存儲(chǔ)器的應(yīng)用

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

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

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

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

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

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM：Static RAM）

以 6 個(gè)電晶體（MOS）來儲(chǔ)存 1 個(gè)位（1bit）的資料，而且使用時(shí)“不需要”周期性地補(bǔ)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(fù)雜（6 個(gè)電晶體儲(chǔ)存 1 個(gè)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(duì)容量要求較低但是對(duì)速度要求較高的存儲(chǔ)器，例如：中央處理器（CPU）內(nèi)建 256KB、512KB、1MB 的“快取存儲(chǔ)器”（Cache memory），一般都是使用 SRAM。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM：Dynamic RAM）

以一個(gè)電晶體（MOS）加上一個(gè)電容（Capacitor）來儲(chǔ)存一個(gè)位（1bit）的資料，而且使用時(shí)“需要”周期性地補(bǔ)充電源來保持記憶的內(nèi)容，故稱為“動(dòng)態(tài)”（Dynamic）。

DRAM 構(gòu)造較簡(jiǎn)單（一個(gè)電晶體加上一個(gè)電容），由于電容充電放電需要較長(zhǎng)的時(shí)間造成存取速度較慢，但是成本也較低，因此一般制作成對(duì)容量要求較高但是對(duì)速度要求較低的存儲(chǔ)器，例如：個(gè)人電腦主機(jī)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(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SDRAM：Synchronous DRAM）

中央處理器（CPU）與主機(jī)板上的主存儲(chǔ)器（SDRAM）存取資料時(shí)的“工作時(shí)脈”（Clock）相同，故稱為“同步”（Synchronous）。由于 CPU 在存取資料時(shí)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(jī)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(gè)電晶體（MOS）與一個(gè)電容來儲(chǔ)存一個(gè)位的資料（一個(gè) 0 或一個(gè) 1），如圖四（a）所示，當(dāng)電晶體（MOS）不導(dǎo)通時(shí)沒有電子流過，電容沒有電荷，代表這一個(gè)位的資料是 0，如圖四（b）所示；當(dāng)電晶體（MOS）導(dǎo)通時(shí)（在閘極施加正電壓），電子會(huì)由源極流向汲極，電容有電荷，代表這一個(gè)位的資料是 1，為了要將這些流過來的電荷“儲(chǔ)存起來”，因此必須使用一個(gè)微小的電容，如圖四（c）所示，DRAM 就是因?yàn)殡娙菪枰獣r(shí)間充電，所以速度比 SRAM 還慢。▲ 圖四：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）的結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）是以一個(gè)電晶體加上一個(gè)電容來儲(chǔ)存一個(gè)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(chǔ)存）電子與電洞，造成必須不停地補(bǔ)充電子與電洞，所以稱為“動(dòng)態(tài)”，只要電腦的電源關(guān)閉，電容所儲(chǔ)存的電子與電洞就會(huì)流失，DRAM 所儲(chǔ)存的資料也就會(huì)流失。

要解決這個(gè)問題，最簡(jiǎn)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(chǔ)存在電容里不會(huì)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(chǔ)存電子與電洞不會(huì)流失，讓原本“揮發(fā)性”的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）變成“非揮發(fā)性”的存儲(chǔ)器稱為“鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器”（Ferroelectric RAM，F(xiàn)RAM）。