第2篇 存储器及其材料

第3章 存储器及其材料产业背景

3.1 起源与内涵

一个基本的电子系统主要包括传感器、处理器、存储器和执行器。传感器用于获取外部数据，处理器负责处理数据，存储器负责数据存储，执行器则负责将处理器的运行结果执行到位。从1965年第三代计算机开始发展至今，半导体存储器一直是整个系统的重要组成部分之一。

随着摩尔定律的持续延伸（如图3-1所示），处理器的处理能力越来越强，能够处理的数据量和数据的存储能力也以指数形式持续增加。与此同时，半导体存储器也飞速发展，最终以优异的读写性能、低廉的成本和巨大的单位面积容量这三个方面的优势，逐渐淘汰了以光碟和磁带甚至机械硬盘为主的传统数据存储媒介。

图3-1 摩尔定律持续延伸与数据量的攀升

此外，随着计算机行业的持续发展，各种新兴的应用程序和应用场景也涌现出来，如人工智能（AI）、物联网、大数据、5G等，这些新兴应用需要存储的数据都越来越庞大。

当然正如前面所说的一样，这些存储器是服务于整个计算机系统的，所以从功能上可以分为L1～L3级的缓冲存储器（Cache）。作为最靠近CPU的数据暂存区域，由于要求读取速度快（时钟周期为1ns），所以一般由静态随机存取存储器（Static Random Access Memory, SRAM）来承担完成。DRAM则作为SRAM的接棒者，一般担任主存储器（Main Memory）的角色，用于存储程序代码，其时钟周期在10ns左右。非易失性存储器如早期的HHD则作为长期保存数据的媒介，用于长期保存用户数据及资料。但是正如图3-2所示的存储器层级结构（Memory Hierarchy），SRAM在速度和容量上与DRAM有较大差距，DRAM的性能与NAND Flash又有较大差距。目前业界新型存储器的开发与应用主要用于填补这个性能差距，以使整个计算机系统拥有更高的性能。

图3-2 存储器在计算机系统中的存储器层级架构

传统上半导体存储器主要分为两类：一类是易失性存储器（Volatile Memory），另一类是非易失性存储器（Non-volatile Memory），如图3-3所示。易失性存储器主要分为SRAM和DRAM两类，其制作工艺有很大不同，因此单元面积、速度、读取写入机制也相差很大。非易失性存储器目前主要分为快闪存储器（Flash Memory）、可擦编程只读存储器（EPROM）/电擦除可编程只读存储器（EEPROM）等。一些新型存储器如相变随机存储器（PCRAM）、磁性随机存储器（MRAM）、阻变随机存储器（ReRAM）和铁电随机存储器（FeRAM），由于具有兼顾非易失与速度快、低功耗的特性，目前简单归类于非易失性存储器。

图3-3 半导体存储器的分类

随着应用的不断推进，如人工智能（AI）等应用的出现，以及芯片持续微缩（每个芯片的存储单元数量增加，尺寸缩小）的需要，新型存储器越来越体现出其重要性。新型存储器的开发目标与奥林匹克格言一样，都是更快、更高、更强。理想的存储器就是既有3D NAND Flash那样的高密度，又有比拟易失性存储器的速度和长期保存数据的非易失性存储器强大的性能。后续新型存储器逐步研发成功后，将极大地改变整个存储器生态及计算机系统。