存儲技術全解析：從芯片到系統

引言

在計算機和嵌入式系統中，各種存儲技術扮演著不同的角色，它們的性能特點和應用場景各不相同。很多人對DRAM、SRAM、HBM、ROM、NOR Flash、NAND Flash、eMMC、UFS 等術語感到困惑，不清楚它們之間的區別和關系，以及哪些是片上存儲，哪些是片外存儲。本文將系統地解析這些存儲技術，并以樹莓派和x86個人電腦為例，說明它們在實際系統中的應用。

存儲技術分類框架

存儲技術可以按照數據保存的持久性分為兩大類：

存儲技術
│
├─ 易失性存儲 (斷電數據丟失)
│   ├─ SRAM (靜態隨機存取存儲器)
│   └─ DRAM 家族 (動態隨機存取存儲器)
│       ├─ 傳統DRAM
│       ├─ SDRAM (同步動態隨機存取存儲器)
│       ├─ DDR SDRAM (雙倍數據率SDRAM)
│       │   ├─ DDR1/2/3/4/5
│       │   └─ LPDDR (低功耗DDR)
│       └─ HBM (高帶寬內存)
│
└─ 非易失性存儲 (斷電數據保留)
    ├─ ROM 家族 (只讀存儲器)
    │   ├─ 掩膜ROM
    │   ├─ PROM (可編程ROM)
    │   ├─ EPROM (可擦除可編程ROM)
    │   └─ EEPROM (電可擦除可編程ROM)
    │
    ├─ Flash 家族
    │   ├─ NOR Flash
    │   └─ NAND Flash
    │
    └─ 新型非易失存儲
        ├─ eMMC (嵌入式多媒體卡)
        ├─ SSD (固態硬盤)
        └─ UFS (通用閃存存儲)

Flash存儲技術詳解

Flash存儲是一種非易失性存儲器，即使斷電后也能保留數據。主要分為NOR Flash和NAND Flash兩種類型。

NOR Flash與NAND Flash對比

NOR Flash詳解

工作原理：
NOR Flash的存儲單元直接連接到位線和字線，允許隨機訪問任何存儲單元，類似于RAM的訪問方式。

主要特點：

• 支持隨機讀取，可以按字節訪問
• 讀取速度快，適合存儲需要直接執行的代碼
• 支持XIP(Execute In Place)，程序可以直接從Flash中執行
• 寫入和擦除速度較慢
• 容量相對較小，成本較高

應用場景：

• 存儲啟動代碼和固件
• 微控制器內部程序存儲
• BIOS/UEFI芯片
• 需要隨機訪問的小容量存儲

NAND Flash詳解

工作原理：
NAND Flash的存儲單元排列成串聯結構，需要按頁讀取數據，不支持隨機訪問單個字節。
SLC MLC TLC QLC

主要特點：

• 高存儲密度，適合大容量存儲
• 按頁(2KB-16KB)讀寫，不支持隨機字節訪問
• 寫入和擦除速度快
• 需要錯誤檢測與糾正(ECC)和壞塊管理
• 成本較低

應用場景：

• 大容量數據存儲
• SSD(固態硬盤)
• USB閃存驅動器
• SD卡和TF卡
• 智能手機和平板電腦存儲

RAM技術詳解

RAM(隨機存取存儲器)是一種易失性存儲器，斷電后數據會丟失。主要分為SRAM和DRAM兩大類。

SRAM(靜態隨機存取存儲器)

工作原理：
使用雙穩態電路(通常6個晶體管)存儲每個位，只要有電源供應，數據就能保持不變。

主要特點：

• 速度極快(2-10納秒訪問時間)
• 不需要刷新操作維持數據
• 密度低，功耗高，成本高
• 集成度低，占用芯片面積大

應用場景：

• CPU緩存(L1/L2/L3 Cache)
• 微控制器內部的工作內存
• 高速緩沖區

是否片上：通常集成在CPU/微控制器內部(片上)，作為緩存或工作內存

DRAM(動態隨機存取存儲器)

工作原理：
使用一個晶體管和一個電容存儲每個位，需要定期刷新以防止數據丟失。

主要特點：

• 密度高，成本低，功耗中等
• 需要定期刷新(通常每幾毫秒)
• 訪問時間較長(50-100納秒)
• 集成度高，適合大容量存儲

DRAM的主要類型：

1. 傳統DRAM：早期的DRAM技術，現已很少使用。

2. SDRAM(同步動態隨機存取存儲器)：

   • 與系統時鐘同步工作
   • 支持突發傳輸模式，提高吞吐量
   • 訪問時間10-20納秒

3. DDR SDRAM(雙倍數據率SDRAM)：

   • 在時鐘信號的上升沿和下降沿都傳輸數據
   • 有多代產品：DDR、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5
   • 每代性能提升約一倍
     

4. LPDDR(低功耗DDR)：

   • DDR的低功耗版本，專為移動設備設計，筆記本電腦常見
   • 犧牲部分性能換取更低功耗
   • 有多代產品：LPDDR2、LPDDR3、LPDDR4、LPDDR5

應用場景：

• 系統主內存
• 圖形卡內存
• 大容量臨時存儲

是否片上：通常是獨立芯片(片外)，通過內存總線連接到CPU，以DIMM或SO-DIMM形式安裝

HBM(高帶寬內存)

HBM是一種革命性的DRAM技術，通過3D堆疊和寬總線接口實現超高帶寬，主要用于高性能計算和圖形處理應用。

工作原理：
HBM將多個DRAM芯片垂直堆疊，并通過硅穿孔(TSV, Through-Silicon Via)技術互連，形成一個緊湊的'內存立方體'，然后通過寬接口（通常1024位）與處理器通信。

架構特點：

1. 3D堆疊結構：

   • 多個DRAM芯片(通常4-8層)垂直堆疊
   • 使用TSV(硅穿孔)技術進行層間互連
   • 每個堆棧形成一個'內存立方體'(memory cube)

2. 2.5D封裝技術：

   • HBM與處理器芯片并排放置在硅中介層(silicon interposer)上
   • 中介層提供高密度互連，替代傳統PCB布線
   • 大幅縮短信號路徑，降低延遲和功耗

3. 超寬接口：

   • 每個HBM堆棧提供1024位寬接口
   • 相比DDR4的64位寬，帶寬提升16倍
   • 工作頻率相對較低(2-3.6Gbps)，降低功耗

HBM各代技術規格對比：

HBM的優勢：

• 超高帶寬，遠超傳統DDR內存
• 相比GDDR6，相同帶寬下功耗低50%以上
• 緊湊尺寸，節省PCB空間
• 更低的工作頻率，降低電磁干擾

HBM的局限性：

• 成本高，制造復雜
• 需要特殊的2.5D封裝技術
• 容量擴展性有限
• 供應鏈相對受限

應用場景：

• 高端GPU（如NVIDIA H100、AMD Instinct MI300）
• AI加速器（如Google TPU）
• 高性能計算(HPC)系統
• 網絡交換設備
• 高端FPGA

是否片上：通常與處理器同封裝但分離芯片，采用2.5D封裝技術（硅中介層）

ROM和嵌入式存儲技術詳解

ROM(只讀存儲器)

ROM是一種非易失性存儲器，主要用于存儲固定的程序和數據。

主要類型：

1. 掩膜ROM：

   • 內容在制造時固化，不可修改
   • 成本最低，適合大批量生產

2. PROM(可編程ROM)：

   • 可使用編程器寫入一次數據，之后不可修改
   • 適合小批量生產

3. EPROM(可擦除可編程ROM)：

   • 可通過紫外線擦除數據，然后重新編程
   • 需要特殊的編程設備

4. EEPROM(電可擦除可編程ROM)：

   • 可電擦除可編程ROM，可按字節修改
   • 擦寫次數有限(通常10萬次左右)
   • 適合存儲需要偶爾修改的配置數據

應用場景：

• 存儲引導程序(BIOS/UEFI)
• 微控制器程序存儲
• 存儲固定配置數據

是否片上：可能是片上也可能是片外，取決于系統設計

eMMC(嵌入式多媒體卡)

eMMC是一種集成了NAND Flash和控制器的嵌入式存儲解決方案，提供標準接口，簡化系統設計。

主要特點：

• 將NAND Flash和控制器集成在一個封裝中
• 控制器處理壞塊管理、磨損均衡、錯誤糾正等
• 提供標準接口，簡化系統設計
• 容量通常從4GB到256GB不等
• 性能介于原始NAND Flash和SSD之間

應用場景：

• 智能手機和平板電腦的主存儲
• 低端筆記本電腦
• 嵌入式系統和單板計算機(如某些樹莓派型號)

是否片上：片外，通常直接焊接在主板上

UFS(通用閃存存儲)

UFS是一種高性能嵌入式存儲標準，旨在替代eMMC，為移動設備提供更高性能和更低功耗。

工作原理：
UFS基于SCSI架構，采用全雙工通信和MIPI M-PHY物理層接口，支持命令隊列和并發操作。

架構特點：

1. SCSI命令集：

   • 采用成熟的SCSI命令協議
   • 支持復雜的命令隊列和優先級管理
   • 兼容現有軟件生態系統

2. 全雙工通信：

   • 兩條獨立的單向數據通道
   • 同時支持讀寫操作
   • 顯著提高并發性能

3. MIPI UniPro協議棧：

   • 采用分層協議架構
   • 提供可靠的數據傳輸和錯誤恢復
   • 支持服務質量(QoS)管理

4. MIPI M-PHY物理層：

   • 高速、低功耗的串行接口
   • 支持多種速率檔位
   • 先進的電源管理功能

UFS各代技術規格對比：

UFS相比eMMC的優勢：

應用場景：

• 高端智能手機
• 平板電腦
• 增強現實/虛擬現實設備
• 汽車信息娛樂系統
• 高性能嵌入式系統

片上與片外存儲

片上存儲(On-chip)

片上存儲是指集成在處理器芯片內部的存儲器，如：

• SRAM：用于CPU緩存(L1/L2/L3)
• 小容量ROM：用于存儲啟動代碼
• 微控制器內部Flash：用于存儲程序代碼

特點：

• 訪問速度極快(直接通過片內總線)
• 容量有限(受芯片面積限制)
• 成本高(增加芯片復雜度)
• 功耗低(無需外部接口)

片外存儲(Off-chip)

片外存儲是指與處理器芯片分離的獨立存儲設備，如：

• DRAM：系統主內存
• SSD/HDD：大容量存儲
• 外部Flash：擴展存儲
• HBM：雖然與處理器封裝在一起，但仍是獨立芯片

特點：

• 訪問速度較慢(需要通過外部總線)
• 容量大(不受處理器芯片面積限制)
• 成本相對較低
• 功耗較高(需要外部接口)

實際系統中的存儲架構

樹莓派存儲架構

以樹莓派4B為例：

片上(SoC內部)存儲

1. L1緩存：

   • 類型：SRAM
   • 容量：32KB指令緩存 32KB數據緩存(每個核心)
   • 用途：最快速的CPU數據訪問

2. L2緩存：

   • 類型：SRAM
   • 容量：1MB(共享)
   • 用途：二級CPU緩存

3. ROM：

   • 類型：掩膜ROM
   • 容量：幾KB
   • 用途：存儲初始引導代碼

片外存儲

1. 主內存：

   • 類型：LPDDR4 SDRAM
   • 容量：1GB/2GB/4GB/8GB(取決于型號)
   • 用途：操作系統和應用程序的運行內存

2. 啟動/系統存儲：

   • 類型：microSD卡(基于NAND Flash)
   • 容量：通常8GB-128GB(用戶選擇)
   • 用途：存儲操作系統、應用程序和用戶數據

3. 可選擴展存儲：

   • 類型：USB外接硬盤/SSD
   • 容量：取決于外接設備
   • 用途：額外數據存儲

樹莓派啟動流程

1. SoC上電后，執行片上ROM中的代碼
2. ROM代碼初始化基本硬件并從SD卡加載第一階段引導加載程序
3. 引導加載程序初始化SDRAM并加載操作系統內核
4. 操作系統加載到SDRAM并開始執行
5. 操作系統從SD卡加載其他組件和應用程序

x86個人電腦存儲架構

現代x86個人電腦擁有更復雜的存儲層次結構：

片上(CPU內部)存儲

1. L1緩存：

   • 類型：SRAM
   • 容量：通常32KB-64KB指令緩存 32KB-64KB數據緩存(每個核心)
   • 用途：最快速的CPU數據訪問

2. L2緩存：

   • 類型：SRAM
   • 容量：通常256KB-1MB(每個核心)
   • 用途：二級CPU緩存

3. L3緩存：

   • 類型：SRAM
   • 容量：通常4MB-64MB(所有核心共享)
   • 用途：三級CPU緩存

片外存儲

1. 主內存：

   • 類型：DDR4 SDRAM(現代系統)
   • 容量：通常8GB-64GB
   • 用途：操作系統和應用程序的運行內存
   • 接口：DIMM插槽

2. BIOS/UEFI存儲：

   • 類型：NOR Flash
   • 容量：通常8MB-32MB
   • 用途：存儲系統固件(BIOS/UEFI)
   • 位置：主板上

3. 主存儲：

   • 類型：SSD(基于NAND Flash)或HDD(機械硬盤)
   • 容量：SSD通常256GB-2TB，HDD通常1TB-8TB
   • 用途：存儲操作系統、應用程序和用戶數據
   • 接口：SATA、PCIe或M.2

x86 PC啟動流程

1. 系統上電后，CPU執行位于固定地址的指令，訪問BIOS/UEFI(NOR Flash)
2. BIOS/UEFI初始化基本硬件并識別啟動設備
3. 從啟動設備(通常是SSD)加載操作系統引導加載程序
4. 引導加載程序加載操作系統內核到主內存(DRAM)
5. 操作系統接管控制權，初始化其他組件
6. 應用程序從SSD加載到DRAM并執行

存儲技術對比表

常見問題解答

問：為什么有些存儲是片上而有些是片外？

答：這主要取決于性能需求、成本和物理限制：

• 片上存儲提供最快的訪問速度，但容量受限且成本高
• 片外存儲可提供更大容量，成本更低，但訪問速度較慢
• 高性能部件需要最快速的訪問(如CPU緩存)，必須集成在芯片內
• 大容量存儲由于物理尺寸限制無法集成在處理器芯片上

問：為什么需要這么多不同類型的存儲？

答：計算機系統使用多層次存儲架構來平衡性能、容量和成本：

• 越靠近CPU的存儲越快但容量小且昂貴(如SRAM緩存)
• 越遠離CPU的存儲越慢但容量大且便宜(如硬盤/SSD)
• 不同應用場景需要不同的性能和容量特性
• 通過組合使用這些技術，系統可以在性能和成本之間取得最佳平衡

問：Flash存儲器會'磨損'是什么意思？

答：Flash存儲單元有有限的擦寫壽命：

• 每個存儲單元在被擦除后會輕微退化
• 達到擦寫次數上限后(NAND約1千-10萬次，NOR約10萬-100萬次)，單元可能無法可靠存儲數據
• 這就是所謂的'磨損'
• 現代Flash存儲設備使用'磨損均衡'技術，確保所有存儲單元均勻使用，延長整體壽命

問：HBM和普通DRAM有什么根本區別？

答：HBM和普通DRAM使用相同的基礎存儲單元技術，但在架構和接口上有根本區別：

• HBM采用3D堆疊結構，通過TSV實現層間互連
• HBM使用超寬數據總線(1024位)，而DDR SDRAM使用64位總線
• HBM與處理器通過硅中介層緊密集成，縮短信號路徑
• HBM針對帶寬優化，而非延遲，工作頻率實際低于DDR SDRAM

總結

存儲技術是一個復雜而多樣化的領域，不同類型的存儲技術各有優缺點和適用場景：

• NOR Flash：適合存儲需要直接執行的代碼，如BIOS和微控制器程序
• NAND Flash：適合大容量數據存儲，是SSD、SD卡和U盤的基礎
• SRAM：速度極快但容量小，主要用于CPU緩存
• DRAM：容量大但需要刷新，是系統主內存的主要選擇
• ROM：用于存儲固定的程序和數據，如啟動代碼
• eMMC：集成了NAND Flash和控制器，適合嵌入式系統的主存儲
• SSD：集成了NAND Flash和控制器，是現代計算機的主存儲設備，提供高性能和大容量
• UFS：提供高性能和低延遲，是eMMC的升級版
• HBM：用于高性能計算和圖形處理，提供極高帶寬