2.1.3 电子存储介质

电子存储介质是一种以半导体集成电路作为存储介质的存储器，包括ROM（Read Only Memory）、RAM（Random Access Memory）、闪存（Flash Memory）和新型非易失存储（Non-Volatile Memory，NVM）介质[4]。

ROM：只读存储器，它只能读出信息，不能写入信息，计算机关闭电源后其内的信息仍旧保存，一般用它存储固定的系统软件和字库等。ROM有很多种，包括可编程只读存储器PROM（Programmable ROM）、可擦除可编程只读存储器EPROM（Erasable Programmable ROM）和电可擦可编程只读存储器EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）。PROM在出厂时存储内容全为1或全为0，用户可根据自己需要写入，利用通用或专用编程器，一次性地将程序写入后就无法修改，这种是早期的ROM产品，现在已基本不使用了。EPROM是采用浮栅技术的可编程存储器，其数据不但可以由用户写入自己的程序，还能通过紫外线的照射擦除原先的程序，为一次全部擦除。EEPROM是一种断电后数据不丢失的存储芯片，可通过高于普通电压的作用来频繁反复擦除和重编程。不像EPROM芯片，EEPROM无须从计算机中取出即可修改，但存在价格高、写入时间长、写操作较慢的缺点。闪存属于广义的EEPROM的一种介质。

RAM：随机访问存储器，可在其中的任一存储单元进行读或写操作，计算机关闭电源后其内的信息将不再保存，再次开机需要重新装入，通常用来存放操作系统和各种正在运行的软件、输入和输出数据、中间结果及与外存交换信息等。如图2-3所示，RAM有两大类：静态RAM（Static RAM，SRAM）和动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）。

图2-3 ROM、SRAM和DRAM存储器

SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，比如CPU的一级和二级Cache。每个SRAM单元由4～6个晶体管和其他零件组成，接通代表1，断开表示0，并且状态会保持到接收了一个改变信号为止。这些晶体管不需要刷新，但停机或断电时，它们同DRAM一样，会丢掉信息。SRAM的读写速度非常快，通常能以20纳秒或更快的速度工作。由于外形和电气上的差别，SRAM和DRAM是不能互换的。由于SRAM单元所用的晶体管数量多，功耗大，集成度受限制，因此，除价格较贵外，SRAM芯片在外形上较大，与DRAM相比存储密度更低。

DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM实现的。一个DRAM存储单元仅需一个晶体管和一个小电容。DRAM利用MOS管的栅电容上的电荷来存储信息，一旦掉电信息会全部的丢失，由于栅极会漏电，所以每隔一定的时间就需要一个刷新机构给这些栅电容补充电荷，并且每读出一次数据之后也需要补充电荷，这个就叫动态刷新，所以称其为动态RAM。由于它只使用一个MOS管来存储信息，所以集成度可以很高，容量能够做得很大。此外，SDRAM比它多了一个与CPU时钟同步。DRAM具体的工作过程是这样的：一个DRAM的存储单元存储的是0还是1取决于电容是否有电荷，有电荷代表1，无电荷代表0。但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，这就是数据丢失的原因。刷新操作定期对电容进行检查，若电量大于满电量的1/2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1/2，则认为其代表0，并把电容放电，借此来保持数据的连续性。

闪存（Flash）：结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，在断电情况下仍能保持所存储的数据，同时还可以快速读取数据，U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用EPROM作为它们的存储设备，然而近年来闪存全面代替了EPROM在嵌入式系统中的地位，用作存储Boot Loader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用。图2-4为采用闪存作为存储介质的U盘、SD（Secure Digital）卡和固态硬盘。目前市面上的闪存主要来自Intel、AMD、Micro、Samsung、Kingston和Toshiba等公司。

图2-4 U盘、SD卡和固态硬盘

目前闪存主要有两种：NOR闪存和NAND闪存。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。NOR闪存的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，按字节进行随机访问存储。用户可以直接运行装载在NOR闪存里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约成本。NAND闪存没有采取内存的按字节随机读取技术，以一次读取一块512个字节空间的形式来进行，采用这种技术的闪存比较廉价。NAND闪存数据删除以固定的区块为单位，区块大小一般为256KB到20MB。

NOR闪存的特点是应用简单、无须专门的接口电路、传输效率高，它是属于芯片内执行，这样应用程序可以直接在NOR闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NOR闪存带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。NOR闪存占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分。NOR主要应用在小容量的代码存储介质中。

NAND闪存能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于闪存的管理和需要特殊的系统接口。用户不能直接运行NAND闪存上的代码，因此好多使用NAND闪存的开发板，还用上一块小的NOR闪存来运行启动代码。NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，NAND适合于大容量的数据存储，在固态硬盘SSD、Compact Flash（CF）卡、SD卡、MultiMedia Card（MMC）卡等存储卡市场上所占份额最大。

新型非易失存储器：非易失性存储器（Non-Volatile Memory，NVM）是指当电流关掉后，所存储的数据不会消失的计算机存储器。传统非易失性存储器中，依存储器内的数据是否能在使用计算机时随时改写为标准，可分为两大类产品，即ROM和闪存。近年来出现了不少新型的非易失性存储器，包括相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FeRAM）、磁性随机存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）、自旋转移矩磁随机存储器（Spin Transfer Torque Random Access Memory，STT-RAM）、阻变随机存储器（Resistive Random Access Memory，RRAM）等[5]。表2-1列举了主要的新型非易失性存储器件和RAM及闪存的关键特征参数对比情况。这些新型非易失性存储器具有非易失、按字节存取、存储密度高、低能耗、读写性能接近DRAM，但仍存在读写速度不对称或寿命有限等缺陷。

表2-1 各种新型非易失性存储器性能对比

相变存储器是一种新兴的非易失性计算机存储器技术。它可能在将来代替闪存，因为它不仅比闪存速度快得多，更容易缩小到较小尺寸，而且复原性更好，能够实现一亿次以上的擦写次数。PCM存储单元是一种极小的硫族合金颗粒，通过电脉冲的形式集中加热的情况下，它能够从有序的晶态（电阻低）快速转变为无序的非晶态（电阻高得多）。同样的材料还广泛用于各种可擦写光学介质的活性涂层，例如CD和DVD。从晶态到非晶态的反复转换过程是由熔化和快速冷却机制触发的（或者一种稍慢的称为再结晶的过程）。最有应用前景的一种PCM材料是GST（锗、锑和碲），其熔点在500～600ºC。

铁电存储器是一种在断电时不会丢失内容的非易失性存储器，具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点。当前应用存储器的铁电材料主要有钙钛矿结构系列，包括PbZr1-xTixO3、SrBi2Ti2O9和Bi4-xLaxTi3O12等。铁电存储器的存储原理是基于铁电材料的高介电常数和铁电极化特性，按工作模式可以分为破坏性读出（DRO）和非破坏性读出（NDRO）。DRO模式是利用铁电薄膜的电容效应，以铁电薄膜电容取代常规的存储电荷的电容，利用铁电薄膜的极化反转来实现数据的写入与读取。

磁性随机存储器是指以磁电阻性质来存储数据的随机存储器，它采用磁化的方向不同所导致的磁电阻不同来记录0和1，只要外部磁场不改变，磁化的方向就不会变化。不像DRAM为了保持数据须电流不断流动，MRAM不需要刷新的操作。从原理上来看。MRAM的次数近乎无限次，片读取和写入速度接近SRAM。此外，穿隧式磁电阻材料有半导体材料所不具有的电阻值大的特点，使得其组件的功耗低。

自旋转移矩磁随机存储器是第二代的磁性随机存取内存技术，能解决部分传统MRAM架构所遭遇的问题。现今大多数MRAM写入数据的原理，是透过利用一道电流通过邻近穿隧磁阻（Tunneling Magneto Resistive，TMR）组件电线所产生的磁场，来改变其磁性；这种机制的运作速度快，但十分耗电。STT-RAM采用自旋极化（Spin-Polarized）电流来切换磁位，这种方法的耗电量较低，可扩展性也较大；STT-RAM写入数据的原理，是借由校准通过TMR组件的电子自旋方向，写入电流低许多、制程微缩的范围也更大，不过却需要更薄的穿隧阻障层（tunnel barrier），该种介质的厚度与一致性是关键。

阻变随机存储器被认为是电路的第四种基本元件，仅次于电阻器、电容器及电感元件。它可以在关掉电源后，仍能“记忆”通过的电荷。两组的忆阻器更能产生与晶体管相同的功能，但更为细小。最初于1971年，加州大学伯克利分校的蔡少棠教授预测忆阻器的出现，之后从2000年开始，研究人员在多种二元金属氧化物和钙钛矿结构的薄膜中发现了电场作用下的电阻变化，并应用到了下一代非挥发性存储器-阻抗存储器（RRAM）中。2008年惠普公司公布了基于TiO2的RRAM器件，并首先将RRAM和忆阻器联系起来。和现有内存相比，RRAM擦写速度提高100万倍，可反复擦写1兆次，保证产品优异的耐久性，还可以大幅降低电流量，因此在业界产生了极大的反响。