【硬派特辑】电子装置不可或缺的关键零组件：记忆体

所有使用者对"记忆体"这个名词可是一点都不陌生，因为所有的电子产品都必须用到记忆体，且通常用到不只一种记忆体，说它是一种"战略物资"也不为过！不过对于记忆体种类、规格与形式，很多人容易搞混，例如：身为"执行"程式（资料）的 DRAM ，以及"储存"程式与资料的 Flash ROM 就是一例，这篇专辑将由浅入深为大家介绍各种新型记忆体的结构与运作模式。

记忆体的分类

电的记忆体是指电写电读的记忆体，主要分为两大类，如图一所示：

挥发性记忆体（Volatile Memory，VM）：电源开启时资料存在，电源关闭则资料立刻流失（资料挥发掉），例如：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM 等。

非挥发性记忆体（Non-Volatile Memory，NVM）：电源开启时资料存在，电源关闭资料仍然可以保留，例如：ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM 等。

▲ 图一：记忆体的分类。

记忆体的单元

记忆体的"单元"（Cell）是指用来存取资料的最小结构，如果含有一个电晶体（Transistor）与一个电容（Capacitor）则称为"1T1C"；如果含有一个电晶体（Transistor）与一个电阻（Resistor）则称为"1T1R"；如果含有一个二极体（Diode）与一个电阻（Resistor）则称为"1D1R"。

记忆体的每个"单元"不一定只能储存 1 个位元的资料，由于我们对记忆体容量的要求愈来愈高，每个"单元"能储存的资料愈来愈多，依照每个"单元"能储存的资料位元数又分为：单层单元（Single-Level Cell，SLC）、多层单元（Multi-Level Cell，MLC）、三层单元（Triple-Level Cell，TLC）、四层单元（Quad-Level Cell，QLC）等。

【延伸阅读】对记忆体的 SLC、MLC、QLC、TLC 有兴趣的人可以参考"知识力专家社群：记忆体的分类与阶层"。记忆体阶层（Memory hierarchy）

要了解电子产品的各种记忆体配置，就必须先介绍"记忆体阶层"（Memory hierarchy）观念。记忆体阶层是指如何将储存容量不同、运算速度不同、单位价格不同的多种记忆体妥善分配，才能达到最大的经济效益，使产品的运算速度合理、储存容量合理、产品价格合理。

图二为记忆体阶层示意图，由上而下依序为暂存器、快取记忆体、主记忆体、辅助记忆体：

暂存器（Register）：在处理器内，用来设定处理器的功能，主要是"暂时储存"设定值的地方。

快取记忆体（Cache memory）：在处理器内，执行程式时"暂时储存"程式与资料的地方，通常以 SRAM 製作。

主记忆体（Main memory）：在处理器外，"暂时储存"程式与资料的地方，通常以 DRAM 製作，目前已经改良成 SDRAM 或 DDR。

辅助记忆体（Assistant memory）：在处理器外，"永久储存"程式与资料的地方，包括：快闪记忆体、磁碟机、光碟机、磁带机等。

不同种类的记忆体分别有不同的储存容量、工作速度、单位价格：

储存容量：辅助记忆体（GB）> 主记忆体（MB）> 快取记忆体（KB）> 暂存器（B）。

工作速度：辅助记忆体（1ms）< 主记忆体（10ns）< 快取记忆体（1ns）< 暂存器（1ns）。

单位价格：辅助记忆体 < 主记忆体 < 快取记忆体 < 暂存器。

【延伸阅读】对记忆体阶层的每一种类细节有兴趣的人可以参考"知识力专家社群：记忆体的分类与阶层"。

▲ 图二：记忆体阶层示意图。

记忆体的应用

所有的电子产品都必须用到记忆体，而且通常用到不只一种记忆体，由于记忆体的种类繁多，常常让使用者混淆，我们简单说明不同记忆体之间的差异，图三为手机主要晶片的系统方块图（System block diagram），包括：应用处理器（Application processor）、基频处理器（Baseband processor）、运动控制器（Motion Controller）。

应用处理器主要是执行作业系统（Operating System，OS）与应用程式（Application program，App），暂存器与快取记忆体目前都是内建在处理器内，其中暂存器用来设定处理器的功能，用来设定暂存器数值的程式，也就是用来趋动硬体的软体程式又称为"韧体"（Firmware）；快取记忆体是在执行程式时用来"暂时储存"程式与资料的地方，由于在处理器内离运算单元比较近，可以缩短程式与资料来回的时间，加快程式的执行速度因此称为"快取"（Cache）。

由于快取记忆体成本较高因此容量不大，如果执行程式时放不下，则可以退一步放在主记忆体内，可是目前主记忆体所使用的 SDRAM 或 DDR，属于挥发性记忆体，电源关闭则资料立刻流失，因此关机后资料必须储存在非挥发性的辅助记忆体内，早期辅助记忆体使用磁碟机、光碟机、磁带机等，由于半导体製程的进步，目前大多使用快闪记忆体（Flash ROM），或所谓的固态硬碟（Solid State Disk，SSD），固态硬碟其实也是使快闪记忆体製作。

由于快取记忆体（SRAM）与主记忆体（SDRAM、DDR）是执行程式用来"暂时储存"程式与资料的地方，与处理器内的运算单位直接使用汇流排（Bus）连接，一般都是用"位元"（bit）来计算容量；而辅助记忆体是"永久储存"程式与资料的地方，由于一个位元组（Byte）可以储存一个半型字，因此一般都是用"位元组"（Byte）来计算容量。

▲ 图三：手机主要晶片的系统方块图（System block diagram）。

静态随机存取记忆体（SRAM：Static RAM）

以 6 个电晶体（MOS）来储存 1 个位元（1bit）的资料，而且使用时"不需要"週期性地补充电源来保持记忆的内容，故称为"静态"（Static）。

SRAM 的构造较複杂（6 个电晶体储存 1 个位元的资料），不使用电容所以存取速度较快，但是成本也较高，因此一般都製作成对容量要求较低但是对速度要求较高的记忆体，例如：中央处理器（CPU）内建 256KB、512KB、1MB 的"快取记忆体"（Cache memory），一般都是使用 SRAM。

动态随机存取记忆体（DRAM：Dynamic RAM）

以一个电晶体（MOS）加上一个电容（Capacitor）来储存一个位元（1bit）的资料，而且使用时"需要"週期性地补充电源来保持记忆的内容，故称为"动态"（Dynamic）。

DRAM 构造较简单（一个电晶体加上一个电容），由于电容充电放电需要较长的时间造成存取速度较慢，但是成本也较低，因此一般製作成对容量要求较高但是对速度要求较低的记忆体，例如：个人电脑主机板通常使用 1GB 以上的 DDR-SDRAM 就是属于一种 DRAM。由于处理器的速度愈来愈快，传统 DRAM 的速度已经无法满足要求，因此目前都改良成 SDRAM 或 DDR-SDRAM 等两种型式来使用。

【延伸阅读】对 DDR-SDRAM、DDR2、DDR3、DDR4 等记忆体的工作原理与差异有兴趣的人可以参考"知识力专家社群：随机存取记忆体（RAM）"

同步动态随机存取记忆体（SDRAM：Synchronous DRAM）

中央处理器（CPU）与主机板上的主记忆体（SDRAM）存取资料时的"工作时脉"（Clock）相同，故称为"同步"（Synchronous）。由于 CPU 在存取资料时不需要"等待"（Wait）因此效率较高，SDRAM 的存取速度较 DRAM 快，所以早期电脑主机板上都是使用 SDRAM 来取代传统 DRAM，不过目前也只有少数工业电脑仍然使用 SDRAM。

DRAM 使用一个电晶体（MOS）与一个电容来储存一个位元的资料（一个 0 或一个 1），如图四（a）所示，当电晶体（MOS）不导通时没有电子流过，电容没有电荷，代表这一个位元的资料是 0，如图四（b）所示；当电晶体（MOS）导通时（在闸极施加正电压），电子会由源极流向汲极，电容有电荷，代表这一个位元的资料是 1，为了要将这些流过来的电荷"储存起来"，因此必须使用一个微小的电容，如图四（c）所示，DRAM 就是因为电容需要时间充电，所以速度比 SRAM 还慢。

▲ 图四：动态随机存取记忆体（DRAM）的结构与工作原理示意图。

动态随机存取记忆体的缺点

动态随机存取记忆体（DRAM）是以一个电晶体加上一个电容来储存一个位元（1bit）的资料，由于传统 DRAM 的电容都是使用"氧化硅"做为绝缘体，氧化硅的介电常数不够大（K 值不够大），因此不容易吸引（储存）电子与电洞，造成必须不停地补充电子与电洞，所以称为"动态"，只要电脑的电源关闭，电容所储存的电子与电洞就会流失，DRAM 所储存的资料也就会流失。

要解决这个问题，最简单的就是使用介电常数够大（K 值够大）的材料来取代"氧化硅"为绝缘体，让电子与电洞可以储存在电容里不会流失。目前业界使用"钛锆酸铅"（PZT）或"钽铋酸锶"（SBT）这种介电常数很大（K 值很大）的"铁电材料"（Ferroelectric material）来取代氧化硅，则可以储存电子与电洞不会流失，让原本"挥发性"的动态随机存取记忆体（DRAM）变成"非挥发性"的记忆体称为"铁电随机存取记忆体"（Ferroelectric RAM，FRAM）。

【延伸阅读】对于电容与介电常数（High K与Low K）的意义有兴趣的人可以参考"知识力专家社群：动态随机存取记忆体（DRAM）"。

（首图来源：shutterstock）