一文看懂存儲芯片

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如今談及計算機存儲器，大多數人會想到 “RAM”，或是手機、筆記本電腦中的長期存儲空間。但在這些簡單術語背后，是一個龐大而迷人的半導體存儲器技術生態系統，每種技術都有其自身的發展歷程、設計理念以及在現代電子設備中的作用。從本質上講，計算機存儲器用于存儲信息 —— 從處理器正在使用的指令與數據，到我們保存在固態硬盤和存儲卡中的海量用戶內容與系統文件。然而，不同存儲器在響應速度、數據保持時間以及每千兆字節成本方面并不相同。

本文將重點介紹四種現代計算機存儲器：只讀存儲器（ROM）、動態隨機存取存儲器（DRAM）、靜態隨機存取存儲器（SRAM）以及閃存。每一種存儲器都代表了速度、成本、功耗與數據持久性之間的一種獨特權衡。理解這些權衡不僅對硬件工程師至關重要，對發燒友、超頻玩家、存儲空間追求者，以及任何希望優化性能、做出明智購買決策，或僅僅想了解驅動其計算機的技術原理的人來說，同樣不可或缺。

本文不僅會拆解這些存儲器是什么、如何工作，還會探討它們為何重要、如何在數十年創新中演進，以及它們的優缺點對從游戲電腦、數據中心到智能手機等各類系統的實際影響。無論你是要在不同 DDR5 內存套件中做選擇，想知道固態硬盤為何使用后會變慢，還是只想理解現代計算機如何以極快速度調度數據流動，各類計算機存儲器之間的協同作用都是一切的起點。

存儲器的本質是什么？

從核心來看，計算機存儲器是計算系統中以二進制數字（比特）形式存儲信息的部分，這些信息可供處理器或圖形處理器（GPU）等其他系統組件即時使用，或根據用戶需求長期保存。但 “存儲器” 一詞實際上涵蓋了一系列特性、性能表現與系統角色截然不同的技術。

存儲器并非只是一個存放數據的盒子，而是一個分層生態系統，旨在平衡速度、容量、成本與數據持久性 —— 原因很簡單：沒有任何一種技術能同時做到快速、廉價、大容量與高耐用。

兩大基本存儲器類別：易失性與非易失性

存儲器最基本的分類方式之一，是看斷電后是否保留數據：

易失性存儲器

這類存儲器需要持續供電才能維持存儲的比特。一旦斷電，數據就會丟失。因此，易失性存儲器通常用于對速度要求極高的臨時存儲。它主要包含兩個子類：動態隨機存取存儲器（DRAM）與靜態隨機存取存儲器（SRAM），后文將詳細介紹。

非易失性存儲器

在非易失性存儲器中，數據即使斷電也能保留。這使其適用于長期存儲，以及需要在多次開關機之間保存信息的系統。例子包括只讀存儲器（ROM）、磁盤、光盤與閃存。

易失性之外：訪問方式與性能

第二個核心概念是存儲器的訪問方式：

隨機存取：任意存儲單元的讀寫時間大致相等。RAM 中的 “R” 即代表這一特性；

順序存取：數據必須按順序讀取，隨機訪問速度較慢。硬盤驅動器與老式磁帶存儲即為此類，即便比特最終存儲在非易失性介質中。

存儲器層次結構：為何多種類型共存

現代計算并非只依賴一種存儲器，而是將多種存儲器組織成一個層次結構：

寄存器：位于中央處理器（CPU）核心或 GPU / 張量處理器（TPU）計算單元內部的超小、超快 SRAM；

高速緩存：靠近處理器的高速 SRAM，用于緩沖頻繁訪問的數據；

主存（DRAM）：容量比緩存更大、速度更慢，作為處理器的主要工作區；

非易失性存儲：大容量、低速設備，用于長期存儲操作系統文件、應用、游戲與個人文件。

這一層次結構之所以存在，是因為處理器速度的發展歷來遠快于存儲器速度。如果不將不同成本與性能的存儲器分層，CPU 就會頻繁閑置等待數據，這種現象被稱為 “存儲墻”。

定義存儲器的核心屬性

工程師設計或對比存儲器技術時，會關注幾項關鍵指標：

速度：數據讀寫的快慢；

延遲：從發出請求到數據開始傳輸的延遲；

帶寬：單位時間內可傳輸的數據量；

容量：可存儲的數據量；

每比特成本：單位存儲的生產成本；

持久性：斷電后數據是否保留；

能耗：影響電池續航與發熱，尤其在小型設備中。

沒有任何一種存儲器能在所有指標上都表現優異，這正是現代計算機組合使用多種存儲器、而非依賴單一通用方案的原因。

盡管現代計算機存儲器在最底層物理層面以比特形式存儲數據，但其部分特性通常以字節表示，1 字節等于 8 比特。

這對日常系統為何重要

程序執行：啟動應用時，程序通常從低速非易失性存儲加載到高速易失性存儲器，使 CPU 能盡可能快速高效地處理；

高速緩存：現代 CPU 利用數據局部性 —— 近期或鄰近數據更可能被重復使用 —— 將其存入基于 SRAM 的極高速緩存，避免重復訪問時承受 DRAM 更高的延遲代價；

長期存儲：各類文件、游戲與其他雜項數據存放在非易失性存儲器（如 NAND 閃存）中，正因它無需供電即可保存數據，盡管性能低于 RAM。

接下來，我們將逐一介紹本文涵蓋的四種主流現代計算機存儲器的特性、應用場景、優缺點，首先從只讀存儲器（ROM）開始。

ROM — 只讀存儲器

在現代計算領域，只讀存儲器（ROM）泛指一大類斷電后仍能保存數據的非易失性存儲器技術。與斷電丟失數據的易失性存儲器不同，ROM 傳統上用于存放系統啟動與正常運行所需的固定數據或固件，如啟動代碼、微碼或嵌入式控制器指令。

盡管現代產品常常模糊 “只讀” 與 “可重寫” 存儲器的界限，但理解經典 ROM 子類及其演進，有助于解釋從早期游戲卡帶到現代 PC 與智能手機固件存儲的一切。

ROM 的主要作用是可靠存儲關鍵、長期有效的數據：

非易失性，內容在開關機后依然保留；

固件與啟動加載程序 —— 包括現代 PC 上的 BIOS / 統一可擴展固件接口（UEFI）—— 傳統上存放在 ROM 中；

許多嵌入式系統（從家電到控制器）依賴 ROM 存放穩定的板載軟件。

除少數專用系統外，ROM 并不適合頻繁重寫。但隨著時間推移，各類子類型逐步演進，提供了不同程度的靈活性。下文將介紹它們的優缺點與典型應用。

經典 ROM 子類型

以下是 ROM 的主要類別，從永久固化到電可重寫：

掩膜 ROM（MROM）—— 工廠編程，不可修改

掩膜 ROM 在制造過程中編程，數據模式通過定制光罩物理嵌入芯片。由于比特在出廠時已 “硬連線”，后續無法更改。

優點

穩定性高，讀取速度快；

大規模量產成本低，定制光罩步驟替代了制造后編程。

缺點

缺乏靈活性，任何修改都需要新光罩與重新流片；

小批量或頻繁更新的產品中很少使用。

典型應用

早期游戲卡帶與主機 ROM；

代碼固定的嵌入式系統。

可編程 ROM（PROM）—— 一次性可編程

PROM 出廠為空白，用戶可通過專用設備（PROM 編程器）一次性編程。編程時內部熔絲被選擇性 “燒斷” 以定義存儲比特，編程后數據不可更改。

優點

無需定制光罩即可自定義編程；

適合在制造流程后期將固件鏡像寫入電路。

缺點

僅可編程一次，出錯通常意味著芯片報廢。

典型應用

工業嵌入式系統、早期測試系統或專用邏輯。

EPROM（可擦除可編程只讀存儲器）——紫外線 (UV) 可擦除

EPROM 在 PROM 基礎上改進，支持擦除與重新編程。擦除需將芯片（通過封裝上的透明石英窗口）暴露在強紫外線下，重置浮柵晶體管。

優點

可重復使用，開發人員可迭代調試固件；

適合原型開發與傳統 BIOS 芯片。

缺點

擦除需拆芯片并紫外線照射，已部署產品更新不便；

擦寫次數受紫外線窗口損耗限制。

典型應用

早期微控制器固件與開發板。

EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）——電字節級可擦存儲器

EEPROM 支持電擦除與重編程，無需從電路中取下芯片，比 EPROM 便捷得多。

獨特特性

可選擇性擦除與重寫單個字節，而閃存通常以塊為單位操作；

寫入速度慢于 RAM，但比 EPROM 靈活。

優點

支持系統內更新（如通過 SPI 或 I2C 總線）；

適用于小型固件更新或配置數據。

缺點

寫入壽命有限（通常數萬至數百萬次）。

典型應用

現代主板上的 BIOS/UEFI 固件存儲；

微控制器嵌入式系統；

安全令牌與智能卡存儲。

小結：各類 ROM 對比

DRAM — 動態隨機存取存儲器

動態隨機存取存儲器（DRAM）是當今計算系統中主流的主存形式。它利用微小電容存儲電荷來保存數據，每個比特都需要定期刷新，因為電荷會緩慢泄漏。這種 “動態” 特性正是 DRAM 名稱的來源 —— 它必須每秒數百次刷新以保留信息。由于 DRAM 單元比 SRAM 簡單，因此芯片密度更高，大容量存儲更具成本效益。這種成本、性能與密度的平衡，使 DRAM 成為從 PC 到服務器等設備中應用與操作系統的主要工作區。

工作原理上，DRAM 單元由一個小電容與一個訪問晶體管組成，存儲 1 比特數據。這些單元排列成二維行列表格，每個單元位于字線（行）與位線（列）的交點。

字線用于選擇整行單元。內存控制器訪問某一行時，會將該字線置高，打開該行所有單元的訪問晶體管，使其連接到對應位線；

位線沿每列延伸，作為單元電容與靈敏放大器之間的數據傳輸通道。讀操作時，位線先預充到中間電壓，再激活字線。單元電容上的微小電荷會輕微改變位線電壓，靈敏放大器檢測并放大這一差異，生成邏輯值（1 或 0）。寫操作時，位線被強驅動到目標邏輯電平，激活字線，電容充電（1）或放電（0）。

由于電容上的電荷會隨時間泄漏，且讀取操作本身會干擾單元電荷，現代 DRAM 必須定期重新讀寫每一行以刷新數據。

DRAM 主要特性

優點

高密度且成本合理：單位面積比特數高于 SRAM，每 GB 成本更低，適合做主存；

通用性能良好：雖慢于部分專用版本，但帶寬足以應對廣泛工作負載；

高度標準化：多代 DDR 在臺式機、筆記本與服務器中廣泛支持。

缺點

需要刷新周期：用電荷存儲數據，需額外功耗維持內容；

易失性：與 SRAM 一樣，斷電數據全失；

延遲限制：整體吞吐量優秀，但隨機訪問延遲遠高于 SRAM。

典型應用

臺式機、筆記本、手機、服務器等設備的系統內存；

重視容量與成本的通用工作負載；

虛擬化、大數據集與大多數日常計算任務。

內存總線：數據如何傳輸

在計算系統中，總線本質是一組電氣通路，用于在 CPU、內存與其他組件間傳輸信息。內存總線專門連接處理器（準確說是處理器內的內存控制器）與系統內存，實現 CPU 與 DRAM 等存儲器之間的數據與指令傳輸。現代設計中，這一連接通常由內存標準定義，實現為高速接口，使 CPU 能高效快速讀寫內存。

內存總線由多個邏輯子總線組成：

地址總線：傳輸 CPU 要訪問的存儲單元地址（如 “讀取地址 0x12345 處的字節”），地址總線寬度影響系統可尋址內存大小；

數據總線：在內存與 CPU 間傳輸實際數據，數據總線越寬，每次傳輸比特越多，整體吞吐量 / 帶寬越高；

控制總線：傳輸控制信號（如讀 / 寫命令），協調數據傳輸的時機與方式。

這些總線共同構成內存操作的通信 “高速公路”。內存總線的寬度（并行線路數）與速度（頻率）直接影響單位時間數據傳輸量（即內存帶寬），就像更寬更快的公路能承載更多車輛。

現代系統中，傳統前端內存總線已演進為更專用的點對點內存接口，集成到 CPU 內存控制器中，并由 DDR、LPDDR、GDDR、HBM 等標準定義，但尋址、數據傳輸與物理線路控制的基本原理依然適用。

DRAM 與 SDRAM：簡要說明

盡管我們廣泛用 DRAM 指代現代計算機主存，但實際上幾乎所有現代 DRAM 芯片都是 SDRAM—— 同步動態隨機存取存儲器。SDRAM 與老式異步 DRAM 的區別在于，其命令與數據操作與系統時鐘信號嚴格同步，意味著內存控制器（管理主存數據流的數字電路）與 DRAM 芯片同步運行。這種同步支持命令流水線與 Bank 交錯等特性，相比老式異步 DRAM 接口大幅提升吞吐量與效率。事實上，DDR、LPDDR、GDDR 乃至 HBM 等所有 DRAM 變體，核心都基于 SDRAM，只是在同步基礎上增加帶寬、延遲、能效或專用場景的增強。

內存時序

例如 DDR5 內存套件規格 “30?36?36?76” 這串數字，代表其主要內存時序，即內存執行關鍵操作所需的時鐘周期數。由于 DRAM 按行列網格組織，訪問數據需要先激活行，再讀寫列，這些操作會產生可測量延遲。最常見的時序包括：

CAS 延遲（tCL）：行已激活后，從發出讀命令到數據可用的時鐘周期數，是發燒友最熟悉的指標，常用來代表內存響應速度；

行到列延遲（tRCD）：激活行到訪問該行內目標列之間的延遲，即行準備到列訪問的時間；

行預充電時間（tRP）：切換到新行前，當前行必須 “預充電”（關閉），tRP 定義該操作所需時鐘周期數；

行有效時間（tRAS）：行打開后必須保持激活的最小時鐘周期數，之后才能安全關閉。

數值越低代表時鐘周期越少，通常延遲越低，但實際延遲也取決于 DRAM 頻率 —— 低速下的低時序與高速下的高時序，實際延遲（通常以納秒表示）可能相近。

大多數內存模塊在高傳輸速率與合理時序之間做平衡。發燒友調試性能時會調整這些值，或在評估套件時參考，因為它們影響 DRAM 模塊在原始帶寬之外響應內存請求的速度。

值得注意的是，常見的主要時序（tCL、tRCD、tRP、tRAS）并不能完全反映內存性能。其下還有二級、三級時序，控制 DRAM 對不同命令序列與刷新周期的更精細響應。這些次級時序通常不在包裝上標注，但可在 BIOS/UEFI 中訪問與調整，合理調校對帶寬與延遲的影響遠大于僅調整主要時序。PC 發燒友常將這些設置作為內存調校與超頻的一部分，在基本時序與頻率達標后進一步榨取性能。

以下是現代系統中四種主要 DRAM 類型，各自針對不同性能 / 功耗 / 成本優先級與環境優化。

DDR — 雙倍數據率（標準系統內存）

DDR（雙倍數據率）DRAM 是當今臺式機、筆記本、工作站與服務器使用的主流系統內存。它在時鐘上升沿與下降沿都傳輸數據，相比老式單數據率（SDR）DRAM，每時鐘周期數據率翻倍。DDR 已歷經多代演進（DDR1 到 DDR5，即將推出 DDR6），每一代都提升速度 / 頻率、容量與能效。

優點

性能均衡：通用應用帶寬、延遲與容量表現良好；

廣泛支持與可升級：采用標準化模塊（如 DIMM），易于安裝與升級；

成本效益高：成熟制造與廣泛應用使價格有競爭力，遠便宜于 SRAM 且密度更高。

缺點

功耗中等：能效不如面向移動設備的 LPDDR；

帶寬與延遲受限：訪問延遲遠高于 SRAM，帶寬更低。

典型應用

消費級與企業級臺式機、筆記本、服務器的主系統內存。

LPDDR — 低功耗 DRAM（移動與嵌入式 DRAM）

與傳統 DDR 不同，LPDDR 內存芯片通常直接焊接在計算設備主板上，可與處理器直接通信。

低功耗 DDR（LPDDR）專為電池供電與移動設備定制，如筆記本、智能手機、平板。盡管基礎 DRAM 技術與標準 DDR 相同，但 LPDDR 針對低電壓運行優化，并配備額外省電模式。它通常直接焊在設備邏輯板上，而非用戶可更換模塊，使輕薄本、手機與平板體積更小、功耗更低。

優點

能效極佳：低電壓運行，提升電池續航；

針對常開低功耗狀態優化：移動工作負載性能良好且省電；

體積更小：板載設計節省空間，降低復雜度。

缺點

不可升級：通常板載焊接，無法像標準 DDR 那樣用戶更換；

延遲較高：時序更寬松，延遲通常高于 DDR。

典型應用

智能手機、平板、超輕薄筆記本、汽車系統。

GDDR — 圖形 DRAM（高速圖形內存）

與 LPDDR 一樣，GDDR DRAM 也直接焊接在 GPU 電路板上。

圖形 DDR（GDDR）是 DDR 的專用變體，專為圖形與 “高度并行” 工作負載提供更高峰值帶寬。更寬總線與更高時鐘頻率使 GDDR（如 GDDR6、GDDR7）能滿足游戲渲染與其他帶寬密集型計算任務所需的巨大吞吐量。它以部分能效為代價換取 raw speed，適合 GPU 與其他并行計算加速器，內存帶寬直接影響性能。

優點

數據速率極高：快速在 GPU 與內存間傳輸大量數據；

針對并行工作負載優化：多通道內存可最大化吞吐量。

缺點

發熱與功耗：高頻率與寬總線導致發熱與功耗增加；

非為通用內存設計：權衡偏向帶寬而非延遲或靈活性。

典型應用

顯卡 / GPU、游戲主機、專業可視化硬件。

HBM — 高帶寬存儲器（用于高性能計算的頂級帶寬）

高帶寬存儲器（HBM）采用 3D 堆疊 DRAM 架構，大幅提升單封裝內存帶寬。通過硅通孔（TSV）與超寬總線，HBM 實現巨大吞吐量，每比特傳輸功耗遠低于 DDR 與 GDDR。它通常通過中介層直接與高性能 GPU、AI 加速器或其他高性能計算（HPC）處理器配對，中介層是薄型中間基板，實現處理器與內存堆疊之間極密集、高速的連接，以極低延遲與功耗傳輸數千信號。

HBM 系統中，處理器裸片與一個或多個堆疊 DRAM 裸片在 2.5D 封裝內并排置于中介層上，提供普通 PCB 難以實現的超細布線與微凸點連接。結果就是 HBM 聞名的寬位高帶寬接口 —— 計算芯片與內存之間互連路徑短，相比傳統片外內存路由，吞吐量巨大且能效更佳。

優點

單堆疊帶寬無與倫比：單封裝可達數百 GB/s；

能效出色：每比特能耗（通常以皮焦為單位）低于傳統 DDR/GDDR；

緊湊高密度：3D 堆疊節省空間，支持高性能板卡。

缺點

成本與復雜度極高：2.5D/TSV 封裝與中介層增加制造成本；

容量低于標準 DRAM：專注高吞吐量而非超大容量。

典型應用

AI 加速器（GPU、TPU）與高性能計算。

小結：DRAM 類型對比

SRAM — 靜態隨機存取存儲器

靜態隨機存取存儲器（SRAM）是一種易失性存儲器，但在現代計算中因其速度、可預測性與易用性占據特殊地位。盡管它不是最大或最便宜的存儲器，但其獨特特性使其在性能至上的系統中不可或缺，即便在其他方面代價高昂。

SRAM 是什么，如何工作

與 DRAM 用電容電荷存儲數據并需要定期刷新不同，SRAM 使用晶體管網絡構成觸發器保存每比特數據。典型 SRAM 單元每比特使用 6 個晶體管（常稱 6T 單元），只要供電就能穩定鎖存 0 或 1，無需刷新操作。

這種 “靜態” 特性正是其名稱來源：比特寫入后保持不變，直到被顯式覆蓋或斷電。

SRAM 關鍵特性

SRAM 設計帶來獨特性能表現：

訪問速度快：讀寫可在個位數納秒完成，比 DRAM 數十納秒快一個數量級；

無需刷新：數據保存在觸發器而非電荷中，無需刷新周期，大幅降低延遲與后臺維護能耗；

動態功耗低：無刷新開銷，頻繁訪問時動態功耗更低，對緩存與高速邏輯非常有利；

時序可預測：無不可預測的刷新活動，延遲確定，對實時應用至關重要；

易失性：與大多數 RAM 一樣，斷電數據全失。

SRAM 優點

高速低延遲：晶體管單元使其成為常用最快存儲器之一，訪問近乎即時，適合要求快速響應的應用；

無刷新開銷：不像 DRAM 需要暫停刷新，數據靜態保存，無需額外電路與功耗；

對性能關鍵邏輯高效：可預測時序與快速訪問提升整體吞吐量，尤其在一致性性能重要場景；

待機功耗更低：讀密集與空閑場景下，無需持續刷新，整體功耗可能低于 DRAM。

SRAM 缺點

每比特成本高：每比特需多個晶體管，制造成本遠高于 DRAM 與閃存，大容量存儲不現實；

密度低：多晶體管單元使每比特硅片面積更大，相同容量下密度更低、裸片更大；

易失性：無電不保存數據，長期存儲需電池或備份機制；

先進工藝漏電：雖無刷新開銷，但先進低漏工藝（如深亞微米設計）仍有待機漏電流，削弱部分能效優勢。

典型應用

因其速度與可預測性，SRAM 用于性能重于容量的場景：

CPU 與 GPU 高速緩存：L1、L2、L3 緩存首選，靠近核心最小化訪問延遲；

寄存器文件與小型緩沖器：處理器與專用邏輯塊內部的小型高速本地存儲器；

實時與嵌入式系統：網絡設備、控制系統等時序確定性重要場景，無刷新與低延遲優勢巨大；

高速網絡硬件：路由器與交換機中的數據包緩沖，快速排隊轉發流量；

ASIC/FPGA 塊 RAM：專用集成電路（ASIC）與現場可編程門陣列（FPGA）嵌入 SRAM 塊，作為可配置片上 / 暫存存儲器，支持靈活邏輯設計。

總結

SRAM 的核心是速度與響應性。靜態晶體管設計實現極快、可預測訪問且無刷新開銷，代價是密度低、每比特價格高。因此，它是 CPU/GPU 緩存與高速緩沖等性能關鍵角色的首選存儲器，盡管不適合消費設備大容量存儲。

閃存

閃存是一種非易失性固態存儲器，斷電后仍保留數據。早期非易失性存儲（如 EEPROM）奠定基礎，但閃存由東芝舛岡富士雄在 1980 年代開創，實現大規模、低成本電可擦除與重編程。

與斷電丟失數據的 DRAM、SRAM 等易失性存儲器不同，閃存通過在浮柵金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）上捕獲電荷存儲信息。這種設計無需機械部件即可保存數據，比傳統機械硬盤更快更可靠，同時耐用且能效高。

隨著技術演進，出現兩大閃存家族：或非（NOR）與與非（NAND）。兩者均基于浮柵單元，但架構、性能與理想應用場景不同。

NOR 與 NAND：區別何在

閃存名稱源于單元互連的邏輯結構：

NOR 閃存模擬或非（并聯）連接，支持對單個地址直接隨機訪問；

NAND 閃存采用與非（串聯）結構，強調高密度與高效塊操作，而非單字節訪問。

這一架構差異對性能、成本與典型應用影響重大。

NOR 閃存

優點

隨機訪問快：支持字節級快速讀取，適合直接從閃存執行代碼（XIP）；

讀取可靠：并聯單元使字節級讀取簡單低延遲；

耐用性更高：小容量下數據保持與壽命通常優于 NAND。

缺點

存儲密度低：并聯設計占用更多芯片面積，單芯片最大容量受限；

擦寫慢：大規模擦寫慢于 NAND；

每比特成本高：單元尺寸大、密度低，價格高于 NAND。

典型應用

固件與啟動 ROM（BIOS/UEFI），需就地執行；

代碼量小的嵌入式系統與微控制器；

要求可靠隨機訪問與長期數據保持的系統。

NAND 閃存

優點

高密度：串聯架構使單芯片容量更大、成本更低；

擦寫高效：以大塊操作，批量寫入與擦除更快；

每比特成本低：規模效應與緊湊單元布局極具成本效益。

缺點

隨機訪問慢：頁 / 塊導向訪問，隨機讀取慢于 NOR；

管理復雜：需要復雜的錯誤校正（ECC）、磨損均衡與壞塊管理；

單元耐用性較低：雖 SLC/MLC/TLC/QLC 等新一代提供不同權衡，但小控制代碼場景通常不如 NOR。

典型應用

大容量存儲：SSD、存儲卡、U 盤、手機內置存儲；

重視密度與成本的大容量媒體與文件存儲；

需求可擴展存儲的消費設備與云存儲。

NAND 閃存單元類型：SLC、MLC、TLC、QLC

NAND 閃存中，每個單元通過不同電壓電平捕獲電荷存儲數據。單元內比特越多，所需電壓電平越多，讀寫越復雜且易出錯。因此存在多種單元結構，每單元存儲比特數不同：

SLC（單級單元）：每單元 1 比特 —— 最簡單、最穩健；

MLC（多級單元）：每單元 2 比特 —— 成本與性能折中；

TLC（三級單元）：每單元 3 比特 —— 密度很高；

QLC（四級單元）：每單元 4 比特 —— 當前主流最高密度。

一般來說，從 SLC ? MLC ? TLC ? QLC 的過程中，你會遇到以下權衡取舍：

存儲密度上升（單芯片容量更大）；

每 GB 成本下降；

耐用性（寫入次數）下降；

原始性能（尤其寫入速度）趨于下降。

小結：閃存對比 — NOR vs NAND

存儲器層次結構與實際權衡

如前文所述，沒有任何一種存儲器技術能完美勝任所有任務。現代計算機（包括手機、平板等移動設備）采用多層次存儲器架構，平衡四大核心因素：速度、成本（能耗與金錢）、容量、斷電是否保留數據。層次頂端是靠近處理芯片（CPU、GPU、TPU 等）的小容量高速易失性存儲器，向下則是容量更大、速度更慢，最終用于長期存儲的非易失性存儲器。這種布局發揮每種技術的優勢，彌補短板：SRAM 與 DRAM 等高速昂貴存儲器作為處理器即時工作區，ROM 與閃存等持久技術提供可靠長期數據存儲。這種組織方式使系統在實時計算響應迅速的同時，為大數據集與代碼提供持久存儲。

下表總結各現代計算機存儲器的相關特性：

未來趨勢

隨著人工智能、云端數據中心、物聯網設備等數據密集型應用推動現代計算需求暴漲，當今主流存儲器技術的局限日益明顯。因此，半導體行業正積極研究下一代存儲器技術，包括模糊存儲與工作內存界限、提升能效，或從根本上重新定義比特存儲與訪問方式。

Z 角存儲器（ZAM）

備受關注的新興技術之一是 Z 角存儲器，由英特爾與軟銀旗下 SAIMEMORY 合作開發的全新堆疊內存架構。旨在挑戰當前高帶寬內存（HBM），提供更高密度、更大帶寬與更佳能效，解決 AI 加速器（GPU、TPU）與高性能計算平臺的內存瓶頸。早期開發目標 2029–2030 年商業化，行業活動展示原型標志著主流廠商重回內存創新。

磁阻 RAM（MRAM）

MRAM 用磁性而非電氣狀態存儲數據，兼具非易失性、低延遲與高耐用性。STT?MRAM（自旋轉移矩）與 SOT?MRAM（自旋軌道矩）等變體將性能推向 SRAM 級別速度，同時保留閃存持久性。近期使用鎢層的突破實現約 1 納秒開關速度，預示 MRAM 未來可作為超高速非易失性工作內存，壽命比閃存高數個數量級。

阻變 RAM（ReRAM/RRAM）

阻變隨機存取存儲器（ReRAM）利用介電材料電阻變化表示比特。單元結構簡單、編程電壓低、開關速度快、10 納米以下工藝可擴展性優秀，有望實現超高密度非易失存儲。部分行業合作（如 Weebit Nano 與德州儀器）顯示嵌入式與物聯網設備商用 ReRAM 即將落地，其適用于模擬與存內計算，成為下一代 AI 加速器與邊緣計算候選。

相變存儲器（PCM）

相變存儲器（PCM）通過熱量使硫系材料在非晶與晶態間切換，延遲遠低于 NAND 閃存，耐用性更好。可利用多個中間狀態實現多比特存儲，且無需 DRAM 式刷新。盡管材料與能耗挑戰仍存，研究持續提升寫入效率與可擴展性，成為性能與持久性介于 DRAM 與閃存之間的存儲級內存候選。

鐵電與納米 RAM 方案

其他實驗技術以新方式結合非易失性、速度與耐用性。鐵電閃存（FeNAND / 基于 FeFET 的閃存）將鐵電極化融入類 NAND 結構，相比傳統電荷陷阱閃存降低功耗、提升壽命與速度。同時，基于碳納米管的納米 RAM（NRAM）等概念承諾 DRAM 級速度、非易失性與潛在超高密度。這些技術尚處早期，但顯示材料科學與器件工程可能推動現有架構大幅進步。

結語

存儲器并非計算機中的單一組件，而是由多樣技術構成的復雜生態，每種技術都在速度、持久性、成本與容量之間做出不同權衡。本文梳理了現代存儲器四大支柱：ROM、DRAM、SRAM 與閃存，展示了它們如何各自發揮獨特作用，讓計算機高效運行。

這四種存儲器共同揭示了計算設計的核心真理：沒有任何一種技術能在所有指標上表現優異，因此系統采用層次化架構，發揮每種技術優勢，彌補短板。從 ROM 中微小的固件，到閃存里 TB 級數據，從 SRAM 的極速響應，到 DRAM 的廣闊工作區，每一種存儲器都在我們日常使用的系統性能與能力中扮演關鍵角色。

展望未來創新 —— 從新興非易失 RAM 到先進堆疊架構 —— 性能、持久性與成本之間的協同，將繼續塑造存儲器演進與下一代計算設備的構建方式。

https://wccftech.com/deep-dive-modern-computer-memory-rom-dram-sram-flash/

（來源：Wccftech ）

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