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一提到“存儲器”，相信很多朋友都會想到計算機。是的，在計算機的組成結構中，有一個很重要的部分，就是存儲器。存儲器是用來存儲程序和數據的部件，對于計算機來說，有了存儲器，才有記憶功能，才能保證正常工作。存儲器的種類很多，按其用途可分為主存儲器和輔助存儲器，主存儲器又稱內存儲器(簡稱內存)，輔助存儲器又稱外存儲器(簡稱外存)。外存通常是磁性介質或光盤，像硬盤，軟盤，磁帶，CD等，能長期保存信息，并且不依賴于電來保存信息，但是由機械部件帶動，速度與CPU相比就顯得慢的多。內存指的就是主板上的存儲部件，是CPU直接與之溝通，并用其存儲數據的部件，存放當前正在使用(即執行中)的數據和程序，它的物理實質就是一組或多組具備數據輸入輸出和數據存儲功能的集成電路，內存只用于暫時存放程序和數據，一旦關閉電源或發生斷電，其中的程序和數據就會丟失。

其中，在計算機中，RAM 、ROM都是數據存儲器。RAM 是隨機存取存儲器，它的特點是易揮發性，即掉電失憶。ROM 通常指固化存儲器(一次寫入，反復讀取)，它的特點與RAM 相反。舉個例子來說也就是，如果突然停電或者沒有保存就關閉了文件，那么ROM可以隨機保存之前沒有儲存的文件但是RAM會使之前沒有保存的文件消失。所以，本章節要跟大家分享的就是關于“隨機存取存儲器（RAM）”相關的內容，如有不對或是遺漏之處，還希望大家多多批評指正。

一、隨機存取存儲器（RAM）的概述

隨機存取存儲器，英文全稱：Random Access Memory，簡稱RAM，也叫主存。是計算機和其他電子設備中用于存儲數據的一種半導體存儲器。它允許數據在任何時間被讀取或寫入，因此被稱為“隨機存取”。RAM是計算機運行時的主要存儲器，因為它提供了快速的數據訪問速度，這對于執行程序和處理數據至關重要。

同時，它還可以隨時讀寫(刷新時除外)，而且速度很快，通常作為操作系統或其他正在運行中的程序的臨時數據存儲介質。RAM工作時可以隨時從任何一個指定的地址寫入(存入)或讀出(取出)信息。它與ROM的最大區別是數據的易失性，即一旦斷電所存儲的數據將隨之丟失。RAM在計算機和數字系統中用來暫時存儲程序、數據和中間結果。

二、隨機存取存儲器（RAM）的特點

1、快速訪問速度

RAM的訪問時間非常短，通常在納秒級別，這使得它能夠快速響應CPU的指令和數據請求。

2、易失性

RAM是一種易失性存儲器，這意味著一旦斷電，存儲在其中的數據就會丟失。這與硬盤驅動器（HDD）或固態驅動器（SSD）等非易失性存儲器形成對比。

3、隨機存取能力

與順序存取存儲器（如磁帶）不同，RAM允許隨機存取，即可以直接訪問存儲器中的任何位置，而無需先讀取前面的數據。

4、動態和靜態之分

RAM可以分為動態RAM（DRAM）和靜態RAM（SRAM）。DRAM需要定期刷新電荷以保持數據，而SRAM不需要刷新，因此速度更快，但成本也更高。

5、容量

RAM的容量可以從幾百KB到數GB不等，取決于應用的需求和成本考慮。

6、成本

與其他類型的存儲器相比，RAM的成本相對較高，尤其是對于大容量的RAM。

7、可擴展性

RAM可以通過添加更多的內存模塊來擴展容量。

8、多任務處理

RAM允許計算機同時運行多個程序，因為它可以存儲多個程序的數據。

9、數據完整性

RAM在正常使用條件下不會發生數據損壞，除非發生硬件故障。

10、與CPU的直接交互

RAM直接與CPU交互，因此它的速度對于整個系統的運行速度至關重要。

三、隨機存取存儲器（RAM）的組成部分

隨機存取存儲器（RAM）由存儲矩陣、地址譯碼器、讀/寫控制器、輸入/輸出、片選控制等幾部分組成：

1、存儲矩陣

隨機存取存儲器（RAM）的核心部分是一個寄存器矩陣，用來存儲信息，稱為存儲矩陣。

2、地址譯碼器

地址譯碼器的作用是將寄存器地址所對應的二進制數譯成有效的行選信號和列選信號，從而選中該存儲單元。

3、讀/寫控制器

訪問隨機存取存儲器（RAM）時，對被選中的寄存器進行讀操作還是進行寫操作，是通過讀寫信號來進行控制的。讀操作時，被選中單元的數據經數據線、輸入/輸出線傳送給CPU(中央處理單元);寫操作時，CPU將數據經輸入/輸出線、數據線存入被選中單元。

4、輸入/輸出

隨機存取存儲器（RAM）通過輸入/輸岀端與計算機的CPU交換數據，讀出時它是輸岀端，寫入時它是輸入端，一線兩用。由讀/寫控制線控制。輸入/輸出端數據線的條數，與一個地址中所對應的寄存器位數相同，也有的隨機存取存儲器（RAM）芯片的輸入/輸出端是分開的。通常隨機存取存儲器（RAM）的輸出端都具有集電極開路或三態輸出結構。

5、片選控制

由于受隨機存取存儲器（RAM）的集成度限制。一臺計算機的存儲器系統往往由許多隨機存取存儲器（RAM）組合而成。CPU訪問存儲器時，一次只能訪問隨機存取存儲器（RAM）中的某一片(或幾片)，即存儲器中只有一片(或幾片)隨機存取存儲器（RAM）中的一個地址接受CPU訪問，與其交換信息，而其他片隨機存取存儲器（RAM）與CPU不發生聯系，片選就是用來實現這種控制的。通常一片隨機存取存儲器（RAM）有一根或幾根片選線，當某一片的片選線接入有效電平時，該片被選中，地址譯碼器的輸出信號控制該片某個地址的寄存器與CPU接通;當片選線接入無效電平時，則該片與CPU之間處于斷開狀態。

四、隨機存取存儲器（RAM）的類型

1、動態隨機存取存儲器（DRAM）

a.DRAM的介紹

內存是計算機運行的基礎。當與CPU結合使用時，可以運行指令集（程序）和存儲工作數據。隨機存取存儲器（RAM）是眾所周知的存儲器類型，因為它能夠以大致相同的時間延遲訪問存儲器中的任何位置。動態隨機存取存儲器（DRAM）是一種特定類型的隨機存取存儲器，它允許以較低的成本獲得更高的密度。筆記本電腦和臺式機中的內存模塊使用DRAM。

b.工作原理

DRAM使用電容存儲數據，每個單元由一個晶體管和一個電容組成。由于電容會逐漸放電，因此需要定期刷新。

其實，DRAM是由RobertDennard于1966年在IBM發明，其工作原理與其他類型的內存大不相同。DRAM中的基本存儲單元由兩個元件組成：晶體管和電容器。當需要將一個位放入存儲器時，晶體管用于對電容器充電或放電。充電電容表示邏輯高或“1”，而放電電容表示邏輯低或“0”。充電/放電通過字線和位線完成，如下圖所示：

在讀或寫期間，字線變高，晶體管將電容器連接到位線。位線上的任何值（“1”或“0”）都會從電容器中存儲或檢索。存儲在每個電容器上的電荷太小而無法直接讀取，而是由稱為感測放大器的電路測量。傳感器放大器檢測電荷的微小差異并輸出相應的邏輯電平。從位線讀取的動作迫使電荷流出電容器。因此，在DRAM中，讀取是破壞性的。為了解決這個問題，需要進行一種稱為預充電的操作，將從位線讀取的值放回電容器中。

同樣有問題的是，隨著時間的推移，電容器會泄漏電荷。因此，為了保持存儲在內存中的數據，必須定期刷新電容器。刷新就像讀取一樣，確保數據永不丟失。這就是DRAM從DRAM單元上的電荷獲得“動態”名稱的地方，每隔一段時間就會動態刷新一次。與SRAM（靜態RAM）形成對比，后者不需要刷新就可以保持其狀態。

c.應用

由于成本較低，DRAM廣泛應用于個人電腦、服務器和大多數需要大容量內存的設備中。

d.刷新機制

DRAM需要定期刷新，以防止數據丟失。

2、靜態隨機存取存儲器（SRAM）

a.工作原理

SRAM使用觸發器（通常是雙穩態電路）存儲數據，不需要刷新。

b.應用

SRAM通常用于高速緩存（如CPU緩存）和某些嵌入式系統中，因為它的訪問速度比DRAM快。

c.成本

SRAM的成本比DRAM高，因為它的制造過程更復雜。

3、同步動態隨機存取存儲器（SDRAM）

a.工作原理

SDRAM是一種改進的DRAM，它通過同步時鐘信號與系統總線同步，以提高數據傳輸速度。

b.應用

SDRAM曾廣泛用于個人電腦和服務器，但隨著DDR RAM的出現，SDRAM的使用逐漸減少。

4、雙倍數據速率同步動態隨機存取存儲器（DDR SDRAM）

a.工作原理

DDR SDRAM在每個時鐘周期內傳輸兩次數據，從而實現雙倍的數據傳輸速率。

b.應用

DDR SDRAM及其后續版本（如DDR2、DDR3、DDR4）是目前個人電腦和服務器中使用最廣泛的RAM類型。

5、圖形隨機存取存儲器（VRAM）

a.工作原理

VRAM是一種特殊類型的DRAM，它具有雙端口訪問能力，允許同時進行數據讀取和寫入。

b.應用

VRAM主要用于圖形處理，如圖形卡和視頻處理設備。

6、WRAM（Windows RAM）

a.工作原理

WRAM是一種特殊類型的RAM，它結合了DRAM和SRAM的特點，用于特定應用，如便攜式設備的內存。

b.應用

WRAM因其低功耗和快速訪問速度，適用于需要長時間電池供電的設備。

五、隨機存取存儲器（RAM）應用知識分享

以下是本章節主要跟大家分享的關于隨機存取存儲器（RAM）應用方面的內容：

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六、主流存儲器技術的發展現狀

半導體存儲器可以簡單分成易失性存儲器和非易失性存儲器，易失存儲器在過去的幾十年里沒有特別大的變化，依然是以靜態隨機存取存儲器SRAM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)為主，非易失存儲器反而不斷有新的技術出來。除了主流的電荷捕獲(charge trap)存儲器外，還有鐵電存儲器(FRAM)、相變存儲器(PRAM)、磁存儲器(MRAM)和阻變存儲器(RRAM)

鐵電存儲器與DRAM類似，是基于電荷存儲機制，傳統的鐵電存儲器由于存在微縮化的問題，僅僅在0.13um節點以上，在RFID、汽車電子等小眾市場(niche market)上實現了產品化。

新型的非易失存儲器PRAM、MRAM和RRAM主要通過器件電阻的變化來存儲信息。

主流的存儲器最重要市場份額有兩大類DRAM和NAND閃存。圖1給出了其市場的分布，目前DRAM行業基本上被三星、海力士和美光三家壟斷，大概占了全球市場的95%，NAND市場的壟斷情況更為嚴重，三星、東芝/閃迪、美光、海力士幾乎壟斷了整個NAND市場，占了全球市場的99.2%。

從技術的角度來看，DRAM發展過程中研究者也做了很多其他嘗試，例如嘗試capacitorlessDRAM，但遺憾的是都沒有成功，目前DRAM依然是一個選通晶體管加一個Capacitor的結構。

在不斷微縮的過程中，選通晶體管可以像邏輯工藝一樣做，但Capacitor做起來非常難，所以DRAM現在到了1Xnm向1Ynm轉變的過程遇到了非常大的挑戰。目前，大容量、高帶寬、低功耗、低成本，是DRAM發展的一個趨勢，可以考慮從模塊封裝的角度做一些工作。國內整體長期以來沒有在存儲器里做太多的投入，但也有個別企業通過裝機和試產階段，均在平穩發展中。

所以，目前來說，NAND技術發展現狀主要有以下兩個方面:

1、2DNAND工藝已經邁入1znm階段，三星14 nm、東芝12 nm、SK海力士13 nm、美光15nm已于2015年宣布量產;

2、由于2D NAND縮放受限，自2014年開始，3D NAND技術進入市場，目前Samsung和WD/Sandisk均已量產64層/512Gb的3DNAND，計劃量產96層3D NAND。

七、新型存儲器技術的發展現狀

1、磁存儲器(MRAM)

所有的新型存儲器都是從凝聚態物理基礎研究演變而來。MRAM(magnetic random accessmemory)最早是由巨磁阻效應發展而來，磁科學家研究發現可以在很薄的一個磁性隧道結里展現出磁阻效應，并且在很小的磁場下會有一個巨大的電阻變化。基本原理如圖示:這是一個固定層，自旋方向是固定的，中間是遂穿層，如果自由層的自旋方向與固定層一致，整個隧道結磁阻就比較小，反之磁阻就大，外加電場撤掉后，狀態依然維持，所以可以用于非易失存儲。磁存儲器有其他存儲器無法抗衡的優點，疲勞特性好、速度快，當然也存在一些問題，例如傳統的MRAM需要一個特別大的磁場。由磁場驅動轉向更高性能的電流驅動(STT-MRAM)，臨界電流密度和功耗仍需進一步降低，電控磁化反轉是目前研究熱點。目前全球工業界給予MRAM很多關注，美國、歐洲、日本和韓國等政府及公司巨資投入開發，并依靠工藝突破保持技術領先，包括IBM.Seagate、WD、Headway、TDK、 Toshiba.Samsung、Honeywell、Sony、Toshiba等公司。

2、相變存儲器:(PRAM)

相變存儲器(phase-change random accessmemo，PRAM)，是一種新興的非易失性存儲器技術。相變存儲材料在加熱的情況下可以在晶態和非晶態之間轉變，實現在高阻態和低阻態的可逆轉變工業界對該項技術也投入了很大的力量，但非常遺憾，在平面的獨立式存儲上沒有獲得成功。2015年Intel和美光推出的3D Xpoint技術，為PRAM的量產帶來了新的生機，被譽為20年來存儲器領域革命性的新技術，揭開了存儲器層次架構演變的新篇章，對于計算機系統的重構與優化具有深遠的影響。與DRAM相比，3D X-point不需要刷新，另外DRAM的讀取過程是破壞性的，電荷會丟失，在讀操作后需要重新寫入數據，但3D X-point不需要，雖然速度慢一些，但比NAND快很多，同時它的密度又比DRAM大，幾乎可以與NAND相抗衡:

遺憾的是，3D X-point采用是平面堆疊的方式，不像3D NAND的垂直堆疊架構，與之帶來的就是高成本，這也是3D X-point技術進一步發展的局限性。另外，相變材料基本的原理，就是要在熱的作用下發生晶態和非晶態的轉變，所以它對溫度非常敏感，在高溫環境中的可靠性問題是一個挑戰。

3、阻變式存儲器(RRAM)

有關阻變式存儲器(resistive random accessmemory，RRAM)的第一篇論文也很早，JAP上有一篇文章是關于所謂電阻效應的工作，但并沒有引起多少關注，因為跟巨磁阻效應相比，它的物理重要性并沒有那么大。但在2000年的時候，休斯公司把一個專利賣給了夏普公司，由此引發RRAM研究熱潮隨后學術界和工業界都在這方面開展了廣泛的研究工作，RRAM技術得到了快速發展，

同時RRAM作為嵌入式存儲器已經在一些領域得到應用，特別是到22 nm節點以后，eFlash在嵌入式應用面臨挑戰，基于后段工藝集成的新型存儲器RRAM、MRAM將成為嵌入式存儲的主要技術方案。臺積電2017年就宣布，2019年開始在嵌入式應用里，RRAM和MRAM都將試產。

目前來看，這兩個技術(MRAM、RRAM)在嵌入式應用里的相對來說更有可能進入量產。新型存儲器現在可能還找不到能夠像當年的3D NAND或NAND的應用場景，但的確他們有各自的優勢和勢找到自己的應用。

八、非易失（Non-Volatile）存儲器發展趨勢

傳統的閃存技術獲得巨大成功，但隨著器件尺寸的不斷縮小，遂穿層厚度難以同步減小。如下圖所示，未來非易失存儲器有以下兩種不同的技術發展路線：

1、將導電的多晶硅存儲層換成分布式的存儲介質，這樣可以降低對阻擋層厚度的要求，能夠把電子禁錮在存儲層里，這種技術叫電荷俘獲存儲。

2、拋棄原有結構，采用兩端器件作為基本存儲單元。

而在集成架構方面，獨立式存儲如果無法實現三維集成，集成密度將無法提升。電荷俘獲存儲器是3D NAND的基礎器件，實現了三維集成。同樣的道理，新型存儲器如何無法實現三維集成將很難在獨立市場上得到應用，三維集成是高密度存儲器發展的主要方向。

九、磁阻隨機存取存儲器（MRAM）的介紹

其實在本章節講到“磁阻隨機存取存儲器（MRAM）”是屬于一個題外話，但因為上面講到非易失性（Non-Volatile）存儲，所以就不得不講到這個了。

因為伴隨著物聯網、人工智能等應用的興起，存儲器也面臨著革新。傳統的DRAM受限于EUV的發展，平面NAND也面臨著微縮的限制，而最終采取垂直方向上朝著3D方向發展。在傳統存儲技術接受挑戰的過程中，類似于MRAM等新型存儲技術也開始逐漸在市場上嶄露頭角。

據相關資料介紹，磁阻隨機存取存儲器MRAM（Magnetic Random Access Memory） 是一種非易失性（Non-Volatile）的磁性隨機存儲器。MRAM擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。

與傳統的RAM技術不同，MRAM不以電荷或電流存儲數據，而是由磁性隧道結MTJ （Magnetic tunnel junction）磁性存儲數據。MTJ 是MRAM的基本存儲單元，其核心部分是由兩個鐵磁金屬層（典型厚度為1~2.5nm）夾著一個隧穿勢壘層（絕緣材料，典型厚度為1~1.5nm）構成類似于三明治結構的納米多層膜。其中一個鐵磁層被稱為參考層或固定層，它的磁化沿易磁化軸方向固定不變。另一個鐵磁層被稱為自由層，它的磁化有兩個穩定的取向，分別與參考層平行或反平行。

MRAM中記憶單元MTJ則是由多層的磁性、氧化物、金屬等薄膜所構成。MTJ產生記憶單元所需磁矩的物理特性，則是由磁性薄膜與氧化層的界面效應所決定，MTJ的元件表現深受薄膜質量所影響。

對于MTJ薄膜的研究可追溯至1975年，當年，法國學者Julliere在低溫下成功觀測到隧穿磁阻效應（自由層的取向將使磁隧道結處于低阻態或高阻態，該現象被稱為隧穿磁阻效應），但在當時并未引起較多的關注，此后的研究進展也極其緩慢，原因是當時的工藝水平難以制備出高質量的納米薄膜。

而今，伴隨著人工智能的應用，使得存儲技術需要更進步一發展。在非易失性存儲器、邏輯電路和神經形態計算等應用驅動下，存儲器得到了廣泛的研究，MRAM也是未來存儲發展的方向之一。而在這個過程中，高質量薄膜的制備又重新被人們所重視。

在這當中，氧化物半導體薄膜充當了重要角色。為什么要摻雜氧化物？氧化物半導體材料的平衡組成因氧的壓力改變而改變，氧原子濃度決定其導電的類型。由于金屬和氧之間的負電性差別較大，化學鍵離子性成分較強，破壞這樣一個離子鍵要比共價鍵容易，使它含有的點缺陷濃度較大，所以化學計量比偏離對材料的電學性質影響也大。如化學計量比偏離缺氧時（或金屬過剩時），則此氧化物半導體材料即呈現n型，此時氧空位或間隙金屬離子形成施主能級而提供電子，屬于此類半導體材料的有ZnO、CdO、TiO2、Al2O3、SnO等。

正離子n-p對在氧化物中的磁化機理可解釋為，兩個磁性摻雜劑可以在氧空位周圍穩定，并且被鐵磁耦合以形成局部磁極化子。 此外，電子摻雜起到雙重作用，即進一步增強局部極化子的鐵磁穩定性，并介導兩個極化子之間的非局域磁耦合。

以陽離子負離子n-p（V-N）共摻雜ZnO薄膜為例，V4 +和V5 +共存是n型摻雜劑以取代Zn2 +，N3-作為p型摻雜劑代替O2-。這是在氧化物中固定的非常有效的方法。

十、總結一下

總之，隨機存取存儲器（RAM）是計算機系統中至關重要的組件之一。它具有快速、可靠和隨機訪問的特點，并且廣泛應用于各種類型的計算機和設備中。

而存儲器應用廣泛，市場非常龐大，又是國家戰略性高技術產業。新的存儲技術層出不窮，在新型存儲器研究方面，國內的基礎研究走在了前列，也希望基礎研究的優勢能夠轉化成未來產業發展的優勢，抓住存儲器技術發展多元化的新機遇及國家大力發展存儲器產業的契機，實現突破。兼顧自主創新和國際合作兩者要有一個共贏的模式;同時在產業發展的新形勢下更要注重原始創新;鼓勵原始創新/技術突破，開展共性基礎研究為產業自主發展奠定基礎。中國最大的優勢就是市場需求，面向中國市場需求是創新跨越的新機遇，實現存儲器技術的跨越式發展。

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審核編輯 黃宇