半導(dǎo)體存儲(chǔ)器科普|從內(nèi)存、存儲(chǔ)器看國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)HMI芯片Model4性能

Model4芯片是一款高性能的全高清顯示和智能控制SOC，采用國(guó)產(chǎn)自主 64 位高算力 RISC-V 內(nèi)核，提供了豐富的互聯(lián)外設(shè)接口，具備大容量存儲(chǔ)和極強(qiáng)的擴(kuò)展性。片內(nèi)存儲(chǔ)BROM 32KB、SRAM 96KB以及DRAM SiP 16bit KGD（兩種規(guī)格可選：DDR2 512Mb、 DDR3 1Gb），存儲(chǔ)接口QSPI 支持 SPI NAND Flash / SPI Nor Flash，支持eMMC5.0接口。

如此多的存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)接口，究竟有何區(qū)別？本文將以半導(dǎo)體存儲(chǔ)類(lèi)型為主線，帶大家了解各個(gè)存儲(chǔ)器的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及聯(lián)系。

一、半導(dǎo)體存儲(chǔ)分類(lèi)

在介紹之前，我們先看一張圖，以便理解。

現(xiàn)代存儲(chǔ)技術(shù)，概括起來(lái)分為三部分：磁性存儲(chǔ)（磁帶、軟盤(pán)等）、光學(xué)存儲(chǔ)（DVD、藍(lán)光光盤(pán)等）、半導(dǎo)體存儲(chǔ)。我們今天要介紹的就是以“半導(dǎo)體集成電路”作為存儲(chǔ)媒介的存儲(chǔ)器——半導(dǎo)體存儲(chǔ)。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)主要分為易失性（VM）存儲(chǔ)器與非易失性（NVM）存儲(chǔ)器。

（一）易失性存儲(chǔ)器（VN）

易失性存儲(chǔ)器主要分為DRAM和SRAM兩種。

1.DRAM

DRAM由許多重復(fù)的位元格（Bit Cell）組成，每一個(gè)基本單元由一個(gè)電容和一個(gè)晶體管構(gòu)成（又稱(chēng)1T1C結(jié)構(gòu)）。電容中存儲(chǔ)電荷量的多寡，用于表示“0”和“1”。而晶體管，則用來(lái)控制電容的充放電。

由于電容會(huì)存在漏電現(xiàn)象。所以，必須在數(shù)據(jù)改變或斷電前，進(jìn)行周期性“動(dòng)態(tài)”充電，保持電勢(shì)。否則，就會(huì)丟失數(shù)據(jù)。因此，DRAM才被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)”隨機(jī)存儲(chǔ)器。

DRAM一直是計(jì)算機(jī)、手機(jī)內(nèi)存的主流方案。計(jì)算機(jī)的內(nèi)存條（DDR）、顯卡的顯存（GDDR）、手機(jī)的運(yùn)行內(nèi)存（LPDDR），都是DRAM的一種。（DDR基本是指DDR SDRAM，雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。）

2.SRAM

SRAM是CPU緩存所使用的技術(shù)，它的架構(gòu)相較于DRAM要復(fù)雜很多。

SRAM的基本單元，則最少由6管晶體管組成：4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（M1, M2, M3, M4）構(gòu)成兩個(gè)交叉耦合的反相器，2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（M5, M6）用于讀寫(xiě)的位線（Bit Line）的控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)這些場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成一個(gè)鎖存器（觸發(fā)器），并在通電時(shí)鎖住二進(jìn)制數(shù)0和1。因此，SRAM被稱(chēng)為“靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器”。

SRAM不需要定期刷新，響應(yīng)速度非?？?，但價(jià)格昂貴，用于CPU的一級(jí)緩沖、二級(jí)緩沖。Model4中也有SRAM，具備96KB的SRAM，用于程序運(yùn)行時(shí)變量、堆棧的暫存等，非常適用于需要大量數(shù)據(jù)計(jì)算的場(chǎng)合。

（二）非易失性存儲(chǔ)器（NVM）

非易失性存儲(chǔ)器產(chǎn)品的技術(shù)路線比較多，早起NVM的發(fā)展可以簡(jiǎn)要概括為下圖：

早期的這些NVM要不就是無(wú)法修改，要不就是修改方式都太慢。直到上世紀(jì)80年代，日本東芝的技術(shù)專(zhuān)家——舛岡富士雄，發(fā)明了一種全新的、能夠快速進(jìn)行擦除操作的存儲(chǔ)器，也就是——Flash（閃存）。

Flash存儲(chǔ)是以“塊”為單位進(jìn)行擦除的。常見(jiàn)的塊大小為128KB和256KB。1KB是1024個(gè)bit，比起EEPROM按bit擦除，快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，F(xiàn)LASH的主流代表產(chǎn)品也只有兩個(gè)，即：NOR Flash和NAND Flash。

1. NOR Flash

NOR Flash屬于代碼型閃存芯片，其主要特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，Execute In Place），即應(yīng)用程序不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，而是可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行。

所以，NOR Flash適合用來(lái)存儲(chǔ)代碼及部分?jǐn)?shù)據(jù)，可靠性高、讀取速度快，在中低容量應(yīng)用時(shí)具備性能和成本上的優(yōu)勢(shì)。

但是，NOR Flash的寫(xiě)入和擦除速度很慢，而且體積是NAND Flash的兩倍，所以用途受到了很多限制，市場(chǎng)占比比較低。

近年來(lái)，NOR Flash的應(yīng)用有所回升，市場(chǎng)回暖。低功耗藍(lán)牙模塊、TWS耳機(jī)、手機(jī)觸控和指紋、可穿戴設(shè)備、汽車(chē)電子和工業(yè)控制等領(lǐng)域，使用NOR Flash比較多。

2. NAND Flash

NAND Flash屬于數(shù)據(jù)型閃存芯片，可以實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)。它基于浮柵晶體管設(shè)計(jì)，通過(guò)浮柵來(lái)鎖存電荷，由于浮柵是電隔離的，所以即使在去除電壓之后，到達(dá)柵極的電子也會(huì)被捕獲。這就是閃存非易失性的原理所在。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這類(lèi)設(shè)備中，即使斷電也不會(huì)丟失。

NAND Flash以頁(yè)為單位讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，以塊為單位擦除數(shù)據(jù)，故其寫(xiě)入和擦除速度雖比DRAM大約慢3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，卻也比傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(pán)快3個(gè)數(shù)量級(jí)，被廣泛用于eMMC/EMCP、U盤(pán)、SSD等市場(chǎng)。

相對(duì)于機(jī)械硬盤(pán)等傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)，采用NAND Flash 芯片的SD 卡、固態(tài)硬盤(pán)等存儲(chǔ)裝置沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，無(wú)噪音、壽命長(zhǎng)、功耗低、可靠性高、體積小、讀寫(xiě)速度快、工作溫度范圍廣，是未來(lái)大容量存儲(chǔ)的發(fā)展方向。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，NAND Flash 芯片將在未來(lái)得到巨大發(fā)展。

3. Nor Flash與NAND Flash的區(qū)別

二、eMMC與UFS

（一）eMMC

eMMC ( Embedded Multi Media Card) 采用統(tǒng)一的MMC標(biāo)準(zhǔn)接口， 把高密度NAND Flash以及MMC Controller封裝在一顆BGA芯片中。針對(duì)Flash的特性，產(chǎn)品內(nèi)部已經(jīng)包含了Flash管理技術(shù)，包括錯(cuò)誤探測(cè)和糾正，flash平均擦寫(xiě)，壞塊管理，掉電保護(hù)等技術(shù)。用戶(hù)無(wú)需擔(dān)心產(chǎn)品內(nèi)部flash晶圓制程和工藝的變化。同時(shí)eMMC單顆芯片為主板內(nèi)部節(jié)省更多的空間。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，eMMC=Nand Flash+控制器+標(biāo)準(zhǔn)封裝。

eMMC的整體架構(gòu)如下圖片所示：

eMMC 則在其內(nèi)部集成了 Flash Controller，用于完成擦寫(xiě)均衡、壞塊理、ECC校驗(yàn)等功能，讓 Host 端專(zhuān)注于上層業(yè)務(wù)，省去對(duì) NAND Flash 進(jìn)行特殊的處理。

eMMC具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.簡(jiǎn)化類(lèi)手機(jī)產(chǎn)品存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。

2.更新速度快。

3.加速產(chǎn)品研發(fā)速度。

它與NAND Flash有何區(qū)別？

(二)UFS

UFS：Univeral Flash Storage，我們可以將它視為eMMC的進(jìn)階版，是由多個(gè)閃存芯片、主控、緩存組成的陣列式存儲(chǔ)模塊。UFS彌補(bǔ)了eMMC僅支持半雙工運(yùn)行（讀寫(xiě)必須分開(kāi)執(zhí)行）的缺陷，可以實(shí)現(xiàn)全雙工運(yùn)行，所以性能得以翻番。

三、DDR、LPDDR

DDR全稱(chēng)Double Data Rate雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，嚴(yán)格的來(lái)講，DDR應(yīng)該叫DDR SDRAM。雖然美國(guó)固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)2018年宣布正式發(fā)布DDR5標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上最終的規(guī)范要到2020年才能完成，其目標(biāo)是將內(nèi)存帶寬在DDR4基礎(chǔ)上翻倍，速率3200MT/s起，最高可達(dá)6400MT/s，電壓則從1.2V降至1.1V，功耗減少30%。

LPDDR是在DDR的基礎(chǔ)上多了LP(Low Power)前綴,全稱(chēng)是Low Power Double Data Rate SDRAM，簡(jiǎn)稱(chēng)“低功耗內(nèi)存”是DDR的一種，以低功耗和小體積著稱(chēng)。目前最新的標(biāo)準(zhǔn)LPDDR5被稱(chēng)為5G時(shí)代的標(biāo)配，但目前市場(chǎng)上的主流依然是LPDDR3/4X。

DDR與LPDDR的區(qū)別：

四、eMCP與uMCP

eMCP是結(jié)合eMMC和LPDDR封裝而成的智慧型手機(jī)記憶體標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的MCP相較之下，eMCP因?yàn)橛袃?nèi)建的NAND Flash控制晶片，可以減少主晶片運(yùn)算的負(fù)擔(dān)，并且管理更大容量的快閃記憶體。以外型設(shè)計(jì)來(lái)看，不論是eMCP或是eMMC內(nèi)嵌式記憶體設(shè)計(jì)概念，都是為了讓智慧型手機(jī)的外型厚度更薄，更省空間。

uMCP是結(jié)合了UFS和LPDDR封裝而成的智慧型手機(jī)記憶體標(biāo)準(zhǔn)，與eMCP相比,國(guó)產(chǎn)的uMCP在性能上更為突出，提供了更高的性能和功率節(jié)省。

總結(jié)

綜上，我們能看到內(nèi)存和存儲(chǔ)器不斷地向著低功耗、高性能發(fā)展，也理解了各個(gè)內(nèi)存、存儲(chǔ)器的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。從而我們也能得出一個(gè)結(jié)論：Model4芯片充分融合了高性能內(nèi)存、存儲(chǔ)以及存儲(chǔ)接口，結(jié)合高響應(yīng)速度的96KB的SRAM以及64MB DDR2存儲(chǔ)，支持接入NAND Flash 和Nor Flash，支持eMMC5.0接口，具備高性能、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。