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存儲芯片，又稱為半導體存儲器，是一種能存儲大量二值信息的半導體器件。在電子計算機和其他眾多數字系統的工作過程中，都需要對大量的數據進行存儲，因此存儲器也就成為了這些系統不可缺少的組成部分。

存儲芯片存在多種類型，按照讀寫功能可分為隨機讀寫存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）兩大類，按照用途/工作方式可以分為主存儲器（內部存儲）和輔助存儲器（外部存儲）。

半導體存儲行業自1965年由IBM公司引領DRAM技術研發，羅伯特·登納德博士發明的DRAM開啟了芯片存儲器時代。1970年，IBM用存儲芯片替代磁芯。英特爾于1971年研發DRAM和EPROM。1984年，東芝提閃存概念，1988年英特爾開發NOR Flash，1989年東芝發布NAND Flash。21世紀見證了U盤和微型存儲卡普及，Pentium 4時期英特爾采用DDR內存。雙通道技術應對高頻率CPU需求，JEDEC推出DDR2應對內存頻率瓶頸。DDR3自2007年長期主導市場直至DDR4成為主流。在1997年開發MLC閃存顆粒后，英特爾又于2009年開發TLC閃存顆粒，而在2010年，NAND Flash市場受智能手機和平板的需求而高速增長。DDR4 SDRAM于2014年首次亮相。SK海力士第二代HBM產品HBM2于2018年發布。DDR5 SDRAM于2020年正式定型。2022年，美光推出176層QLC閃存SSD硬盤，容量達2TB。

發展歷史

早期計算機的存儲器是用各種磁芯制成的，從1950年一直使用到1970年，才被半導體存儲芯片淘汰。磁芯存儲器是由美籍華人王安博士于1948年在哈佛大學計算機實驗室做研究時發明的。1951年，王安以僅有的600美元創辦了王安實驗室（Wang Laboratories）。1956年，王安將磁芯存儲器的專利權賣給國際商業機器公司。

最初的磁芯存儲器只有幾百個字節的容量。它有兩大缺點：一是大規模量產困難。二是體積大耗電量也大。1966年，時年34歲的登納德（Robert Dennard）提出了用金屬氧化物半導體（MOS）晶體管，來制作存儲器芯片的設想。同年，研發成功一個晶體管加一個電容的動態隨機存取存儲器（DRAM），并在1968年獲得專利。

1968年成立的英特爾把存儲芯片的開發定為公司的發展方向。當時的芯片工藝主要有雙極型管和場效應（MOS）管，不過并不清楚哪一種工藝生產的芯片更好，于是英特爾成立了兩個研發小組。1969年4月，雙極型管小組推出了64比特容量的靜態隨機存儲器（sram）芯片C3101，只能存儲8個英文字母。這是英特爾的第一個產品。1969年7月，場效應管小組推出了256比特容量的靜態隨機存儲器芯片C1101。這是世界第一個大容量SRAM存儲器。隨后，英特爾研究小組不斷解決3英寸晶圓廠生產工藝中的問題，于1970年10月，推出了第一個動態隨機存取存儲器芯片C1103，采用12微米制程，容量有1千比特，售價僅為10美元。英特爾C1103很快就實現了大規模量產，使1比特只要1美分，這是內存芯片第一次在單位比特的價格上低于磁芯存儲器，它標志著動態隨機存取存儲器內存時代的到來。

英特爾選擇了加拿大的一家小公司，微系統國際公司（MIL）合作，授權他們用1英寸晶圓生產線進行生產，每年收取100萬美元的授權費用。C1103的用戶主要包括惠普和數字設備（迪吉多）公司。1972年，憑借1K動態隨機存取存儲器取得的巨大成功，英特爾已成為一家擁有1000名員工，年收入超過2300萬美元的芯片新貴。同年，國際商業機器公司在新推出的大型計算機上，也開始使用動態隨機存取存儲器。隨著國際商業機器公司個人計算機產品銷量急速增加，C1103也成為全球最暢銷的半導體芯片。到了20世紀70年代中期，動態隨機存取存儲器幾乎成為所有計算機的標準配置，英特爾占據了全球80%以上的動態隨機存取存儲器市場份額。

1973年石油危機爆發后，英特爾在動態隨機存取存儲器芯片領域的份額快速下降。此時，德州儀器和日本廠商先后抓住機會加入市場。早在1970年英特爾發布C1103后，德州儀器便對其進行拆解仿制，通過逆向工程，研究動態隨機存取存儲器工藝結構。1971年，推出了2K產品。后來創辦臺積電的張忠謀于1972年被提拔為德州儀器副總裁，他開創了動態隨機存取存儲器定期降價策略，被譽為“掀起全球半導體大戰之人”。1973年，德州儀器推出動態隨機存取存儲器，成為英特爾的強勁對手。

1969年，德州儀器半導體中心的首席工程師離職后在美國東部馬薩諸塞州成立了莫斯特卡（Mostek）公司。1973年，莫斯特卡公司研制出16針腳的低成本MK4096芯片。憑借低成本，莫斯特卡逐漸在內存市場取得優勢。而英特爾此時正將精力放在開發8080處理器芯片上。1976年莫斯特卡推出了采用雙層多晶硅柵工藝的MK4116，容量提高到16K。這一產品幫助莫斯特卡擊敗英特爾，占據了全球75%的動態隨機存取存儲器市場份額。

1978年，從莫斯特卡離職的3名設計工程師，創辦了美光科技（Micron）。美光的第一份合約就是為莫斯特卡設計64K動態隨機存取存儲器。到20世紀70年代后期，莫斯特卡一度占據了全球動態隨機存取存儲器市場85%的份額。但是，隨著日本廠商發起動態隨機存取存儲器芯片價格戰，美國廠商就撐不住了。1979年，陷入困境的莫斯特卡被聯合技術公司（UTC）收購，后來又轉賣給了意法半導體。

日本芯片產業開始于1963年。日本質優價廉的動態隨機存取存儲器在全球市場所占的份額不斷增加，獲得了非常大的成功。盡管日本可以生產動態隨機存取存儲器芯片，但是最關鍵的制程設備和生產原料要從美國進口。為了攻破技術壁壘，1976年3月，日本政府啟動了“動態隨機存取存儲器制法革新”國家項目。由日本政府出資320億日元，日立制作所（Hitachi）、三菱集團（Mitsubishi）、富士通株式會社（Fujitsu）、東芝（Toshiba）和日本電氣（NEC）五大公司聯合籌資400億日元，總計投入720億日元（約2.36億美元）為基金，由日本電子株式會社綜合研究所和計算機綜合研究所牽頭，組建“VLSI聯合研發體”，攻堅超大規模集成電路動態隨機存取存儲器的技術難關（圖3.12）。1980年，日本“VLSI聯合研發體”宣告完成為期4年的技術攻關項目，研發的主要成果包括各型電子束曝光裝置，采用紫外線、X射線、電子束的各型制版裝置、干式蝕刻裝置等，尼康株式會社和佳能研制的光刻機超越了美國同類產品，各企業的技術整合，保證了動態隨機存取存儲器量產良率高達80%，遠超美國的50%，構成了壓倒性的總體成本優勢，奠定了當時日本在動態隨機存取存儲器市場的霸主地位。日本存儲芯片企業乘勝追擊挑起價格戰，動態隨機存取存儲器單片價格一年內暴跌了90%。1985年，東芝率先研發出1M動態隨機存取存儲器，一舉超越美國，成為當時世界上容量最大的動態隨機存取存儲器。1986年，日本廠商在世界動態隨機存取存儲器市場所占的份額達到了80%。在很長一段時間，全球半導體企業排名前三位都是由日本電氣、東芝和日立制作所包攬，而美國企業的份額已不足20%。

1985年6月，美國半導體公司聯合起來，指控日本不公正貿易行為，要求美國政府制止日本公司的傾銷行為。1985年10月，美國商務部制定了一項法案，指控日本公司傾銷動態隨機存取存儲器芯片。1986年9月，日本通產省與美國商務部簽署了第一次《美日半導體協議》，標志著美國從全力扶植，轉向全面打壓日本半導體經濟。1987年4月，美國宣布對日本3.3億美元動態隨機存取存儲器芯片加征100%關稅。

韓國借鑒了日本模式，舉全國力量發展半導體核心技術。韓國政府在1975年公布了扶持半導體產業的6年計劃，強調實現電子配件及半導體生產的本土化。這無疑為未來韓國半導體產業的自主發展奠定了堅實的基礎。1986年10月，韓國政府執行“VLSI共同開發技術計劃”，韓國政府出資，由韓國電子通信研究所牽頭，聯合三星電子、樂金顯示、現代三大集團，以及韓國6所大學，聯合攻關動態隨機存取存儲器的核心技術。隨后的3年內，該計劃共投入1.1億美元，政府承擔57%的研發經費。韓國動態隨機存取存儲器公司開始從仿制、研發走向自主創新。

三星于1988年完成了4兆比特動態隨機存取存儲器研發，僅比日本晚6個月。1992年，三星完成全球第一個64兆比特動態隨機存取存儲器研發。1993年超越東芝，成為全球動態隨機存取存儲器市場的領軍企業。1994年，三星電子將研發投入提升至9億美元，開發成功256兆比特動態隨機存取存儲器。1996年，三星完成全球第一個1吉比特動態隨機存取存儲器（DDR2）研發。至此，三星在存儲芯片領域一直處于世界領跑者地位。2002年，三星的NAND閃存位居世界榜首。2006年與2007年分別在世界上率先研制成功50納米級動態隨機存取存儲器和30納米級NAND等，三星在存儲器領域的占有率超過30%，成為業界的強者。位居世界榜首。2006年與2007年分別在世界上率先研制成功50納米級動態隨機存取存儲器和30納米級NAND等，三星電子在存儲器領域的占有率超過30%。2017年，受益于存儲芯片價格的提升，三星營收反超英特爾，位居全球半導體榜首。

MLC閃存的開發最早由英特爾在1997年成功實現。DDR SDRAM（DDR1）于2000年推出，與其前身SDR SDRAM（單速率SDRAM）相比有了顯著的改進。2001年，英特爾押寶RDRAM內存失敗，VIA和AMD主導的DDR內存大獲全勝。DDR2 SDRAM 于2003年推出，在DDR1的基礎上進一步提高了速度和效率。與DDR1相比，DDR2的預取緩沖區大小增加了一倍，從而可以提高數據吞吐量。2007年發布的DDR3 SDRAM代表著內存技術的又一次重大進步。

與DDR2相比，DDR3進一步提高了數據傳輸速率，同時降低了功耗。2009年，TLC架構正式問世，代表一個存儲單元可存放三個比特，進一步大幅降低成本。2010年NAND Flash市場的主要成長驅動力是來自于智能型手機和平板計算機，都必須要使用SLC或MLC芯片。2013年，SK海力士于在世界上首次開發成功HBM DRAM。DDR4 SDRAM于2014年首次亮相。SK海力士第二代HBM產品HBM2于2018年發布。DDR5 SDRAM于2020年正式定型。2022年，美光發布了2400系列SSDHDD，首發了176層QLC閃存容量有512GB、1TB及2TB三種。2023年4月20日，SK海力士開發出世界首款12層堆疊HBM3 DRAM。

DDR6以及LPDDR6標準將會完全采用CAMM2形態，取代使用多年的SO-DIMM和DIMM內存標準。下一代DDR6內存最低頻率將達到8800MHz，最高可提高至17.6GHz，理論最高可以推進至21GHz，遠超DDR4和DDR5內存。

主要分類

按照用途/工作方式

按照用途/工作方式可以分為主存儲器（內部存儲）和輔助存儲器（外部存儲）。主存儲器是指CPU能直接訪問的，有內存、一級/二級緩存等，；輔助存儲器包括軟盤、硬盤、磁盤陣列等，CPU不能像訪問內存那樣，直接訪問外存，外存要與CPU或I/O設備進行數據傳輸，必須通過內存進行。

半導體存儲分類

隨機存取存儲器

隨機存取存儲器（RAM）使用過程中可隨時寫入信息，又可隨時讀出信息，常用于存放數據，故又稱為數據存儲器。隨機存取存儲器分為雙極型和MOS（metal-氧化物半導體，金屬氧化物半導體）型兩種。雙極型RAM的讀寫快，但功耗大、集成度低，因而在微型計算機中幾乎都用MOS型。

只讀存儲器

只讀存儲器（ROM）是一種存儲固定信息的存儲器，在正常工作狀態下只能讀取數據，不能即時修改或重新寫入數據。

只讀存儲器電路結構簡單，且存放的數據在斷電后不會丟失，特別適合于存儲永久性的、不變的程序代碼或數據，比如計算機中的自檢程序就是固化在ROM中的。ROM的最大優點是具有不易失性。

只讀存儲器是一種在使用過程中只能讀出存儲在存儲器中的信息而不能用通常的方法將信息寫入的存儲器。它經常存放編寫好的程序，因此又將其稱為程序存儲器。只讀存儲器又可以分為以下幾種。

工作原理

ROM

首先已NAND閃存為例，介紹ROM的工作原理基于電荷在存儲單元中的存儲和釋放。每個存儲單元稱為一個存儲單元或一個閃存單元。這些存儲單元按矩陣排列，每個單元存儲一個或多個位的信息。當寫入數據時，通過在NAND存儲單元中注入電子，將存儲單元的狀態從擦除態變為寫入態。擦除態和寫入態的不同狀態表示數據的0和1。而在讀取數據時，通過測量存儲單元中的電荷狀態來確定存儲的數據。NAND閃存通過擦除和寫入的操作實現數據的讀寫，而這種工作原理使得NAND閃存具有隨機訪問的能力，可以迅速讀取和寫入數據。

靜態RAM

靜態RAM的基本存儲電路是觸發器，通常由六只晶體管組成（如圖1所示）。圖中T3和T4為負載管(相當于兩只電阻)，T5和T6為門控管，T1和T2為存儲管。工作原理如下：

寫入過程：存儲器地址編碼經X和Y地址譯碼器（圖中未畫出）譯碼后，使圖中的X地址選擇線和Y地址選擇線變為高電平，故T5、T6、T7和T8通導。若為寫“1”，則數據總線上的“1”信號經倒相電路后使變為高電平，變為低電平，經通導管T5、T6、T7和T8的傳導作用而導致A點為高電平，B點為低電平（即T1管截止，T2管通導），表示“1”

信息被寫人；若為寫“0”，則點為低電平，為高電平，同樣經T5、T6、T7和T8使A點為低電平，B點為高電平（即T1通導，T2截止），表示“0”信號被寫入。

讀出過程：在讀出操作時，X地址選擇線和Y地址選擇線變為高電平，故T5、T6、T7和T8通導。若存儲電路中原存“1”（即A點為高電平，B點為低電平），則A點和B點電平經T5、T6、T7和T8通導管傳送到點和點，其中點的低電子平經讀出放大器輸出高電平邏輯“1”，表示存儲電路中的“1”信息被讀出；若存儲電路中原存“0”（即A點為

低電平，B點為高電平），則可使點變為高電平，經讀出放大器器倒相后輸出邏輯“0”表示“0”信號被讀出。

無論讀“1”還是讀“0”，由于每次讀出時只是把A點和B點電平傳送到點和點，并經讀出放大器放大后送到數據總線，并不會改變觸發器的作狀態。因此，靜態RAM的讀出也是一種非破壞性的讀出。

動態RAM

動態RAM基本存儲電路是以電荷形式存儲二進制信息的，通常可以分為單管、三管和四管動態RAM存儲電路。但是，廣泛應用的還是單管動態RAM存儲電路，因此，下面我們以它為例來分析動態RAM存儲信息的原理。

圖2為一個NMOS型單管動態RAM的基本存儲電路。圖中C為存儲電容，若Cg上存有電荷，則表示存儲電路存“1”；若Cg上無電荷，則表示它存“0”，T為MOS管，用作開關。工作過程如下：

寫入過程：當圖6-13中存儲電路被選中工作時，字線W為高電平，MOS管T通導，位線b上的寫電平便可經過T管直接送入存儲電容C。若位線b上的寫信息為高電平“1”，則存儲電容Cg被充電到這個高電平；若位線b上寫信息為低電平“0”，則Cg被放電到低電平。因此，動態RAM存儲信息的原理是以存儲電容上是否有電荷來標志的，Cg上有電荷表示存“1”，Cg上無電荷表示存“0”。

讀出過程：對存儲電路讀出時，字線W變為高電平，T通導，故Cg上的電壓可直接送到位線b。若讀“1”，則Cg上的電荷使位線b輸出高電平“1”;若讀“0”，則Cg上無電荷，故位線b輸出低電平“0”。

從上述分析可以看出，單管動態RAM存儲1位二進制信息只需一只MOS管，故它集成度高，成本低，適合制造大容量存儲器。但對于未選中的為基本存儲電路，由于字線W為低電平，存儲“1”的那些存儲電容Cg上的電荷因無泄漏通路面保持下來。但Cg上的電荷總會有泄漏存在，且電容量又小。因此，為了保持Cg上的信息，必須周期性地給存"1"的基本存儲電路充電。這種充電過程稱為刷新。動態RAM的刷新由刷新電路完成，刷新是周期性的，通常需要2ms的時間完成芯片上所有存儲單元的刷新。

技術指標

衡量半導體集成存儲器的指標很多，如可靠性、功耗、價格、電源種類等，但從接口電路來看，最重要的指標是存儲器芯片的容量和存取速度。

容量

通常稱存儲器芯片所能存儲的二進制數的位數（bit）為存儲器的容量。存儲容量越大，存儲的信息就越多。例如，2048位/片，是指芯片內集成了2048位的存儲器，能存儲2048個位。由于在微型計算機中，數據大都是以字節（byte）為單位并行傳送的，對存儲器的讀寫也是以字節為單位尋址的，所以存儲器容量又常用字節數（B)來表示。然而由于存儲器芯片要適用于1位、4位、8位計算機的需要，或工藝上的原因，其數據線也有1位、4位、8位之分。例如，英特爾2116為1位，2114為4位，6264為8位，所以在標定存儲器容量時，經常同時標出存儲單元的數目和位數。因此，存儲器芯片容量=單元數X數據線位數，如Intel2114為1KX4位/片，其存儲容量為4Kb。6264為8KX8位/片，其存儲容量為64Kb。

位（bit）是二進制數的最基本單位，也是存儲器存儲信息的最小單位，8位二進制數稱為一個字節（Byte)，可以由一個字節或2N個字節組成一個字（Word)。一個存儲器可以容納的二進制信息量就稱為該存儲器的存儲容量，可以以字節（B）為單位或以字為單位來表示存儲容量的大小。存儲容量越大，能存儲的信息就越多。存儲容量這一概念反映了存儲空間的大小。

存取速度

存取速度是指存儲器進行讀寫操作時的速度。它通常以納秒（ns）為單位計量，表示從發出讀寫指令到完成讀寫操作所需的時間。存取速度的提高可以縮短計算機程序的執行時間，提高計算機的運行效率。

存儲器芯片的存取速度是用存取時間衡量的。存取時間是指從CPU給出有效的存儲器地址到存儲器給出有效數據所需要的時間。存取時間越短，速度就越高。對于單片機，一般常用的存儲器均可滿足其速度要求。隨著半導體技術的進步，存儲器的容量越來越大，速度越來越高，而體積卻越來越小。

其它指標

延遲：延遲性（也稱為響應時間）描述完成一個I/O（輸入輸出)操作所需要花費的時間，其基本上反應了一個存儲系統響應讀寫請求的速度。其值通常以毫秒計，最快的閃存驅動器現在還不到一毫秒。在理想的情況下，延遲等待時間為零，導致應用程序讀/寫操作到永久存儲介質可以順利實現。但是，在物理方式情況下，每一個I/O操作都會存在一定的延遲。對于任何存儲解決方案，其目的是盡量減少延遲值。畢竟，存儲通常是IT基礎設施的瓶頸。更低的延遲意味著更少的等待完成I/O響應，因此導致了更快的任務執行。

存儲器帶寬：存儲器帶寬是指存儲器在單位時間內傳輸數據的能力。它通常以GB/s或MB/s為單位計量。存儲器帶寬的提高可以提高數據傳輸的速度，保證數據的流暢傳輸。

擴展性：擴展性是指存儲器的可擴展性，即可以通過增加存儲單元的數量來擴展存儲容量。隨著科技的不斷進步，人們對存儲容量的需求不斷增加，因此存儲器的擴展性也成為了一個重要的技術指標。

可靠性：可靠性是指存儲器工作的穩定性和可靠性。在存儲器的設計和制造過程中，需要考慮諸如電壓波動、溫度變化等因素對存儲器的影響，以確保存儲器的正常工作。

功耗：功耗是指存儲器在工作過程中所消耗的能量。隨著手持移動設備的普及，對于存儲器功耗的要求越來越高。因此，減少存儲器的功耗成為了存儲器設計中的一個重要目標。

成本：成本是指存儲器的制造成本。隨著存儲容量的增大和技術的進步，存儲器的成本也在不斷降低。降低成本可以使得存儲器的應用更加廣泛。