DRAM/NAND都是啥？科普內存和硬盤(pán)的區別

　　手機/電腦的內存和存儲

　　現如今隨著(zhù)手機的不斷推廣和普及，已掩蓋電腦時(shí)代的輝煌，很多新生代的用戶(hù)都問(wèn)到手機的存儲就陷入了茫然，于是我們經(jīng)常會(huì )遇到“Q：你的手機內存多大？A：128GB”這樣的笑話(huà)，實(shí)際上我們也相信提問(wèn)者就是想知道手機存儲容量的大小，而回答者也已經(jīng)按照約定俗成的方式回答了問(wèn)題。

　　于計算機組成原理來(lái)分析：手機和電腦并沒(méi)有本質(zhì)的區別，主體結構依然為輸入設備、存儲器、運算器、控制器和輸出設備，至于外圍的存儲設備實(shí)際只是一個(gè)輔助，所以稱(chēng)之為輔助存儲器，只是因為人們對于結果的更多需求，所以它又成為人們似乎“看得著(zhù)、摸得見(jiàn)”的最重要組成部分--存儲。

　　計算機的組成原理里面這樣介紹計算機的存儲器：存儲器是用來(lái)存儲程序和數據的部件，對于計算機來(lái)說(shuō)，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(lèi)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(chēng)內存儲器，而諸如硬盤(pán)、SSD等都為輔助存儲器。

　　套用網(wǎng)絡(luò )上這樣一個(gè)關(guān)于內存和存儲的定義，大家可能再也不會(huì )弄混淆了：你口里吃花生就CPU在處理數據，硬盤(pán)容量大小就是你的口袋大?。芊哦嗌倩ㄉ?，內存大小就是你的手的大?。ㄒ淮文茏ザ嗌俪鰜?lái)）。

　　現如今，無(wú)論是手機還是電腦內存都使用了DRAM存儲技術(shù)。DRAM（Dynamic Random Access Memory），即動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器，最為常見(jiàn)的系統內存。DRAM只能將數據保持很短的時(shí)間。為了保持數據，DRAM使用電容存儲，所以必須隔一段時(shí)間刷新（refresh）一次，如果存儲單元沒(méi)有被刷新，存儲的信息就會(huì )丟失。

　　至于存儲方面，現如今主要包含兩大類(lèi)技術(shù)：HDD（Hard Disc Drive）和NAND Flash，關(guān)于HDD在這里就不做過(guò)多介紹。NAND Flash全名為Flash Memory，屬于非易失性存儲設備（Non-volatile Memory Device），Flash的內部存儲是MOSFET，里面有個(gè)懸浮門(mén)（Floating Gate），是真正存儲數據的單元。數據在Flash內存單元中是以電荷（electrical charge） 形式存儲的。存儲電荷的多少，取決于圖中的外部門(mén)（external gate）所被施加的電壓，其控制了是向存儲單元中沖入電荷還是使其釋放電荷。而數據的表示，以所存儲的電荷的電壓是否超過(guò)一個(gè)特定的閾值Vth來(lái)表示。

　　對于數據的表示，單個(gè)存儲單元中內部所存儲電荷的電壓，和某個(gè)特定的閾值電壓Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就表示0；對于nand Flash的數據的寫(xiě)入1，就是控制External Gate去充電，使得存儲的電荷夠多，超過(guò)閾值Vth，就表示1了。而對于寫(xiě)入0，就是將其放電，電荷減少到小于Vth，就表示0了。

　　DRAM和NAND的單位

　　從上面的存儲原理可以看出，DRAM和NAND的存儲單位實(shí)際為b，那么為什么存儲產(chǎn)品的容量一般都用B來(lái)標注呢？而存儲產(chǎn)品的顆粒容量又以b來(lái)標注呢？

　　以DRAM內存顆粒為例，其存儲組織結構為深度（Depth）加上位寬（Width），下面我們以美光官方的一份內存顆粒文檔為大家解析，例如編號為MT40A1G16HBA-083E的內存顆粒，其深度（Depth）和位寬（Width）分別為1Gb和16，容量顯然為16Gb，關(guān)于內存顆粒的容量我們這樣解釋下大家可能會(huì )更好理解一些。

　　我們把MT40A1G16HBA-083E比作一個(gè)國家，這個(gè)國家有16個(gè)城市，每個(gè)城市有1024x1024x1024（1G=1024M，1M=1024K，1K=1024）個(gè)家庭，那么這個(gè)國家總共就會(huì )有16x1024x1024x1024個(gè)家庭，又假如每個(gè)城市都設置一個(gè)城門(mén)，每次只能放行一個(gè)家庭，那么這個(gè)國家每次都多只能放行16個(gè)家庭。

　　而現在無(wú)論是桌面PC還是手機基本已經(jīng)進(jìn)入了64bit時(shí)代，處理器每次吞吐數據的單位為64，也就是說(shuō)處理器一次需要抽調64個(gè)家庭，那么怎么辦呢？于是我們就將多個(gè)國家聯(lián)合起來(lái)，對于一個(gè)擁有16個(gè)城市的國家而言，那么只需要4個(gè)國家就可以滿(mǎn)足處理器的需求。不過(guò)如果對于一些小國只有4個(gè)或者8個(gè)城市的，那么一次就需要16個(gè)國家聯(lián)合起來(lái)或者8個(gè)國家聯(lián)合起來(lái)才能夠滿(mǎn)足需求。

　　現在再來(lái)說(shuō)說(shuō)為什么DRAM或者NAND存儲顆粒不適用B而是用b來(lái)標注呢？實(shí)際上稍微了解計算機原理的用戶(hù)應該知道，現存的計算機體系結構B（Byte）表示一個(gè)字節，而b（bit）表示1個(gè)位。對于單純1個(gè)bit的0或者1來(lái)說(shuō)計算機的識別就是“是”或者“非”，無(wú)數個(gè)0或者1組織起來(lái)計算機并不會(huì )知道這代表著(zhù)什么？而數據應該怎么和計算機的0或者1對應起來(lái)呢？于是就有了ACSII編碼，每一個(gè)字母或者符號都對應一個(gè)ACSII編碼，這樣現實(shí)世界的語(yǔ)言就和計算機就完全對接上了。

　　ACSII編碼規定每一個(gè)符號占用的大小為8bit，簡(jiǎn)稱(chēng)一個(gè)字節（Byte），于存儲而言1個(gè)字節才算基本的單位，所以文件的存儲就以Byte為最小單位。不過(guò)無(wú)論是DRAM還是NAND由于對接的計算機甚至是非計算機設備，其產(chǎn)品的存儲單位屬性并不一定是Byte，所以依然為bit標注。

　　另外在數據流，例如網(wǎng)絡(luò )帶寬、USB帶寬、PCI-E帶寬，我們又會(huì )發(fā)現以b為單位，這是因為對于數據傳輸而言，都是以通道流形式，就像上面的例子一樣一次只能放行一個(gè)家庭。而在數據傳輸過(guò)程中為了確保數據的安全還會(huì )加入一些校驗數據在其中例如USB 3.0就采用了8b/10b的編碼方式（每傳輸8bit數據就需要加入2bit校驗數據），這個(gè)時(shí)候如果再使用Byte作為單位顯然亂了章法，不合時(shí)宜。

　　SLC、MLC、TLC NAND的區別

　　對于基于NAND存儲技術(shù)的設備而言，無(wú)論是U盤(pán)還是SSD，甚至是SD卡，都會(huì )涉及到一個(gè)問(wèn)題成本，于是產(chǎn)品設計從SLC轉變到MLC，再到TLC，甚至QLC也將在后續問(wèn)世，那么SLC、MLC、TLC究竟對用戶(hù)有什么影響呢？

　　SLC--SLC英文全稱(chēng)（Single Level Cell——SLC）即單層式儲存

　　SLC技術(shù)特點(diǎn)是在浮置閘極與源極之中的氧化薄膜更薄，在寫(xiě)入數據時(shí)通過(guò)對浮置閘極的電荷加電壓，然后透過(guò)源極，即可將所儲存的電荷消除，通過(guò)這樣的方式，便可儲存1個(gè)信息單元，這種技術(shù)能提供快速的程序編程與讀取，不過(guò)此技術(shù)受限于Silicon efficiency的問(wèn)題，必須要由較先進(jìn)的流程強化技術(shù)（Process enhancements），才能向上提升SLC制程技術(shù)。

　　MLC--MLC英文全稱(chēng)（Multi Level Cell——MLC）即多層式儲存

　　英特爾（Intel）在1997年9月最先開(kāi)發(fā)成功MLC，其作用是將兩個(gè)單位的信息存入一個(gè)Floating

　　Gate（閃存存儲單元中存放電荷的部分），然后利用不同電位（Level）的電荷，通過(guò)內存儲存的電壓控制精準讀寫(xiě)。MLC通過(guò)使用大量的電壓等級，每 個(gè)單元儲存兩位數據，數據密度比較大。SLC架構是0和1兩個(gè)值，而MLC架構可以一次儲存4個(gè)以上的值，因此，MLC架構可以有比較好的儲存密度。

　　TLC--TLC英文全稱(chēng)（Trinary-Level Cell）即三層式儲存

　　TLC即3bit per cell，每個(gè)單元可以存放比MLC多1/2的數據，共八個(gè)充電值，所需訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間更長(cháng)，因此傳輸速度更慢。TLC優(yōu)勢價(jià)格便宜，每百萬(wàn)字節生產(chǎn)成本是最低的，但是壽命短，只有約1000次擦寫(xiě)壽命。

　　正如上面的介紹，從SLC到MLC再到TLC，cell對于電壓的精確控制更高，這直接導致TLC的壽命下降到只有1000次PE，而對應的SLC和MLC分別為10000+和3000，相對來(lái)說(shuō)TLC的耐久度顯著(zhù)下降。TLC的另外一個(gè)劣勢就是數據的讀寫(xiě)效率，在SLC時(shí)代，1個(gè)cell一次只需要讀取/寫(xiě)入1個(gè)bit，到MLC時(shí)代每次需要讀取/寫(xiě)入2bit，而到TLC時(shí)代則上升到3bit，很顯然其性能受到電壓控制的程序復雜度會(huì )變慢，當然由于工藝和主控的不斷升級，目前TLC已經(jīng)可以追平MLC產(chǎn)品。不過(guò)TLC耐久的硬傷短時(shí)間內并無(wú)法得到有效解決，當然TLC的耐久可以通過(guò)存儲設備的容量加大而均衡磨損，變相演唱了產(chǎn)品的使用壽命。