DRAM、SRAM、PSRAM和Flash

DRAM、SRAM和Flash都属于存储器,DRAM通常被称为内存,也有些朋友会把手机中的Flash闪存误会成内存。SRAM的存在感相对较弱,但他却是CPU性能发挥的关键。DRAM、SRAM和Flash有何区别,它们是怎样工作的?

DRAM:动态随机存取存储器

DRAM的全称是Dynamic Random Access Memory,动态随机存取存储器。“随机存取”意味着CPU可以存取其中的的任意位置,而不像硬盘那样每次存取要以扇区为单位进行。

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而“动态”是因为DRAM的工作采用电容原理,为了防止漏电引发数据错误,需要定时重复刷新。当电源中断后DRAM中的数据就会全部丢失,所以它属于“易失型”存储器。
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SRAM:静态随机存取存储器

SRAM的存在感比较弱,因为多数时候它并不是像DRAM那样以内存条的形式直接展现在大家面前。CPU中集成的高速缓存就属于SRAM(Static Random-Access Memory,静态随机存取存储器)。在一些无DRAM缓存设计的固态硬盘(如东芝TR200)中,主控内会集成小容量的SRAM缓存。
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SRAM存储单元是由6个晶体管制成的简单锁存器,无需刷新和回写就能保留数据,速度比DRAM更快。但由于集成度低,SRAM容量比DRAM小,成本比DRAM高,所以在大多数地方只能以较小的容量作为高速缓存使用。断电后SRAM中的数据也会丢失,同样属于“易失性”存储器。

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PSRAM:伪静态随机存储器。

具有类SRAM的接口协议:给出地址、读、写命令,就可以实现存取,不像DRAM需要memory controller来控制内存单元定期数据刷新,因此结口简单;但它的内核是DRAM架构:1T1C一个晶体管一个电容构成存储cell,而传统SRAM需要6T即六个晶体管构成一个存储cell。由此结合,他可以实现类SRAM的接口又可实现较大的存储容量。

早期的PSRAM制造商包括Samsung、Micron等巨头,广泛用于最早期的智能手机。那时候的手机内存有192MB、384MB等现在看起来非常小的容量。但很快,就进入到LPDDR1、LPDDR2、LPDDR3到如今的LPDDR4.

然而,PSRAM如今仍然在大规模的使用,只是一般人不知道、看不见而已:在M、S、R三大2G base band芯片供应商里,都集成有32MB的PSRAM,只不过他们都是以SiP的形式出现,封在芯片里面你看不见。

物联网时代,赋予了PSRAM新的活力,尤其在语音交互领域,PSRAM以其小封装、大容量、低成本,开始显露器独特优势。在一些智能语音交互的场合,有些语音数据来自云端,PSRAM能很好的提供数据缓冲作用,解决网络数据的不稳定问题,以提供稳定、平滑的语音服务。例如:儿童对着一个玩具娃说,“我要听葫芦娃的故事”,玩具娃识别请求后,会在云端找到相关故事,以流媒体传送的方式,播放该故事。由于有PSRAM做data buffer,即使在不是很稳定的环境里,故事也会非常流畅的播放。同样,在一些网络收音机中,使用PSRAM,能够是声音播放非常平滑,提供优越的用户体验

SPI PSRAM: 8-pin SOP封装,最高速率可以达到104MHz, 具有片选CS、CLK、SI、SO 4个信号脚。
QPI PSRAM: 8-pin SOP封装,最高速率104MHz, 有额外的3个双向数据管脚,由此带宽峰值可以达到416Mbps。
OPI PSRAM: 24 脚封装,有8个串行数据线,最高时钟频率达到133MHz,最高带宽可以达到133x8 x2=2.128Gbps。这里x2是因为它可以实现DDR,以提高数据带宽。
PSRAM在一些数据缓冲应用中可以取代SRAM或者SDRAM: 高速、大容量PSRAM非常贵;而SDRAM需要很多管脚、需要设计DRAM控制器、实现数据刷新等,再尺寸、设计复杂度等上不经济。在传统的MCU中,都有SPI接口,因此,使用PSRAM没有问题。对应QPI/OPI,设计上需要一些配合。

PSRAM容量有4Mb,8Mb,16Mb,32Mb,64Mb, 128Mb等等,容量没有SDRAM那样密度高,但肯定是比SRAM的容量要高很多的,速度支持突发模式,并不是很慢,APmemory,Hynix,Fidelix,Coremagic, WINBOND .MICRON. CY 等厂家都有供应,价格只比相同容量的SDRAM稍贵一点点,比SRAM便宜很多。

Flash:闪存存储器

铠侠(原东芝存储)在上世纪80年代发明NAND型闪存。闪存可以在断电后持续保存数据,但是它无法随机存取,最小读写单元是Page页(早期为4KB,当前多为16KB),最小擦除单位是Block块(当前为16MB左右)。
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闪存使用特殊的“浮栅层”(Floating Gate)来存储数据,氧化物层(Oxide Layer)的存在可防止浮栅层中电子流失,这是它能够在断电后继续保存数据的原因。

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Flash闪存的1个存储单元存储多位数据,这是DRAM和SRAM都做不到的。根据浮栅层中电子的多少,每个存储单元可以表达1比特(SLC)、2比特(MLC)、3比特(TLC)或4比特(QLC)数据。

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闪存的写入和擦除基于量子隧道效应,每个单元可以存储的数据越多,对跃迁到浮栅层的电子数量控制越严苛,写入速度也越慢,所以TLC的闪存性能优于QLC。
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当前的3D闪存在结构上跟传统闪存又有所不同。3D闪存的单元排列从水平变更为立体的同时,闪存单元的结构也变为类似于圆柱形,Floating Gate浮栅也被Charge Trap电荷捕获结构代替。
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新一代固态硬盘上已经用上96层堆叠技术的3D闪存,而下一代100+层堆叠的闪存也已完成研发并将很快进入量产阶段,在容量、性能和成本上取得新的进步。
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总结:DRAM是内存(动态刷新,断电丢数据),SRAM,PSRAM是高速缓存(无需刷新,断电丢数据),Flash(无需刷新,断电不丢数据)通常作为硬盘。从容量上看SRAM<PSRAM<DRAM<Flash,从性能上看则正好反过来。DRAM,SRAM, PSRAM断电后数据会丢失,写入Flash闪存的数据则可以在断电后持续保留。

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