半导体存储器

半导体存储器是用于数字数据存储的数字电子半导体设备，例如计算机存储器。它通常是指MOS存储器，其中的数据存储在硅集成电路存储芯片上的金属氧化物半导体（MOS）存储器单元中。  有许多使用不同半导体技术的不同类型。随机存取存储器（RAM）的两种主要类型是静态RAM（SRAM），它使用多个MOS晶体管 每个存储单元，以及动态RAM（DRAM），每个单元使用MOS晶体管和MOS电容器。非易失性存储器（例如EPROM、EEPROM和闪存）使用浮栅存储单元，每个单元由一个浮栅MOS晶体管组成。

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大多数类型的半导体存储器的具有的特性的随机接入，这意味着它需要的时间是相同的访问任何存储器位置，因此数据可以以任何随机顺序被有效地访问。这与连续读取和写入数据的数据存储介质（例如硬盘和CD）形成对比，因此只能以与写入相同的顺序访问数据。半导体存储器的访问时间也比其他类型的数据存储要快得多。可以在几纳秒内将一个字节的数据写入或读取半导体存储器，而旋转存储设备（例如硬盘）的访问时间在毫秒范围内。由于这些原因，除了其他用途外，它还用于计算机的主内存（主存储器），保存计算机当前正在处理的数据。

截至2017年，半导体存储芯片的年销售额为1240亿美元，占半导体行业的30％。 没有存储器地址解码机制的移位寄存器、处理器寄存器、数据缓冲区和其他小型数字寄存器虽然也存储数字数据，但通常不称为“存储器”。

早期的计算机存储器包括了磁芯内存，早固态电子半导体，包括晶体管，如双极结型晶体管（BJT），是不切实际的，用作数字存储元件（存储器单元）。最早的半导体存储器可以追溯到1960年代初，当时的双极存储器使用了双极晶体管。由分立器件制成的双极型半导体存储器是1961年由德州仪器（TI）首次运送到美国空军的。同年，固态概念诞生了。飞兆半导体公司的应用工程师Bob Norman提出了在集成电路（IC）芯片上存储存储器的建议。xxx个双极型半导体存储器IC芯片是IBM于1965年推出的SP95 。 尽管双极型存储器提供了比磁芯存储器更高的性能，但它无法与较低价格的磁芯存储器竞争，直到1960年代后期一直保持主导地位。由于双极触发器电路太大且价格昂贵，因此双极存储器无法替代磁芯存储器。

当存储芯片的电源关闭时，易失性存储器将丢失其存储的数据。但是，与非易失性存储器相比，它可以更快，更便宜。此类型用于大多数计算机的主内存，因为数据是在计算机关闭时存储在硬盘上的。主要类型为： 

RAM（随机存取存储器）–与只能读取的ROM相反，它已成为可以写入和读取的任何半导体存储器的通用术语。所有半导体存储器，不仅是RAM，都具有随机存取的特性。

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• DRAM（动态随机存取存储器）–它使用金属氧化物半导体（MOS）存储器单元，该存储器单元由一个MOSFET（MOS场效应晶体管）和一个MOS电容器组成，用于存储每个位。这种类型的RAM是最便宜且密度最高的RAM，因此用于计算机的主内存。然而，将数据存储在存储单元中的电荷缓慢泄漏，因此必须定期刷新（重写）存储单元，这需要额外的电路。刷新过程由计算机内部处理，对用户是透明的。
  • FPM DRAM（快速页面模式DRAM）–一种较旧的异步DRAM，通过允许以更快的速度重复访问单个“页面”存储器而对以前的类型进行了改进。在1990年代中期使用。
  • EDO DRAM（扩展数据输出DRAM）–一种较旧类型的异步DRAM，由于能够在从先前访问的数据仍在传输的同时启动新的存储器访问，因此其访问时间比早期类型的异步DRAM要快。在1990年代后期使用。
  • VRAM （视频随机存取存储器） -一个旧型的双端口一旦用于存储帧缓冲区的视频适配器（视频卡）。
  • SDRAM（同步动态随机存取存储器）–这是在DRAM芯片上添加的电路，用于将所有操作与添加到计算机内存总线上的时钟信号同步。这允许芯片使用流水线同时处理多个内存请求，以提高速度。芯片上的数据也分为存储体，每个存储体可同时进行存储操作。到2000年左右，它已成为计算机内存的主要类型。
    • DDR SDRAM（双倍数据速率SDRAM）–通过两次泵浦（在时钟脉冲的上升沿和下降沿都传输数据），可以在每个时钟周期传输两倍的数据（两个连续的字）。此概念的扩展是用于提高内存访问速率和吞吐量的当前（2012年）技术。由于事实证明很难进一步提高存储芯片的内部时钟速度，因此这些芯片通过在每个时钟周期传输更多的数据字来提高传输速率
      • DDR2 SDRAM –每个内部时钟周期传输4个连续字
      • DDR3 SDRAM –每个内部时钟周期传输8个连续字。
      • DDR4 SDRAM –每个内部时钟周期传输16个连续字。
    • RDRAM（Rambus DRAM）–一种备用的双倍数据速率内存标准，曾在某些英特尔系统上使用，但最终输给了DDR SDRAM。
      • XDR DRAM（极速数据传输率DRAM）
    • SGRAM（同步图形RAM）–专用于图形适配器（视频卡）的SDRAM 。它可以执行与图形相关的操作，例如位屏蔽和块写入，并且可以一次打开两页内存。
      • GDDR SDRAM（图形DDR SDRAM）
        • GDDR2
        • GDDR3 SDRAM
        • GDDR4 SDRAM
        • GDDR5 SDRAM
        • GDDR6 SDRAM
    • HBM（高带宽内存）–图形卡中SDRAM的开发，可以更快地传输数据。它由多个堆叠在一起的存储芯片组成，并具有更宽的数据总线。
  • PSRAM（伪静态RAM）–这是DRAM，具有在芯片上执行存储器刷新的电路，因此它的作用类似于SRAM，从而可以关闭外部存储器控制器以节省能量。它被用于Wii之类的一些游戏机中。
• SRAM（静态随机存取存储器）–将数据的每一位存储在一个称为触发器的电路中，该电路由4至6个晶体管组成。SRAM比DRAM密度低，每位价格更高，但速度更快，并且不需要内存刷新。它用于计算机中较小的缓存。
• CAM（内容可寻址存储器）–这是一种特殊类型，其中，不使用地址访问数据，而是应用数据字，并且如果将字存储在存储器中，则存储器将返回该位置。它主要合并在其他芯片中，例如 用于高速缓存的微处理器。

非易失性存储器（NVM）在关闭芯片电源期间会保留其中存储的数据。因此，它用于没有磁盘的便携式设备中的存储器，以及其他用途中的可移动存储卡。主要类型为： 非易失性半导体存储器（NVSM）将数据存储在浮栅存储单元中，每个浮栅存储单元均由一个浮栅MOSFET组成。

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• ROM（只读存储器）–设计用于保存xxx数据，并且在正常操作下只能读取而不是写入。尽管可以写入许多类型，但是写入过程很慢，通常必须立即重写芯片中的所有数据。它通常用于存储必须可由计算机立即访问的系统软件，例如启动计算机的BIOS程序，以及用于便携式设备和嵌入式计算机（例如微控制器）的软件（微码）。
  • MROM（掩膜编程ROM或掩膜ROM）–这种类型的数据在芯片制造时被编程到芯片中，因此仅用于大批量生产。不能用新数据重写。
  • PROM（可编程只读存储器）–这种类型的数据在安装到电路中之前已被写入现有的PROM芯片中，但只能写入一次。通过将芯片插入称为PROM编程器的设备来写入数据。
  • EPROM（可擦可编程只读存储器）–在这种类型的数据中，可以通过从电路板上卸下芯片，将其暴露于紫外线下以擦除现有数据并将其插入PROM编程器的方式来重写其中的数据。IC封装的顶部有一个小的透明“窗口”，可以吸收紫外线。它通常用于原型和小型生产运行设备，其中可能必须在工厂中更改其中的程序。
    4M EPROM，显示用于擦除芯片的透明窗口

  • EEPROM（电可擦可编程只读存储器）–当芯片在电路板上时，这种类型的数据可以用电子方式重写，但是写入过程很慢。此类型用于保存固件，即运行大多数计算机中的BIOS程序等硬件设备的底层微代码，以便可以对其进行更新。
• NVRAM（非易失性随机存取存储器）
  • FRAM（铁电RAM）–一种非易失性RAM。
• 闪存–在这种类型的写入过程中，速度介于EEPROMS和RAM存储器之间；它可以写入，但不够快，无法用作主内存。它通常用作硬盘的半导体版本，以存储文件。它用于PDA， USB闪存驱动器以及数码相机和手机中使用的可移动存储卡等便携式设备。