【硬派特輯】電子裝置不可或缺的關鍵零組件:記憶體

作者 | 發布日期 2017 年 09 月 13 日 13:21 | 分類 科技教育 , 處理器 , 記憶體 follow us in feedly

所有使用者對「記憶體」這個名詞可是一點都不陌生,因為所有的電子產品都必須用到記憶體,且通常用到不只一種記憶體,說它是一種「戰略物資」也不為過!不過對於記憶體種類、規格與形式,很多人容易搞混,例如:身為「執行」程式(資料)的 DRAM ,以及「儲存」程式與資料的 Flash ROM 就是一例,這篇專輯將由淺入深為大家介紹各種新型記憶體的結構與運作模式。



記憶體的分類

電的記憶體是指電寫電讀的記憶體,主要分為兩大類,如圖一所示:

揮發性記憶體(Volatile Memory,VM):電源開啟時資料存在,電源關閉則資料立刻流失(資料揮發掉),例如:SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM 等。

非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory,NVM):電源開啟時資料存在,電源關閉資料仍然可以保留,例如:ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM 等。

▲ 圖一:記憶體的分類。

記憶體的單元

記憶體的「單元」(Cell)是指用來存取資料的最小結構,如果含有一個電晶體(Transistor)與一個電容(Capacitor)則稱為「1T1C」;如果含有一個電晶體(Transistor)與一個電阻(Resistor)則稱為「1T1R」;如果含有一個二極體(Diode)與一個電阻(Resistor)則稱為「1D1R」。

記憶體的每個「單元」不一定只能儲存 1 個位元的資料,由於我們對記憶體容量的要求愈來愈高,每個「單元」能儲存的資料愈來愈多,依照每個「單元」能儲存的資料位元數又分為:單層單元(Single-Level Cell,SLC)、多層單元(Multi-Level Cell,MLC)、三層單元(Triple-Level Cell,TLC)、四層單元(Quad-Level Cell,QLC)等。

【延伸閱讀】對記憶體的 SLC、MLC、QLC、TLC 有興趣的人可以參考「知識力專家社群:記憶體的分類與階層」。

記憶體階層(Memory hierarchy)

要了解電子產品的各種記憶體配置,就必須先介紹「記憶體階層」(Memory hierarchy)觀念。記憶體階層是指如何將儲存容量不同、運算速度不同、單位價格不同的多種記憶體妥善分配,才能達到最大的經濟效益,使產品的運算速度合理、儲存容量合理、產品價格合理。

圖二為記憶體階層示意圖,由上而下依序為暫存器、快取記憶體、主記憶體、輔助記憶體:

暫存器(Register):在處理器內,用來設定處理器的功能,主要是「暫時儲存」設定值的地方。

快取記憶體(Cache memory):在處理器內,執行程式時「暫時儲存」程式與資料的地方,通常以 SRAM 製作。

主記憶體(Main memory):在處理器外,「暫時儲存」程式與資料的地方,通常以 DRAM 製作,目前已經改良成 SDRAM 或 DDR。

輔助記憶體(Assistant memory):在處理器外,「永久儲存」程式與資料的地方,包括:快閃記憶體、磁碟機、光碟機、磁帶機等。

不同種類的記憶體分別有不同的儲存容量、工作速度、單位價格:

儲存容量:輔助記憶體(GB)> 主記憶體(MB)> 快取記憶體(KB)> 暫存器(B)。

工作速度:輔助記憶體(1ms)< 主記憶體(10ns)< 快取記憶體(1ns)< 暫存器(1ns)。

單位價格:輔助記憶體 < 主記憶體 < 快取記憶體 < 暫存器。

【延伸閱讀】對記憶體階層的每一種類細節有興趣的人可以參考「知識力專家社群:記憶體的分類與階層」。

▲ 圖二:記憶體階層示意圖。

記憶體的應用

所有的電子產品都必須用到記憶體,而且通常用到不只一種記憶體,由於記憶體的種類繁多,常常讓使用者混淆,我們簡單說明不同記憶體之間的差異,圖三為手機主要晶片的系統方塊圖(System block diagram),包括:應用處理器(Application processor)、基頻處理器(Baseband processor)、運動控制器(Motion Controller)。

應用處理器主要是執行作業系統(Operating System,OS)與應用程式(Application program,App),暫存器與快取記憶體目前都是內建在處理器內,其中暫存器用來設定處理器的功能,用來設定暫存器數值的程式,也就是用來趨動硬體的軟體程式又稱為「韌體」(Firmware);快取記憶體是在執行程式時用來「暫時儲存」程式與資料的地方,由於在處理器內離運算單元比較近,可以縮短程式與資料來回的時間,加快程式的執行速度因此稱為「快取」(Cache)。

由於快取記憶體成本較高因此容量不大,如果執行程式時放不下,則可以退一步放在主記憶體內,可是目前主記憶體所使用的 SDRAM 或 DDR,屬於揮發性記憶體,電源關閉則資料立刻流失,因此關機後資料必須儲存在非揮發性的輔助記憶體內,早期輔助記憶體使用磁碟機、光碟機、磁帶機等,由於半導體製程的進步,目前大多使用快閃記憶體(Flash ROM),或所謂的固態硬碟(Solid State Disk,SSD),固態硬碟其實也是使快閃記憶體製作。

由於快取記憶體(SRAM)與主記憶體(SDRAM、DDR)是執行程式用來「暫時儲存」程式與資料的地方,與處理器內的運算單位直接使用匯流排(Bus)連接,一般都是用「位元」(bit)來計算容量;而輔助記憶體是「永久儲存」程式與資料的地方,由於一個位元組(Byte)可以儲存一個半型字,因此一般都是用「位元組」(Byte)來計算容量。

▲ 圖三:手機主要晶片的系統方塊圖(System block diagram)。

靜態隨機存取記憶體(SRAM:Static RAM)

以 6 個電晶體(MOS)來儲存 1 個位元(1bit)的資料,而且使用時「不需要」週期性地補充電源來保持記憶的內容,故稱為「靜態」(Static)。

SRAM 的構造較複雜(6 個電晶體儲存 1 個位元的資料),不使用電容所以存取速度較快,但是成本也較高,因此一般都製作成對容量要求較低但是對速度要求較高的記憶體,例如:中央處理器(CPU)內建 256KB、512KB、1MB 的「快取記憶體」(Cache memory),一般都是使用 SRAM。

動態隨機存取記憶體(DRAM:Dynamic RAM)

以一個電晶體(MOS)加上一個電容(Capacitor)來儲存一個位元(1bit)的資料,而且使用時「需要」週期性地補充電源來保持記憶的內容,故稱為「動態」(Dynamic)。

DRAM 構造較簡單(一個電晶體加上一個電容),由於電容充電放電需要較長的時間造成存取速度較慢,但是成本也較低,因此一般製作成對容量要求較高但是對速度要求較低的記憶體,例如:個人電腦主機板通常使用 1GB 以上的 DDR-SDRAM 就是屬於一種 DRAM。由於處理器的速度愈來愈快,傳統 DRAM 的速度已經無法滿足要求,因此目前都改良成 SDRAM 或 DDR-SDRAM 等兩種型式來使用。

【延伸閱讀】對 DDR-SDRAM、DDR2、DDR3、DDR4 等記憶體的工作原理與差異有興趣的人可以參考「知識力專家社群:隨機存取記憶體(RAM)

同步動態隨機存取記憶體(SDRAM:Synchronous DRAM)

中央處理器(CPU)與主機板上的主記憶體(SDRAM)存取資料時的「工作時脈」(Clock)相同,故稱為「同步」(Synchronous)。由於 CPU 在存取資料時不需要「等待」(Wait)因此效率較高,SDRAM 的存取速度較 DRAM 快,所以早期電腦主機板上都是使用 SDRAM 來取代傳統 DRAM,不過目前也只有少數工業電腦仍然使用 SDRAM。

DRAM 使用一個電晶體(MOS)與一個電容來儲存一個位元的資料(一個 0 或一個 1),如圖四(a)所示,當電晶體(MOS)不導通時沒有電子流過,電容沒有電荷,代表這一個位元的資料是 0,如圖四(b)所示;當電晶體(MOS)導通時(在閘極施加正電壓),電子會由源極流向汲極,電容有電荷,代表這一個位元的資料是 1,為了要將這些流過來的電荷「儲存起來」,因此必須使用一個微小的電容,如圖四(c)所示,DRAM 就是因為電容需要時間充電,所以速度比 SRAM 還慢。

▲ 圖四:動態隨機存取記憶體(DRAM)的結構與工作原理示意圖。

動態隨機存取記憶體的缺點

動態隨機存取記憶體(DRAM)是以一個電晶體加上一個電容來儲存一個位元(1bit)的資料,由於傳統 DRAM 的電容都是使用「氧化矽」做為絕緣體,氧化矽的介電常數不夠大(K 值不夠大),因此不容易吸引(儲存)電子與電洞,造成必須不停地補充電子與電洞,所以稱為「動態」,只要電腦的電源關閉,電容所儲存的電子與電洞就會流失,DRAM 所儲存的資料也就會流失。

要解決這個問題,最簡單的就是使用介電常數夠大(K 值夠大)的材料來取代「氧化矽」為絕緣體,讓電子與電洞可以儲存在電容裡不會流失。目前業界使用「鈦鋯酸鉛」(PZT)或「鉭鉍酸鍶」(SBT)這種介電常數很大(K 值很大)的「鐵電材料」(Ferroelectric material)來取代氧化矽,則可以儲存電子與電洞不會流失,讓原本「揮發性」的動態隨機存取記憶體(DRAM)變成「非揮發性」的記憶體稱為「鐵電隨機存取記憶體」(Ferroelectric RAM,FRAM)。

【延伸閱讀】對於電容與介電常數(High K與Low K)的意義有興趣的人可以參考「知識力專家社群:動態隨機存取記憶體(DRAM)」。

(首圖來源:shutterstock) 

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