半导体存储器

半导体存储器是存储数据的关键部件，分为易失性和非易失性，构成计算机、移动设备与AI时代的基础。

半导体存储器

概述

半导体存储器是存储并读取数据的集成电路（IC），用于存放中央处理器（CPU）将要处理的指令和数据。存储器根据是否通电，分为易失性（DRAM、SRAM）和非易失性（NAND Flash、NOR Flash等）两类。如今，存储器是计算机、智能手机、数据中心、汽车、物联网（IoT）等所有电子设备的必备部件，尤其是在人工智能（AI）和大数据时代，其重要性日益凸显。

主要内容

易失性存储器

易失性存储器在断电后数据会消失。代表性产品包括DRAM（Dynamic Random Access Memory）和SRAM（Static Random Access Memory）。

DRAM

DRAM通过在电容中存储电荷来表示数据。电容会随放电而失效，因此需要定期刷新。其结构简单、集成度高，有利于大容量化，主要用于计算机的主存储器（RAM）。最新的DDR5 DRAM支持每秒数十Gbps的传输速度。

SRAM

SRAM利用触发器电路存储数据，无需刷新且速度非常快。但单元面积较大，难以实现高容量，价格也较高。主要用于CPU内部的缓存、寄存器等。

非易失性存储器

非易失性存储器在断电后仍能保留数据。代表性产品有NAND Flash和NOR Flash，基于这些技术开发的SSD（Solid State Drive）、U盘、存储卡等已广泛应用。

NAND Flash

NAND Flash以块为单位读写数据，并通过垂直堆叠存储单元的三维结构来提高集成度。根据每个单元存储的位数，分为SLC（1-bit）、MLC（2-bit）、TLC（3-bit）、QLC（4-bit）等。其存储密度高，适合大容量存储设备。最近，结合PCIe 5.0接口的超高速SSD已经问世。

NOR Flash

NOR Flash支持随机访问，适合执行代码。主要用于启动代码存储、嵌入式系统、汽车电子设备等。与NAND相比，其容量较小，但读取速度快。

下一代存储器

为克服现有存储器的局限，多种下一代存储器正在开发之中。

MRAM

磁阻存储器（Magnetoresistive RAM，MRAM）利用磁性原理存储数据，具有非易失、速度快、耐久性高的特点。目前已在部分嵌入式系统和工业设备中得到应用。

ReRAM

阻变存储器（Resistive RAM，ReRAM）利用氧化物电阻的变化进行存储。其工作电压低、集成度高，正作为下一代存储器候选开展研究。

PCM

相变存储器（Phase Change Memory，PCM）利用硫系材料在晶态与非晶态之间变化时产生的电阻差异。Intel的傲腾（Optane）内存就基于这一技术，但因商业可行性不足而停产。

存储半导体产业特征

存储半导体的主要品类是DRAM和NAND Flash。市场由三星电子、SK海力士、美光等少数企业寡头垄断，且市场波动较大。尤其是2023年以来经历了半导体寒冬，存储芯片价格大幅下跌，并进行了大规模减产。随后，从2024年下半年起，AI需求增长带动DRAM尤其是高带宽存储器（HBM）需求爆发，市场迅速回暖。

存储半导体的工作原理

存储单元由字线和位线构成阵列结构。读取时，激活字线，使所选单元中存储的电荷通过位线传送到感测放大器，并将其转换为电压差，从而判定数据0或1。写入则通过对所选单元强制注入或释放电荷来完成。

半导体存储器