芯片分类/存储芯片_简述

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现代数字存储分为磁性存储、光学存储、半导体存储三类，信息时代数据量的爆发式增长使得存储量更大，且能够直接与逻辑电路连接的半导体存储迅速发展，存储芯片成为应用最广、市场规模最大的存储器件。

什么是存储芯片

世界半导体贸易统计组织（WSTS）将所有半导体按照结构功能划分为集成电路、分立器件、光电子器件与传感器四大类。

集成电路简称IC（Integrated Circuit），是采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容等元件集成在半导体晶圆上，成为具有所需电路功能的微型结构，占全球半导体市场份额的83%。

集成电路可进一步细分为承担计算功能的逻辑芯片、承担存储功能的存储芯片，承担传输与能源供给功能的模拟芯片以及将运算、存储等功能集成于一个芯片之上的微控制单元（MCU），它们的市场份额分别占到半导体总体市场份额的28.22%、27.39%、13.28%、14.11%，逻辑芯片与存储芯片占比较高。

非集成电路半导体元件（分立器件、光电子器件、传感器）的市场份额占半导体总体市场份额的17%。

 

存储芯片是半导体的一大重要分支，2020年存储芯片的市场规模约占半导体总市场规模的22.41%，存储芯片可按数据是否易失分为非易失性存储芯片器（Non-Volatile Memory）与易失性存储芯片（Volatile Memory）。

易失性存储芯片可分为动态随机访问存储器（DRAM）与静态随机访问存储器（SRAM）。

非易失性存储器则可分为NOR FLASH与NAND FLASH与只读存储器。

市场规模NAND FLASH占比为56%，DRAM为41%，其它为3%。

 

注意：RAM，ROM，FLASH 都属于内存。 网上很多资料说 flash 是外存或者辅助存储器主要是因为 NAND Flash 也有用来做SSD固态硬盘。

FlashROM是快速擦写只读编程器的简称，也就是我们常说的“闪存”。它也是一种非易失性的内存，属于EEPROM的改进产品。它的最大特点是必须按块(Block)擦除(每个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格)， 而EEPROM则可以一次只擦除一个字节(Byte)。

目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点，但是将其用来取代RAM就显得不合适，因为RAM需要能够按字节改写，而Flash ROM不需要。

 

DRAM

DRAM（Dynamic Random Access Memory）是易失性存储器的重要分支，易失性存储器的特点是断电丢失数据，电脑内存使用的就是DRAM。

易失性存储器断电丢失数据的根本原因在于其存储方式，DRAM的每一个bit cell（存储单元）由一个电容与一个晶体管两个元器件组成，晶体管起开关作用，DRAM的存储原理是通过电容充放电后的电势高低代表0和1，从而起到存储功能，而电容在断电的情况下会漏电，存储信息会因为电容的漏电而无法识别。

DRAM所使用的电容容量极小，电子仅能保存几毫秒的时间，为了使电子不丢失，每隔几毫秒就要充电刷新一次，这就是DRAM名称中动态（Dynamic）的由来，而另一种无需频繁充电刷新的易失性存储器则被称为SRAM。

DRAM由于读写速度较快被应用于PC机的内存、智能手机、服务器。

SRAM的读写速度更快，但价格较高，可用于容量要求较小但读写速度要求更高的高速缓冲存储器如CPU缓存。

全球DRAM产品目前由三星、SK海力士与美光垄断，三者市场份额占到95%。国内DRAM领域代表企业有长鑫存储（IDM）与兆易创新（fabless）。

DRAM产业链由上游的DRAM芯片和下游的内存条模组两大环节组成。

DRAM芯片产业可分为设计、制造和封测三个环节，经营模式以IDM（由DRAM芯片设计业者自行制造DRAM晶圆并封测DRAM芯片）为主，少数DRAM企业产品由晶圆代工企业和封测代工企业生产。

FLASH：便携式设备存储主力

FLASH是非易失性存储器最重要的分支，非易失性存储器的特点是断电不失数据，这使得FLASH能够在没有电流供应的条件下长久地保存数据。我们电脑中的硬盘所用的存储芯片就是FLASH。

 

FLASH的unit cell（存储单元）是一个含有源极、漏极与栅极的三端器件。

在向栅极施加正向偏压时，电子在隧穿效应下从隧穿层进入浮栅存储起来，阈值电压较高，对应逻辑为0。

在向栅极施加负向偏压时，浮栅中的电子退出隧穿层，阈值电压较小，对应逻辑为1，这个过程就就完成了信息的存储。

即使电流消失，阻挡层与隧穿层也能保证浮栅中的电子不丢失，从而保证数据的完整性。

FLASH相比DRAM的优点在于断电不失数据，且成本较低，缺点在于由于每一次写入数据均需要擦除一次，使得写入速度慢于DRAM。

FLASH存储芯片可进一步细分为NOR FLASH与NAND FLASH，NAND的擦除操作简便，而NOR则要求在进行擦除前先要将每一个存储单元均写入数据，然后才能做擦除，因此NAND的写入速度相比NOR更快。

 

NOR主要应用于早期电脑与老式功能机，这些设备存储器的主要需求在于读取系统程序，读取速度快的NOR占优，但随着智能手机的不断发展，NAND写入速度快的优势显现，NOR的市场规模不断萎缩，直到2016年后TWS耳机的兴起NOR才逐渐走出谷底。

 

NAND近年来需要关注的技术变革为3D堆叠技术的应用，不同于以往将存储单元直接平铺电路板上，而是像建高楼一样，将存储单元层层平铺3D NAND将思路从提高制程工艺转到在一定面积堆叠更多的存储单元以提高容量。全球NAND FLASH芯片目前由三星、铠侠、SK海力士、西部数据与美光垄断。国内NAND领域龙头企业为长江存储，长江存储采用设计、制造、封测一体化的IDM模式，于2020年成功研发中国首款128层3D NAND闪存，并于2021年下半年实现量产，当前三星、美光、SK海力士等第一梯队厂商正在研发176层3D NAND闪存。

NOR相比NAND市场规模较小，因此实力较强的存储芯片厂商往往放弃这一领域，为国内企业留出了一定的空间，台湾企业旺宏电子、华邦电子与大陆企业兆易创新的市场份额合计占到70%，兆易创新的市场份额约20%。

NAND Flash产业链也是由上游的芯片与下游的模组（即闪存设备）两大环节构成。占据主流地位的是高密度、大容量的产品，主要芯片厂商有六家：三星、凯侠（原东芝存储）、西数、美光、SK海力士、英特尔。NAND flash芯片又可分为未封装的裸片（KGD）和封装完成的颗粒（chip）两种类型。其中，裸片用于制作闪存设备，而颗粒则是直接搭载于终端系统上。

闪存设备主要包括U盘、SD卡、eMMC、SSD等，是基于NAND Flash芯片的半导体存储器。闪存设备需要控制芯片配合才能工作，存储控制芯片成为存储方案中的重要组成部分。四大巨头中，三星全部采用自己的控制芯片，海力士和凯侠则采取部分自产、部分外购的策略，美光则是主要采用外购的方式。相较于eMMC等嵌入式存储设备，SSD的存储控制芯片外购的比重较大。存储控制芯片多数采用Marvell、群联、慧荣等解决方案为主，其中Marvell的市占率超过50%。

 

NOR FLASH/NAND FLASH区别

NAND Flash和他的哥哥NOR Flash可谓是20世纪最重要的发明之一，生于日本，长于美国，如今却在韩国大放异彩。发明人桀冈富士雄，时任东芝工程师。

Intel很早就发明了EPROM，这是一种可以用紫外线擦除的存储器。相较于ROM，它的内容可以更新而且可以保持10～20年，老式电脑的BIOS都存储于此。后来Intel在其基础上于1978年发明了电可擦除的升级版叫做EEPROM。不需要阳光的帮忙，方便多了，可是读取和擦除速度却非常缓慢。

1。共性

A. 都是非易失存储介质。即掉电都不会丢失内容。

B. 在写入前都需要擦除。实际上NOR Flash的一个bit可以从1变成0，而要从0变1就要擦除整块。NAND flash都需要擦除。

2。特性

特性是决定使用哪种Flash的根据，我这里总结出一张表：

 如果以美光（Micron）自己的NAND和NOR对比的话，详细速度数据如下：

 

1。NOR Flash

NOR Flash和普通的内存比较像的一点是他们都可以支持随机访问，NOR Flash 的读取和我们常见的 SDRAM 的读取是类似，用户可以直接运行装载在 NOR FLASH 里面的代码，这样可以减少 SRAM 的容量从而节约成本。这使它也具有支持XIP（eXecute In Place）的特性，可以像普通ROM一样执行程序，这样应用程序可以直接在flash 闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。。这点让它成为BIOS等开机就要执行的代码的绝佳载体。现在几乎所有的BIOS和一些机顶盒上都是使用NOR Flash，它的大小一般在1MB到32MB之间，价格昂贵。

NOR Flash 根据与 Host 端接口的不同，可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。

 

Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的控制器 上，所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问。NOR Flash在BIOS中最早就是这种接口，叫做FWH（Firmware HUB），由于其接是并行接口，速度缓慢，现在基本已经被淘汰。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 也就是PCH相连。

 

2。NAND Flash

NAND Flash广泛应用在各种存储卡，U盘，SSD，eMMC等等大容量设备中。它的颗粒根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell） 和 TLC（Triple-Level Cell） 三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。

 现在高端SSD会选取MLC甚至SLC，低端SSD则选取TLC。SD卡一般选取TLC。

其他

1. 最早的手机等设备之中既有NOR Flash也有NAND Flash。NOR Flash很小，因为支持XIP，所以负责初始化系统并提供NAND Flash的驱动，类似Bootloader。而NAND Flash则存储数据和OS镜像。三星最早提出Norless的概念，在它的CPU on die ROM中固话了NAND Flash的驱动，会把NAND flash的开始一小段拷贝到内存低端作为bootloader,这样昂贵的NOR Flash就被节省下来了，降低了手机主板成本和复杂度。渐渐NOR Flash在手机中慢慢消失了。

 

1. 存储结构：NAND Flash是基于页的存储结构，具有较高的存储密度和较低的成本，适合存储大容量数据，如视频、音频和图像等。而NOR Flash是基于字节的存储结构，具有较快的读取速度和更高的可靠性，适合存储小容量数据，如代码和程序等。
2. 读写方式：NAND Flash的读写方式是以页为单位进行，写入速度比读取速度慢，同时需要整个页擦除才能进行写入操作。而NOR Flash的读写方式是以字节为单位进行，读取速度较快，且可以进行随机读写操作。
3. 价格：由于存储结构和读写方式的不同，NAND Flash的成本较低，适合存储大容量数据，而NOR Flash的成本较高，适合存储小容量数据。
4. 应用领域：NAND Flash适合用于存储大量的媒体数据，如音乐、视频和图片等，而NOR Flash适合用于存储代码和程序等小容量数据。

 

FLASH控制器

Flash控制器主要负责管理和控制Flash存储器的读写和擦除操作，包括坏块管理、ECC、命令序列和性能调优等功能。Flash控制器通常集成在硬件设备或芯片中，例如固态硬盘（SSD）、USB闪存驱动器、存储卡和移动设备等中。

需要注意的是，不同类型的闪存存储器的控制器可能有所不同，因为它们的内部结构和读写方式不同。例如，NAND Flash控制器需要执行特殊的操作来处理页的擦除和写入，而NOR Flash控制器则需要支持随机读取和字节编程等操作。因此，在选择Flash存储器和控制器时，需要考虑应用需求和存储器的特性，以确保最佳的性能和可靠性。