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科技台灣  2017-08-06 10:13  A20170806001 
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電的記憶體是指電寫電讀的記憶體,其中揮發性記憶體(Volatile memory)包括: SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM等;非揮發性記憶體(Non-volatile memory)包括:ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM等,所有的電子產品都必須用到記憶體,說它是一種「戰略物資」也不為過。

 

❒ 計憶體的分類
1990年代由於記憶體的設計與製程相對簡單容易,利潤又高,賣一顆賺一顆,因此許多晶圓廠投入記憶體的製造,沒想到過多的廠商投入造成供過於求價格大跌,這幾年記憶體廠商虧錢賠本,苦撐待變,讓許多投資人吃足了苦頭,這幾年雖然記憶體不是年年
賺錢,但是我們的生活卻一刻也離不開它,因為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,說它是一種「戰略物資」也不為過,這也是為什麼清華紫光集團仍然投入大量金額到處想要收購記憶體廠商了!

 

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(VM:Volatile Memory):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(NVM:Non-Volatile Memory):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。

 

❒ 計憶體的單元
計憶體的「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」。

 

記憶體的每一個「單元(Cell)」不一定只能儲存1位元的資料,由於我們對記憶體容量的要求愈來愈高,每一個「單元(Cell)」能夠儲存的資料愈來愈多,依照每一個「單元(Cell)」所能儲存的資料位元數又分為:
➤單層單元(SLC:Single-Level Cell):每個單元只能儲存1位元(bit)的資料,浮動閘極可以儲存2種電壓,也就是只能記憶0與1兩種狀態,這是最基本的記憶體單元。知識力www.ansforce.com。
➤多層單元(MLC:Multi-Level Cell):每個單元能夠儲存2位元(bit)以上的資料,浮動閘極可以儲存4種電壓,如果是2位元的資料也就是能夠記憶00、01、10、11四種狀態。
➤三層單元(TLC:Triple-Level Cell):每個單元能夠儲存3位元(bit)的資料,浮動閘極可以儲存8種電壓,也就是能夠記憶000、001、010、011、100、101、110、111八種狀態。
➤四層單元(QLC:Quad-Level Cell):每個單元能夠儲存4位元(bit)的資料,浮動閘極可以儲存16種電壓,也就是能夠記憶0000、0001、0010、0011、0100、…、1110、1111十六種狀態。


由此可見,每一個「單元(Cell)」能夠儲存的資料愈來愈多,則可以大幅提高記憶體的資料儲存密度,等於是體積更小容量更高,這是未來記憶體的發展方向,當然每一個「單元(Cell)」所能儲存的資料位元數愈多,存取速度會變慢,錯誤率也會提高,這些是工程上必須克服的困難。

 

❒ 計憶體階層(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)」的觀念。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地分配,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):在處理器內部,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):在處理器內部,執行程式時「暫時儲存」程式與資料的地方,通常以SRAM製作,並且使用「內部匯流排」連接運算單元。
➤主記憶體(Main memory):在處理器外部,「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,並且使用「外部匯流排」連接處理器。
➤輔助記憶體(Assistant memory):在處理器外部,「永久儲存」程式與資料的地方,包括:快閃記憶體(Flash ROM)、固態硬碟(SSD:Solid State Disk)、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。


要評估記憶體的價格必須使用「單位價格」,也就是儲存每個位元組的平均價格,而不是整個儲存元件的總價,例如:隨身碟(快閃記憶體)的容量「8GB」價格大約100元,硬碟機的容量「1TB(1000GB)」價格大約1000元,由此可見,如果我們說隨身碟(100元)比硬碟機(1000元)還便宜顯然並不合理。

 

圖二 記憶體階層示意圖。

 

❒ 暫存器(Register)
前面曾經提到過,電子產品處理器(Processor)的基本架構主要包括:控制單元(CU)、算術邏輯運算單元(ALU)、暫存器(Register)、匯流排(Bus)等四大部分,如<圖三>所示,換句話說,處理器本身就有許多暫存器,用來設定處理器的功能,由於它根本就是屬於處理器的一部分,因此存取速度最快。


暫存器儲存容量最小,單位價格最高、它是屬於處理器的一部分,所以存取速度最快。如<圖二>所示,暫存器的儲存容量大約為B或KB,而其存取速度(存取1位元)所需要的時間依照處理器的工作頻率而定。

 

圖三 處理器的「外部匯流排」與「內部匯流排」。

 

【名詞解釋】韌體(FW:Firmware)
韌體其實也是一種軟體,只不過我們特別將用來驅動硬體工作的軟體稱為韌體,也就是我們一般俗稱的「驅動程式(Driver)」,而驅動硬體的方式,就是設定處理器內「暫存器(Register)」的數值,因為設定暫存器的數值,就是設定處理器的功能。知識力www.ansforce.com。

 

❒ 快取記憶體(Cache memory)
電子產品的快取記憶體是指內建在處理器(Processor)內的記憶體,一般大多是使用「靜態隨機存取記憶體(SRAM)」,當你到光華商場選購一個CPU,它本身就已經包含快取記憶體了。因為快取記憶體通常是直接製作在處理器內,處理器內的算術邏輯運算單元(ALU)可以直接在同一個晶片內經由「內部匯流排」存取快取記憶體,因此存取速度很快,如<圖三>所示。

 

快取記憶體儲存容量比主記憶體更小,單位價格比主記憶體更高、直接以內部匯流排存取,所以存取速度比主記憶體更快。如<圖二>所示,快取記憶體的儲存容量大約為KB或MB,例如:處理器內建快取記憶體的儲存容量約為256KB、512KB,而其存取速度(存取1位元)所需要的時間大約為1ns(奈秒),當然後來隨著製程技術的進步SRAM容量也有1MB以上了。知識力www.ansforce.com。

 

❒ 主記憶體(Main memory)
電子產品的主記憶體指的就是「動態隨機存取記憶體(DRAM)」,隨著技術的進步,傳統DRAM的工作速度已經不能滿足我們的要求,因此陸續發展出SDRAM、DDR、DDR2、DDR3、DDR4等。主記憶體通常安裝或焊接在主機板上,比輔助記憶體更靠近處理器,處理器可以經由「外部匯流排」存取主記憶體,距離處理器較近因此存取速度很快,
如<圖三>所示,它的位置介於處理器與輔助記憶體(例如:快閃記憶體或磁碟機)之間,做為資料由輔助記憶體傳送到處理器時的中繼站。

 

主記憶體儲存容量比輔助記憶體小,單位價格比輔助記憶體高、直接以外部匯流排存取,所以存取速度比輔助記憶體快。如<圖二>所示,主記憶體的儲存容量大約為MB或GB,例如:目前市售SDRAM的儲存容量約為256MB、512MB,而其存取速度(存取1位元)所需要的時間大約為10ns(奈秒),當然後來隨著製程技術的進步使得主記憶體價格下降,現在的DDR、DDR2、DDR3容量都在1GB以上了。

 

❒ 輔助記憶體(Assistant memory)
常用的輔助記憶體包括:快閃記憶體(Flash ROM)、固態硬碟(SSD:Solid State Disk)、隨身碟、硬碟機(HD:Hard Disk)、軟碟機(SD:Soft Disk)、光碟機(CD、DVD)、磁帶機等,輔助記憶體通常使用排線或傳輸線連接在主機板上,距離處理器最遠因此存取速度最慢。知識力www.ansforce.com。


輔助記憶體儲存容量大、單位價格低,但是以機械的方式使用磁頭或光學讀取頭存取速度較慢,雖然隨身碟(快閃記憶體)是直接以電訊號讀取而不需要使用機械的方式,但是受限於元件結構寫入速度較慢。如<圖二>所示,輔助記憶體的儲存容量大約為GB或TB,例如:目前市售硬碟機的儲存容量約為1TB(1000GB)、DVD光碟機4.7GB等,而其存取速度(存取1位元)所需要的時間大約100ns(奈秒)。前面介紹的容量是個人使用者的需求,由於雲端大數據的發展,伺服器需要的記憶體容量遠比個人的需求大很多,因此容量高達「千兆(PB:Peta Byte)」,甚至「百萬兆(EB:Exa Byte)」的記憶體也陸續推出。

 

【名詞解釋】嵌入式記憶體(Embedded memory)
內建在處理器(例如:CPU、MPU、DSP、GPU、MCU)的記憶體稱為「嵌入式」或「內嵌式」記憶體,主要是為了讓記憶體更靠近算術邏輯運算單元(ALU),執行程式時可以節省存取時間,提高運算速度,常用的嵌入式記憶體包括下列兩種:

➤揮發性記憶體:除了SRAM之外,有時候為了節省成本也會使用SDRAM。

➤非揮發性記憶體:微控制器(MCU)通常只需要容量很小的非揮發性記憶體,因此會將Flash ROM或FRAM內建在微控制器裡,可以省去外接記憶體的成本,同時縮小體積。

 

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

 

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業,全華圖書公司」。<我要買書

 

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