随机存取存储器

随机存取存储器（RAM)，又称读写存储器，是计算机等终端设备数据存储的一种重要形式，主要用作主存储器（内存），它能存储数据、指令、中间结果等信息。随机存取存储器具有记忆功能，任何一个存储单元都能随机地存入（写入）信息或取出（读出）信息，有超高的存取速度和写入耐久性。但断电后所存信息会消失，不利于数据的长期保存，所以多用于中间过程暂存信息。

回顾一下RAM的发展历程，即将曾经占据整个房间的巨大的磁芯结构缩小为微小的口袋大小的硬件，同时指数级地增加其存储容量和访问效率。总得来说，随机存取存储器的发展历程大致经历以下几个阶段：

最早与RAM相似的东西被称为磁鼓存储器，于1932年由Gusta Tauschek发明。从技术上讲，磁鼓存储器并不能完全发挥现代RAM的功能，它更适合作为HDD或硬盘驱动器。然而，在那个古老的时代，没有理由将主工作存储器或辅助存储器分开，这就是为什么我们仍然可以将磁鼓存储器视为第一代RAM。磁鼓存储器的外表面涂有一层铁磁材料，作为存储二进制信息的存储器。位于铁磁表面上方读写头用于输入或提取信息。如果想要将信息写入磁鼓存储器，就会产生电磁脉冲，并改变磁鼓表面磁粒子的方向以存储二进制信息。如果我们想要执行读取，我们可以简单地沿着表面扫描每个磁粒子的复杂方向。这是处理磁鼓存储器时最简单的方法。然而，为了优化读写速度，我们必须对每个硬件组件的结构有大量的了解。特别是程序员，他们被限制在最佳编程中，他们严格地将代码放置在鼓中以最小化指令加载时间(也称为跳过因子或交错)。尽管存在这些困难，但自20世纪50年代以来，磁鼓存储器由于其高效的存储器检索和低成本而成为计算机存储器的主要选择。

用于内存储器使用的磁鼓组件

如前所述，由于其非易失性，磁鼓存储器更接近于磁盘而不是RAM。因此，RAM的第一个真正的诞生实际上是于1949年由弗雷迪·威廉姆斯和汤姆·基尔本发明的威廉姆斯-基尔伯恩管 （Williams-Kilburn tube）。它采用了与第一代笨重电视相同的技术，即阴极射线管。记忆写入的工作原理是发送电子束，用带正电荷的线圈使电子束偏转，然后撞击荧光粉表面，形成网格图案。这些模式表示计算机可以读取的二进制信息。就像现代的RAM一样，威廉姆斯电子管是非易失性的，因为这些模式会随着时间的推移而褪色，电子束可以在每个模式点重叠读写。然而，威廉姆斯管的主要缺陷在于电子束偏转过程，它对附近的电场高度敏感。如果阴极射线管周围存在电荷不平衡，则写入操作将受到严重影响。真空管存储器首先在曼彻斯特“宝贝”计算机上实现，使计算机在1948年6月成功运行程序。

曼彻斯特“宝贝”计算机

在20世纪50年代到70年代，磁芯存储器被认为是计算机的商业RAM，基本上取代了随机存取目的的鼓存储器的使用。硬件由许多磁环(或磁芯)组成，由于磁滞现象，这些磁环可以存储信息。简单地说，这些环可以通过改变磁化方向来记忆信息。我们可以通过向穿过环的许多电线传导电流来改变这些磁铁（或输入信息）的极化。在读取操作方面，有专门的传感线检测每个磁芯的电荷状态，提取相应的二进制数据。磁芯存储器能够在计算机关闭时保留信息，因为磁环可以保持它们的极化。

磁芯存储器

1964年随着金属氧化物半导体（MOS存储器）的发明，发现MOS存储器的性能明显优于磁芯存储器，同时功耗更低，生产成本更低。然而，最重要的是，MOS存储器能够缩小成小芯片，可以很容易地安装在计算机中。因此，MOS存储器很快占领了市场。随着MOS的发展，Robert H. Horman在1963年发明了第一个静态随机存取存储器(SRAM)。一年后，约翰·施密特又发明了MOS SRAM。至1965年，IBM在发布SP95存储芯片时将SRAM商业化。

静态随机存取存储器

创建DRAM的想法最初出现在1966年，为了减少晶体管的数量并提高芯片上存储单元的数量，供职于IBM 的美国电气工程师罗伯特·登纳德尝试了不同的方法。他使用电容器储存1个bit 的数据，从而产生了关于动态随机存取存储器的想法。电容器充电的状态代表“1”，放电的状态代表“0”。表面看起来这一想法十分荒谬，因为电容器会漏电。如果你将“1”存储在由电容器制成的存储器中并且什么也不做，在不到十分之一秒的时间内电容器就会因为漏电而忘记它所存储的“1”。但这种方式的优点在于它极大地减少了晶体管的数量，从而提高了芯片中存储单元的数量。为了解决漏电问题，所有的电容器都会被定期地(例如几毫秒)重新读写一一将代表“1”的那些漏电的电容器重新充电。这种方式被称为动态随机存取存储器(Dynamic Random AccessMemory，DRAM)，因为它要动态地进行刷新以保证已充电的电容器处于充电状态。DRAM首次出现于1970年，动态随机存储单元比静态随机存储单元小得多，从而降低了存储器的费用。1973年，Mostek公司推出了MK4096 4000位芯片，DRAM技术得到了升级。由Robert Proebsting设计的新型DRAM通过利用有效的多路寻址方案取得了重大突破。从本质上讲，这种新设计使用单个地址引脚依次访问存储器的行和列。在以前的DRAM中，必须使用两个引脚和地址行来完成此操作。最后一块商业化生产的芯片是三星在2001年2月生产的，容量为4gbit，这标志着DRAM时代的到来。如今，每台台式计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机都在使用动态随机存取存储器。

MK4096芯片

但是，RAM的故事并没有在2001年结束。近些年，出现了一种新的随机存取存储器SDRAM（Synchronous DRAM），即同步动态内存。其为双存储体结构，内含两个交错的存储阵列，当CPU从一个存储阵列访问数据的同时，另一个阵列已准备好读写数据。通过两个存储阵列的紧密切换，读取数据效率得到明显提升。三星是SDRAM芯片 KM48L2000 的第一家制造商，这种芯片的容量只有16 Mbit。1998年6月，三星开始试验DDR (Double Data Rate)技术。DDR本质上允许数据传输的速度是普通SDRAM的两倍，因为它能够在每个时钟周期内发送或接收两次信号。3年后，DDR2被创建，它的速度是DDR1的两倍，因为它每个时钟周期执行4次访问。然而，在这一点上，大多数大型RAM制造商，如索尼和东芝，并没有加入DDR的炒作行列，而是把更多的精力放在生产嵌入式DRAM上。DDR3最终在2003年由三星开发出来。同样，DDR3将读写速率提高了一倍，达到每个周期8次访问。尽管速度有所提高，但它的进展仍然受到延迟的严重阻碍。与之前的DDR迭代不同，DDR3得到了制造商和普通用户的广泛采用。从2008年中期开始，三星开始商业化DDR3芯片，最初的容量为8192mbit。这种芯片大受欢迎，当时许多计算机系统开始选择使用DDR技术。因此，三星继续升级DDR3的容量和时钟速率，以解决上述延迟问题。

DDR

2011年初，海力士率先推出了容量为2048台的DDR4原型机。新的双倍数据速率技术意味着更低的功耗和更快的数据传输。三星最终在2013年实现了DDR4的商用化。2018 年 11 月SK 海力士成功开发全球首款 16Gb DDR5 DRAM ，向英特尔等核心客户提供样品，并完成了一系列测试与性能、兼容性验证等程序。DDR5成为新一代 DRAM 标准，作为超高速、高容量产品，尤其适用于大数据、人工智能及机器学习等领域。目前，三星（Samsung）、美光（Micron）和海力士（SK Hynix）三家主要厂商已经发布了D1z（13~15nm）和D1a（11~13nm）技术，并应用于DDR4、DDR5和LPDDR5产品中。在 D1z中，三星采用了EUV光刻技术，而美光和海力士引入了基于ArF-i的双图案技术（DPT）工艺。预计到2030年，这些厂家将推出1δ、0α和0β等制程更小的DRAM。

DDR5

随机存储器主要用来存放短时间使用的程序或数据，这 是因为随机存取存储器的结构决定了这种存储器在断电时将 丢失其存储的内容。这也决定了其主要特点有：1、随机存取：所谓“随机存取”，指的是读取或写入存储器中的数据时，需要的时间与这段信息在存储器中的位置无关；2、易失性：当电源切断时随机存取存储器中将不能保存 原来的数据，原来的数据将会丢失，只有将它们写入一个长期的存储设备如硬盘中，才能长期保存；3、高访问：现代的随机存取存储器的读写速度几乎是所有访问设备中最快的，和其它涉及机械运作的存储设备的取存延迟相比，所需要的时间也很少；4、需要刷新：新现代的随机存取存储器主要依赖电容器来存储数据。由于电容器存在漏电的情形，若不处理，电容器的状态会随时间流逝而发生改变，即电容器存储的数据也发生改变。刷新是指定期读取电容器的状态，然后根据初始值重新给电容器赋值，从而弥补流失了的电荷，保证电容器状态不发生改变。电容器需要刷新这正好解释了随机存取存储器的易失性这一特点；5、对静电敏感：和其它精细的集成电路一样，随机存取存储器对环境中存在的静电荷十分敏感。

PC 的内存储器通常由半导体存储器构成，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。RAM 可用来存放各种输入输出数据，中间计算结果以及程序与指令等，其内容既可读出，也可写入。而ROM是一种在工作过程中只能读出不能写入的非易失性存储器，存储的信息可长期保存，掉电也不会丢失。 ROM 的信息在使用时是不能改变的，它只能读出，故一般用于存放固定的程序、常数等。本文以手机中的RAM和ROM为例，探索两者区别。RAM通常被大多数消费者们理解为内存。例如，当前的手机配置中，存储组合一般会有2GB+16GB、3GB+32GB、4G B+64GB等等，这些 2GB、3GB、4GB就是指RAM的容量，也就是我们常说的内存容量。ROM 在手机市场上，更多的则被认为是手机的存储容量。过去手机ROM一般都是4GB、8GB、16GB等等，而现在的手机ROM多数已经是从32GB起步了。一般来说，手机ROM通常由两大部分组成：一部分为系统占用，用户的可操作性小；另一部分为用户可自由支配的存储空间，相当于电脑硬盘。这就有了手机ROM的容量划分，配置参数上显示的为标称容量，用户可操作的为可用容量，两者差值，即是系统占用的部分。

ROM

双极型 RAM：双极型 RAM 是以晶体管的触发器（Flip-Flop）作为基本存储电路的，这种电路使用的管子较多。双极型RAM的存取速度很高，但是它的集成度不高，消耗功率较大，成本费用也高。MOS型 RAM：所谓 MOS 型 RAM ，就是用 MOS 器件构成的随机存取存储器。MOS 器件是指以金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管为基本元件的大规模集成电路构成的器件。这种器件的制造工艺比双极型器件简单，可以获得很高的集成度。它消耗的功率较小，但存取信息的速度要比双极型器件的存取速度慢。现在 PC 使用的都是 MOS 型 RAM。

MOS器件

静态随机存储器（SRAM）：SRAM 是靠双稳态电路来存 储信息的。 在加电后的使用期间，存储的信息不随时间的变化而改变(除非进行改写)，所以称为"静态"。当系统所需内存容量较小时，常采用 SRAM，如单板机，带微处理器或单片机的仪器、仪表及家用电器等。动态随机存储器（DRAM）：DRAM 是靠 MOS管栅极电容上的电荷来保存信息的。 任何电容都会漏电，所以超过一定时间(一般为1~2ms)后信息就会丢失，因此称为"动态"。 为了使存储的信息不致丢失，每隔一定时间要按原来存储的内容重新写入，称为"再生"或"刷新"。 与 SRAM 相比，DRAM 具有集成度高、功耗低、价格便宜等优点。但 DRAM 需要定期刷新，因而它与 CPU 的连接比 SRAM 复杂。 DRAM 广泛应用于内存容量较大的微机系统，例如个人计算机系统中的内存条。

DRAM结构原理图

FRAM（铁电随机存取存储器）：是一种使用铁电膜来保存数据的非易失性铁电存储器；MRAM（磁阻随机存取存储器）：这种存储器的存储单元使用磁性材料；PRAM（相变随机存取存储器）：这种存储器的存储单元使用热敏材料；ReRAM（电阻随机存取存储器）：这种存储器使用阻值会随施加电压而变化的材料制造存储单元。

铁电随机存取存储器

近年来随着物联网应用的普及，开始考虑将智能技术融入到边缘设备中。首先是安防监控，监控领域有很多摄像头等边缘设备，它们的智能化程度越来越高，这也导致对存储产品需求的大幅上升。且监控智能化程度也越来越高，现在更多的IP监控摄像头拥有更多的内嵌功能，例如图像识别、数据处理和存储，这些功能在摄像头边缘设备上就可以完成，并不需要像过去 一样，需要大量的NVR（网络硬盘录像机）设备进行存储。信息在边缘设备上进行处理和存储的功能越来越强，对云端的依赖有所减缓，这样一方面使得决策速度更快，另外上传信息可进行优先级设置。这些计算包括智能化需求，都推动了存储产品的发展。DRAM的大容量和低功耗特性，使得它成为物联网设备的理想内存解决方案。

智能安防摄像头

每台计算机都需要随机存取存储器 (Random Access Memory，RAM)。计算机的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)需要一片区域来储存程序和数据，以便其能够以CPU相同的速度来快速读取。CPU执行的每个指令都要从RAM中获取，CPU也会在RAM中读写数据。

FRAM 目前在医疗领域备受关注， 赢得了更广泛的应用和用户的青睐。FRAM具有很多无可匹敌的优点，包括快速写入、接近无限次读 / 写耐久性、低功耗和耐辐射性，能够为医疗设备和系统增添新的实用价值。例如FRAM 早已经被用于 CT 扫描机中，CT 扫描机里面的摄像头和 X 射线发生器的性能会随反复使用而恶化，这些元器件必须定期更换。在这些地方，FRAM 被用作控制系统的存储器设备， 用来记录设备工作了多少小时和受到辐射的数量。而且早在数年前就有好几家设备制造商开始采用 FRAM。不同的制造商在设备内部使用 FRAM 的目的是不一样的，目的之一是控制系统以确定什么时候需要对设备进行保养。

应用FRAM的CT扫描机

在很多国家，FRAM 早已经广泛用在智能电表当中。使用智能电表，需要监控电池的工作过程，以便确保在发生断电或在没有电源的地方出现无法预料的情况下使电表一直处在工作状态，这就是为什么要求电表的耗电量很小的原因。FRAM 的功耗非常低，而且在供电中断的情况下也能保存数据，在减小电表功耗方面非常有用。而且 FRAM 的低功耗有助于延长电池的使用寿命。同时 FRAM 还具有更好的数据安全性，智能电表存储器保存了家庭用电量的数据。保证私人信息的安全，要求电表具有更高的数据安全性。FRAM 具有防篡改功能，使电表的数据安全性比使用传统存储器的系统强得多。

智能电表

伴随着汽车智能化、网联化的发展，以及消费者对于娱乐性需求的提升，车载信息娱乐系统呈现出向大屏化、多屏融合、多功能集成以及更友好的人机交互体验等趋势发展，对车载中央处理器和存储容量的要求也在提升。DRAM在汽车上的应用主要包括车载信息娱乐系统和ADAS。且自动驾驶对存储需求也进行了重新定义，根据不同自动驾驶级别，L1驾驶辅助，L2是部分自动化，L3有条件的自动化到L5是全自动化。 不同的自动驾驶级别需要不同的DRAM内存。从 L1/2每辆车所需的8GB到L3所需的16GB，到L5级别需要接近74GB。同样地，到2025年L5级自动驾驶对于NAND的需求将达到每辆车1TB。

自动化驾驶

随机存储器主要是指其存储单元里的存储的东西可以按其需要任意取出或存入并且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。其基本结构如下图所示：

随机存取存储器基本结构

存储矩阵是由许多存储单元组成的阵列。每个存储单元可存放1位二进制数。存储器中所存数据通常以字为单位，1个字含有若干个存储单元，即含有若干位，其位数也称为字长。存储器的容量通常以字数和字长的乘积表示，如1024×4存储器表示有1024个字，每个字4位，共有4096个存储单元（容量）。

1024×4RAM结构图

地址译码器是将外部给出的地址信号进行译码，找到对应的存储单元。通常根据存储单元所排列的矩阵形式，将地址译码器分成行译码器和列译码器。行地址译码器将输入地址码的若干位译成对应字线上的有效信号，在存储矩阵中选中一行存储单元；列地址译码器将输入地址码的其余几位译成对应输出线上的有效信号，从字线选中的存储单元中再选1位或n位，使这些被选中的单元电路和读/写控制电路接通，再由读/写控制电路决定对这些单元进行读/写操作。

输入/输出控制也称读/写控制，是数据读取和写入的指令控制，它和输入/输出缓冲器完成数据的读/写操作。读/写控制电路的读/写控制信号 R/W=1 时，执行读出操作，将被选中的存储单元里的数据送到输入/输出（I/O）端上。当 R/W=0 时， 执行写入操作，将 I/O 端上的数据写入被选中的存储单元中。CS为片选信号端，当CS=0 时，选中本片电路正常工作；当CS=1 时，电路 I/O 端呈高阻态，不能进行读/写操作。

任何存储芯片的存储容量都是有限的，要构成一定容量的内存，往往单个芯片不能满足字长或存储单元个数的要求，甚至字长、存储单元数都不能满足要求。这时，就需要用多个存储芯片进行组合，以满足对存储容量的需求。存储容量的扩展分为字扩展、位扩展和字位扩展。字扩展：字扩展是将每个芯片的地址信号、数据信号和读写信号等控制信号线按信号名称全部并连在一起，只将选片端分别引出到地址译码器的不同输出端，即用片选信号来区别各个芯片的地址。位扩展：将每个存储芯片的地址线和控制线（包括选片信号线、读/写信号线等）全部并连在一起，而将他们的数据线分别引出连接至数据总线的不同位上。字位扩展：先进行位扩展，再字扩展即可。

性能指标是选用存储器的依据，也最能反映存储器的发展进程。存储器有多项性能指标如存储容量、存取速度、功耗、可靠性和性能价格比等，存储容量和存取速度直接影响到计算机系统的整体性能，因此是用户最关心的指标。存储容量：是指存储器可以存储二进制的信息量，单位为位或比特（bit）。存储器中的一个基本存储单元能存储1 bit 的信息，也就是可以存入一个0或一个1，存储容量就是该存储器基本存储单元的总数。存取速度：存储器的存取时间定义为存储器从接收存储单元地址码开始，到取出或存入信息为止所需的时间，其上限值称为最大存取时间。存取时间的长短反映了存取速度的快慢。存取时间越短，则存取速度越快。功耗：存储器功耗包括有效（Active）功耗和待机（Standby）功耗，前者是使用时的功耗，需重点考虑。工作电压也能反映功耗，例如 DRAM 的工作电压越来越低，分别为 DDR：2.5V、DDR2：1.8/1.55V、DDR3：15/1.35/1.25V。应选择低功耗芯片，也可使用专门的散热装置来保证存储器的性能。可靠性：存储器的可靠性体现在对温度变化、电磁干扰等的抗干扰能力上，使用寿命也很重要用平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures,MTBF）（小时）来衡量，MTBF越长则可靠性越高，当前硬盘的 MTBF 可达 100 万小时。延迟：是指从输入命令到数据可用之间的时间延迟。当内存控制器告诉内存访问特定位置时，数据必须经过列地址频闪（CAS）中的多个时钟周期才能到达所需位置并完成命令。在内存技术的历史中，随着速度的提高（这意味着时钟周期时间的减少），CAS延迟值也增加了，但是由于时钟周期更快，以纳秒为单位测量的真正延迟大致保持不变。通过优化处理器的最大速度和预算范围内可用的最低延迟内存之间的平衡，可以使用更新、更快、更高效的内存实现更高级别的性能。性价比：外存要求容量极大，内存的容量和速度都很重要，而高速缓存则要求速度非常快，容量不一定大。因此要在满足上述要求的前提下，选择性价比较高的芯片。