半导体存储器

半導體記憶體（英語：semiconductor memory）是一種用於數位資料儲存（英語：Digital Data Storage）的數位電路半導體元件，例如電腦記憶體。資料會儲存在矽積體電路記憶晶片上的金氧半導體（MOS）儲存單元內^[1]^[2]^[3]。目前有許多不同的類型的半導體技術。兩種常見的隨機存取記憶體（RAM）中其中一個是靜態RAM（SRAM），它在每個儲存單元使用多個MOS電晶體，另一個是動態RAM（DRAM），每個單元使用一個MOS電晶體和一個MOS電容。非揮發性記憶體（如EPROM、EEPROM和快閃記憶體）使用浮柵儲存單元，每個單元由一個浮柵MOS 電晶體組成。大多數類型的半導體記憶體都具有隨機訪問的特性，^[4]也就是說訪問任何儲存位置所需時間相同，因此資料可以以任意順序高效訪問。^[5]這與如光碟等順序訪問的儲存媒介形成對比，後者按寫入順序讀取和寫入資料。半導體記憶體還具有遠快於其他類型儲存裝置的讀取時間；訪問一個位元組的資料只需幾奈秒，而如硬碟等旋轉儲存裝置的訪問時間通常為毫秒級。由於這些原因，半導體記憶體被用於主記憶體，用於儲存電腦當前處理的程式和資料等用途。

截至2017年^[update]，全球半導體記憶晶片銷售額每年達1240億美元，占半導體產業的30%。^[6]諸如移位暫存器、處理器暫存器、資料緩衝區等不具備位址解碼器（英語：Address decoder）的較小數位暫存器，儘管也儲存數位資料，通常不稱為「記憶體」。

描述

在半導體記憶晶片中，每一位二進制資料儲存在一個被稱為「儲存單元」的小型電路中，通常由一個或多個電晶體組成。這些儲存單元以矩形陣列方式布局在晶片表面。單位元儲存單元組合為較小單元，稱為「字」（word），作為一個位址單元整體訪問。記憶體通常按2的冪作為「字長」（N=1、2、4、8位元）製造。

通過施加一個稱為主記憶體位址的二進制數位到晶片的位址引腳，可訪問特定字。如果位址為M位，則晶片包含2^M個位址，每個位址存有一個N位字，因此每片晶片的容量為N2^M位。^[5] 儲存容量通常以2的冪來表示：2、4、8、16、32、64、128、256、512等，以千位（Kb）、兆位（Mb）、吉位（Gb）或太位（Tb）為單位。截至2014年^[update]，最大容量的半導體記憶晶片可儲存數吉位資料，但更高容量的晶片正在不斷開發中。多個積體電路可以組合使用，以擴充字長和/或位址空間，通常但不必然是2的冪。^[5]

記憶晶片的兩種基本操作是「讀取」（read）和「寫入」（write）。讀取是非破壞性地讀取某個位址中的資料內容，寫入則是將新資料寫入某位址，替換原有資料。為了提高資料傳輸速率，某些最新型的記憶體如DDR SDRAM在每次讀寫操作中可以訪問多個字。

除獨立的記憶晶片外，半導體儲存塊也是許多電腦和資料處理積體電路（如微處理器）的組成部分，例如微處理器中通常整合快取以儲存等待執行的指令。

類型

揮發性記憶體

揮發性記憶體在電源關閉時會遺失其儲存的資料，但其速度更快且成本較低，因此被廣泛用於電腦的主記憶體，資料在電腦關機時儲存在硬碟上。主要類型包括：^[7]^[8]

RAM（Random-access memory）這個術語如今已經成為對任何可以被讀取和寫入的半導體記憶體的通用稱呼，與只能讀取的ROM（見下文）相對。事實上，所有半導體記憶體，不僅限於RAM，都具備隨機訪問的特性。

DRAM（Dynamic random-access memory）使用由一個MOSFET（金屬氧化物場效電晶體）和一個MOS電容組成的儲存單元來儲存每一位資料。這種類型的RAM價格最低、密度最高，因此被廣泛用於電腦的主記憶體。然而，儲存單元中儲存資料的電荷會逐漸洩漏，因此需要定期進行記憶體重新整理（英語：Memory refresh）（即重寫），這需要額外的電路。重新整理過程由電腦自動處理，對使用者是透明的。
- 快速頁模式DRAM（FPM DRAM）是一種較早的非同步DRAM類型，相較更早期的DRAM，它允許對同一「頁」主記憶體的重複訪問以更快速率進行。廣泛用於1990年代中期。
- 擴充資料輸出DRAM（EDO DRAM）是一種具有更快訪問時間的舊型非同步DRAM，它可以在前一次資料仍在傳輸的同時發起新的訪問請求。主要用於1990年代後期。
- VRAM（Video random-access memory）– 一種舊式的雙埠RAM，曾用於顯示卡的訊框緩衝區中。
- SDRAM（Synchronous DRAM）是在DRAM晶片中加入了用於與電腦主記憶體匯流排時鐘訊號同步的電路。這使晶片能通過管線處理同時處理多個主記憶體請求，提高了訪問速度。晶片中的資料還被劃分為多個「主記憶體塊」，可並列執行操作。該類型約自2000年起成為主流電腦主記憶體。
  - DDR SDRAM（雙倍資料率SDRAM）是通過雙倍資料速率傳輸技術，每個時鐘周期可傳輸兩個連續資料字，提升頻寬。這一理念的多代擴充仍是當前（截至2012年）提升主記憶體訪問速率與吞吐量的主流方案。由於進一步提高主記憶體晶片內部時脈頻率已變得困難，晶片轉而通過每個時鐘周期傳輸更多資料字以提升效能：
    - DDR2 SDRAM – 每個內部時鐘周期傳輸4個連續資料字；
    - DDR3 SDRAM – 每個內部時鐘周期傳輸8個連續資料字；
    - DDR4 SDRAM – 每個內部時鐘周期傳輸16個連續資料字。
  - RDRAM（Rambus DRAM）是一種替代性雙倍資料率主記憶體標準，曾用於部分Intel系統，但最終未能與DDR SDRAM競爭成功。
    - XDR DRAM（Extreme data rate DRAM）
  - SGRAM（Synchronous graphics RAM）是一種專為顯示卡設計的SDRAM。它可以執行如位遮罩和塊寫等圖形操作，且能同時打開兩個主記憶體頁。
    - GDDR SDRAM（Graphics DDR SDRAM）
  - HBM（High Bandwidth Memory）是SDRAM的一種發展形式，常用於顯示卡中以實現更高的資料傳輸率。其結構為多個主記憶體晶片的垂直堆疊，並配有更寬的資料匯流排。
- PSRAM（Pseudostatic RAM）是一種整合有記憶體重新整理（英語：Memory refresh）電路的DRAM，因此可表現為SRAM，允許關閉外部主記憶體控制器以節能。應用於部分遊戲機，如Wii。
SRAM（Static RAM）的每個位由一個正反器（由4至6個電晶體構成）進行儲存。與DRAM相比，SRAM密度低、價格高，但速度更快且無需重新整理。常用於電腦的快取中。
CAM（Content-addressable memory）是一種特殊主記憶體，不通過位址訪問資料，而是輸入一個資料字，如果該資料存在，主記憶體會返回其所在位址。主要用於嵌入微處理器的晶片中，例如用於快取記憶體。

非揮發性記憶體

非揮發性記憶體（Non-volatile memory，NVM）是一種在斷電時仍能保留所存資料的記憶體。因此，它常用於無需磁碟的可攜式裝置中的主記憶體，以及抽取式的記憶卡等用途。主要類型包括：^[7]^[8]

ROM（Read-only memory）用於儲存永久性資料，在正常操作中只能讀取，不能寫入。儘管許多類型的ROM都可以寫入，但寫入過程通常緩慢，並且往往需要一次性重寫整塊晶片的資料。ROM通常用於儲存電腦需立即訪問的系統軟體，例如啟動電腦的BIOS程式，以及可攜式裝置和嵌入式電腦（如微控制器）的微碼。
- MROM（Mask programmed ROM或Mask ROM），在此類型中，資料在晶片製造階段即被寫入，因此僅用於大規模生產。該類型ROM無法被重新寫入。
- PROM（Programmable read-only memory），此類型的晶片在安裝前即可被寫入一次，但只能寫入一次。寫入過程需將晶片插入專用裝置，即PROM編程器中。
- EPROM（Erasable programmable read-only memory，或UVEPROM），該類型的ROM可通過紫外線擦除資料，並重新編程。需要將晶片從電路板上取出，暴露於紫外線下以清除原有資料，然後插入PROM編程器進行重寫。晶片封裝頂部通常有一個透明「小窗」，用於透光。EPROM常用於原型開發和小批次生產裝置中，以便在工廠更換或更新程式。
- EEPROM（Electrically erasable programmable read-only memory），此類型晶片可在電路板上電擦寫，但寫入速度較慢。EEPROM通常用於儲存韌體，即控制硬體裝置執行的底層微代碼，如多數電腦中的BIOS程式，以便後續更新。

NVRAM（Non-volatile random-access memory）
- FRAM（Ferroelectric RAM）是一種非揮發性RAM類型。

快閃記憶體（Flash memory）的寫入速度介於EEPROM與RAM之間，可寫入但不夠快，無法作為主主記憶體使用。它常被用作硬碟機的半導體替代方案，用於檔案儲存。廣泛應用於諸如PDA、USB快閃記憶體驅動器、以及用於數位相機和手機的抽取式記憶卡等可攜式裝置中。

歷史

早期的電腦記憶體採用的是磁芯記憶體，因為當時早期的固態電子半導體（包括如雙極型接面型電晶體（BJT）之類的電晶體)，並不適合用作數位儲存元件（儲存單元）。最早的半導體記憶體可追溯至20世紀60年代初，當時採用的是雙極型記憶體，其使用雙極型電晶體。^[9]由離散元件構成的雙極型半導體記憶體首次由德州儀器於1961年交付給美國空軍。同年，快捷半導體的應用工程師鮑勃·諾曼（Bob Norman）提出了在積體電路（IC）晶片上實現固態電子記憶體的構想。^[10]第一個單晶片記憶體IC是由保羅·卡斯特魯奇（Paul Castrucci）於1965年12月研發的BJT 16位元IBM SP95晶片。^[9]^[10]雖然雙極型記憶體在效能上優於磁芯記憶體，但因價格高昂而未能與之競爭，因此磁芯記憶體直到1960年代末仍占據主導地位。^[9]雙極型記憶體未能取代磁芯記憶體的一個原因是，其正反器電路過於龐大且成本高昂。^[11]

MOS記憶體

金氧半導體場效電晶體（MOSFET）的出現，^[12]由貝爾實驗室的穆罕默德·阿塔拉（英語：Mohamed M. Atalla）和姜大元（英語：Dawon Kahng）於1959年發明，^[13]使得使用金氧半導體電晶體作為儲存單元成為可能，而這一功能此前是由磁芯記憶體承擔的。^[12]MOS記憶體由快捷半導體的約翰·施密特（John Schmidt）於1964年開發。^[14]^[15]與磁芯記憶體相比，MOS記憶體效能更高、成本更低、功耗也更小。^[14]最終，MOSFET取代磁芯，成為電腦記憶體的主流技術。^[12]

1965年，皇家雷達研究院（英語：Royal Radar Establishment）的J. Wood和R. Ball提出了採用CMOS（互補型MOS）儲存單元的數位儲存系統概念，同時也提出了MOSFET功率元件（英語：Power semiconductor device）在電源、交叉耦合、開關及延遲線記憶體方面的應用。^[16]1968年，快捷半導體的佛德里克·法金開發了矽柵MOS積體電路技術，使得生產MOS記憶晶片成為可能。^[17]IBM於1970年代初開始商業化NMOS邏輯記憶體。^[18]到1970年代初，MOS記憶體超越磁芯記憶體成為主流。^[14]

在電腦領域，「主記憶體」一詞通常指揮發性的隨機存取記憶體（RAM）。主要的兩種類型為靜態隨機存取記憶體（SRAM）與動態隨機存取記憶體（DRAM）。1963年，羅伯特·諾曼（Robert Norman）在快捷半導體發明了雙極型SRAM，^[9]隨後，約翰·施密特於1964年開發了MOS SRAM。^[14]SRAM成為磁芯記憶體的替代方案，但每個位元的資料需要使用六個MOS電晶體。^[19]1965年，IBM在其System/360 Model 95中引入SP95 SRAM晶片，開啟了SRAM的商業化。^[9]

東芝於1965年在其Toscal BC-1411電子計算機中引入了雙極型DRAM儲存單元。^[20]^[21]儘管其效能優於磁芯記憶體，但因成本較高未能取代磁芯的主導地位。^[22]現代DRAM基於MOS技術。1966年，IBM Thomas J. Watson研究中心（英語：Thomas J. Watson Research Center）的羅伯特·丹納德博士在研究MOS技術時，發現可以利用MOS電容儲存電荷表示「1」或「0」，並由MOS電晶體控制充電，從而發明了單電晶體DRAM儲存單元。^[19]1967年，丹納德以IBM名義申請了基於MOS技術的單電晶體DRAM儲存單元專利。^[23]這直接促成了世界上第一款商業化DRAM晶片——英特爾1103的誕生，發布於1970年10月。^[24]^[25]^[26]同步動態隨機存取記憶體（SDRAM）於1992年由三星電子推出，型號為KM48SL2000。^[27]^[28]

「主記憶體」一詞也常用於指代非揮發性記憶體，尤其是快閃記憶體。其起源可追溯至唯讀記憶體（ROM）。可程式化唯讀記憶體（PROM）由周文俊（Wen Tsing Chow）於1956年在美國Bosch Arma公司Arma部門發明。^[29]^[30]1967年，姜大元與施敏（Simon Sze）在貝爾實驗室提出可通過MOS浮柵技術製造可重寫ROM單元。這促使英特爾的Dov Frohman（英語：Dov Frohman）於1971年發明了EPROM（可擦可程式化唯讀記憶體）。^[31]1972年，日本經濟產業省產業技術綜合研究所的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi與Kiyoko Naga開發了EEPROM（電擦可程式化唯讀記憶體）。^[32]東芝的舛岡富士雄於1980年代初發明快閃記憶體。^[33]^[34]舛岡及其團隊於1984年推出NOR型快閃記憶體，^[35]又於1987年開發NAND型快閃記憶體。^[36]東芝於1987年將NAND快閃記憶體實現商業化。^[37]^[31]^[31]

參考文獻

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