所有使用者对「內存」这个名词可是一点都不陌生，因为所有的电子产品都必须用到內存，且通常用到不只一种內存，说它是一种「战略物资」也不为过！不过对于內存种类、规格与形式，很多人容易搞混，例如：身为「执行」程序（数据）的DRAM，以及「储存」程序与数据的FlashROM就是一例，这篇专辑将由浅入深为大家介绍各种新型內存的结构与运作模式。

內存的分类

电的內存是指电写电读的內存，主要分为两大类，如图一所示：

挥发性內存（VolatileMemory，VM）：电源开启时数据存在，电源关闭则数据立刻流失（数据挥发掉），例如：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR-SDRAM等。

非挥发性內存（Non-VolatileMemory，NVM）：电源开启时数据存在，电源关闭数据仍然可以保留，例如：ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FlashROM、FRAM、MRAM、RRAM、PCRAM等。

▲图一：內存的分类。

內存的单元

內存的「单元」（Cell）是指用来存取数据的最小结构，如果含有一个晶体管（Transistor）与一个电容（Capacitor）则称为「1T1C」；如果含有一个晶体管（Transistor）与一个电阻（Resistor）则称为「1T1R」；如果含有一个二极管（Diode）与一个电阻（Resistor）则称为「1D1R」。

內存的每个「单元」不一定只能储存1个位元的数据，由于我们对內存容量的要求愈来愈高，每个「单元」能储存的数据愈来愈多，依照每个「单元」能储存的数据位数又分为：单层单元（Single-LevelCell，SLC）、多层单元（Multi-LevelCell，MLC）、三层单元（Triple-LevelCell，TLC）、四层单元（Quad-LevelCell，QLC）等。

內存阶层（Memoryhierarchy）

要了解电子产品的各种內存配置，就必须先介绍「內存阶层」（Memoryhierarchy）观念。內存阶层是指如何将储存容量不同、运算速度不同、单位价格不同的多种內存妥善分配，才能达到最大的经济效益，使产品的运算速度合理、储存容量合理、产品价格合理。

图二为內存阶层示意图，由上而下依序为寄存器、缓存內存、主內存、辅助內存：

寄存器（Register）：在处理器内，用来设定处理器的功能，主要是「暂时储存」设定值的地方。

缓存內存（Cachememory）：在处理器内，执行程序时「暂时储存」程序与数据的地方，通常以SRAM制作。

主內存（Mainmemory）：在处理器外，「暂时储存」程序与数据的地方，通常以DRAM制作，目前已经改良成SDRAM或DDR。

辅助內存（Assistantmemory）：在处理器外，「永久储存」程序与数据的地方，包括：闪存、磁碟机、光盘机、磁带机等。

不同种类的內存分别有不同的储存容量、工作速度、单位价格：

储存容量：辅助內存（GB）>主內存（MB）>缓存內存（KB）>寄存器（B）。

工作速度：辅助內存（1ms）<主內存（10ns）<缓存內存（1ns）<寄存器（1ns）。

单位价格：辅助內存<主內存<缓存內存<寄存器。

▲图二：內存阶层示意图。

內存的应用

所有的电子产品都必须用到內存，而且通常用到不只一种內存，由于內存的种类繁多，常常让使用者混淆，我们简单说明不同內存之间的差异，图三为手机主要芯片的系统方框图（Systemblockdiagram），包括：应用处理器（Applicationprocessor）、基频处理器（Basebandprocessor）、运动控制器（MotionController）。

应用处理器主要是执行操作系统（OperatingSystem，OS）与应用程序（Applicationprogram，App），寄存器与缓存內存目前都是内置在处理器内，其中寄存器用来设定处理器的功能，用来设定寄存器数值的程序，也就是用来趋动硬件的软件程序又称为「固件」（Firmware）；缓存內存是在执行程序时用来「暂时储存」程序与数据的地方，由于在处理器内离运算单元比较近，可以缩短程序与资料来回的时间，加快程序的执行速度因此称为「缓存」（Cache）。

由于缓存內存成本较高因此容量不大，如果执行程序时放不下，则可以退一步放在主记忆体内，可是目前主內存所使用的SDRAM或DDR，属于挥发性內存，电源关闭则数据立刻流失，因此关机后数据必须储存在非挥发性的辅助记忆体内，早期辅助內存使用磁碟机、光盘机、磁带机等，由于半导体制程的进步，目前大多使用闪存（FlashROM），或所谓的固态硬盘（SolidStateDisk，SSD），固态硬盘其实也是使闪存制作。

由于缓存內存（SRAM）与主內存（SDRAM、DDR）是执行程序用来「暂时储存」程序与数据的地方，与处理器内的运算单位直接使用总线（Bus）连接，一般都是用「位」（bit）来计算容量；而辅助內存是「永久储存」程序与数据的地方，由于一个字节（Byte）可以储存一个半型字，因此一般都是用「字节」（Byte）来计算容量。

▲图三：手机主要芯片的系统方框图（Systemblockdiagram）。

静态随机存取內存（SRAM:StaticRAM）

以6个晶体管（MOS）来储存1个位元（1bit）的数据，而且使用时「不需要」周期性地补充电源来保持记忆的内容，故称为「静态」（Static）。

SRAM的构造较复杂（6个晶体管储存1个位元的数据），不使用电容所以存取速度较快，但是成本也较高，因此一般都制作成对容量要求较低但是对速度要求较高的內存，例如：中央处理器（CPU）内置256KB、512KB、1MB的「缓存內存」（Cachememory），一般都是使用SRAM。

动态随机存取內存（DRAM:DynamicRAM）

以一个晶体管（MOS）加上一个电容（Capacitor）来储存一个位（1bit）的数据，而且使用时「需要」周期性地补充电源来保持记忆的内容，故称为「动态」（Dynamic）。

DRAM构造较简单（一个晶体管加上一个电容），由于电容充电放电需要较长的时间造成存取速度较慢，但是成本也较低，因此一般制作成对容量要求较高但是对速度要求较低的內存，例如：个人电脑主板通常使用1GB以上的DDR-SDRAM就是属于一种DRAM。由于处理器的速度愈来愈快，传统DRAM的速度已经无法满足要求，因此目前都改良成SDRAM或DDR-SDRAM等两种型式来使用。

同步动态随机存取內存（SDRAM:SynchronousDRAM）

中央处理器（CPU）与主板上的主內存（SDRAM）存取数据时的「工作时脉」（Clock）相同，故称为「同步」（Synchronous）。由于CPU在存取数据时不需要「等待」（Wait）因此效率较高，SDRAM的存取速度较DRAM快，所以早期电脑主板上都是使用SDRAM来取代传统DRAM，不过目前也只有少数工业电脑仍然使用SDRAM。

DRAM使用一个晶体管（MOS）与一个电容来储存一个位的数据（一个0或一个1），如图四（a）所示，当晶体管（MOS）不导通时没有电子流过，电容没有电荷，代表这一个位的数据是0，如图四（b）所示；当晶体管（MOS）导通时（在闸极施加正电压），电子会由源极流向汲极，电容有电荷，代表这一个位的数据是1，为了要将这些流过来的电荷「储存起来」，因此必须使用一个微小的电容，如图四（c）所示，DRAM就是因为电容需要时间充电，所以速度比SRAM还慢。

▲图四：动态随机存取內存（DRAM）的结构与工作原理示意图。

动态随机存取內存的缺点

动态随机存取內存（DRAM）是以一个晶体管加上一个电容来储存一个位（1bit）的数据，由于传统DRAM的电容都是使用「氧化硅」做为绝缘体，氧化硅的介电常数不够大（K值不够大），因此不容易吸引（储存）电子与电洞，造成必须不停地补充电子与电洞，所以称为「动态」，只要电脑的电源关闭，电容所储存的电子与电洞就会流失，DRAM所储存的数据也就会流失。

要解决这个问题，最简单的就是使用介电常数够大（K值够大）的材料来取代「氧化硅」为绝缘体，让电子与电洞可以储存在电容里不会流失。目前业界使用「钛锆酸铅」（PZT）或「钽铋酸锶」（SBT）这种介电常数很大（K值很大）的「铁电材料」（Ferroelectricmaterial）来取代氧化硅，则可以储存电子与电洞不会流失，让原本「挥发性」的动态随机存取內存（DRAM）变成「非挥发性」的內存称为「铁电随机存取內存」（FerroelectricRAM，FRAM）。