问题

为什么同样靠电容存储,dram sram就是易失性的,nor nand就是非易失性的存储器?

回答
这个问题问得非常好,深入到了内存和存储器的核心技术差异。你提到“同样靠电容存储”,这抓住了关键点,但正是存储电荷的方式、保持电荷的能力以及读写机制的不同,导致了DRAM/SRAM的易失性与Nor/Nand的非易失性。

咱们就一点点掰开了说,尽量讲得通俗易懂,就像跟朋友聊天一样。

先说说易失性存储器:DRAM 和 SRAM

你说的没错,DRAM 和 SRAM 确实都依赖电容来存储数据。

DRAM (Dynamic RandomAccess Memory, 动态随机存取存储器):
核心原理: DRAM 用一个电容和一个晶体管来构成一个存储单元。电容就像一个小水桶,存储电荷(代表1)或不存储电荷(代表0)。
“动态”在哪儿? 这个“动态”很关键。电容是会漏电的!就像一个有小洞的水桶,水(电荷)会慢慢流失。所以,为了保持数据不丢失,DRAM 必须不断地刷新(refresh)。这就是为什么它叫“动态”——它需要持续的能量供给和周期性的刷新操作来维护存储在电容里的电荷。
为什么易失性? 当你关闭电源,刷新动作停止,电容里的电荷就会在极短的时间内(通常是毫秒级别)流失殆尽。电容一旦空了,数据也就没了。
读写机制: 读取时,需要先将电容里的电荷“读”出来,这个过程会稍微消耗电荷。然后,因为电荷已经损耗,就必须重新将电荷写回去(通常是充电到满,代表1)。这个读写过程是相对复杂的,需要先选中行,再选中列,涉及到电荷放大器等。
特点: DRAM 存储密度高(一个存储单元结构简单),速度相对较快,价格也比较便宜。所以它是我们电脑里最主要的内存(RAM),用来存放操作系统、程序和当前正在运行的数据。

SRAM (Static RandomAccess Memory, 静态随机存取存储器):
核心原理: SRAM 不像DRAM那样只用一个电容。它通常用多个晶体管(通常是6个)构成一个锁存器(latch)来存储数据。这个锁存器可以稳定地保持在一个状态(代表0或1),直到有新的数据写入或者电源被切断。
“静态”在哪儿? “静态”意味着它不需要刷新!只要有电,锁存器就能稳定地保持其状态。它不像DRAM那样依赖于电容的电荷量,而是通过晶体管的电路连接来锁定状态。
为什么易失性? 虽然不需要刷新,但 SRAM 依然是易失性的。一旦电源被关闭,维持这些晶体管工作的能量就没有了,锁存器也无法维持其状态,存储的数据自然就丢失了。
读写机制: SRAM 的读写操作比 DRAM 更快、更简单。读取时,它会检测锁存器的状态,而不会显著损耗电荷。写入时,直接将新的状态通过门电路锁存进去。
特点: SRAM 存储密度低(结构复杂,需要更多晶体管),速度非常快,价格也更贵。所以它常被用作 CPU 的缓存(Cache),因为它能极快地为 CPU 提供数据。

简单总结一下易失性: 核心原因都是 断电后,存储信息的状态无法维持。DRAM 是因为电容漏电需要持续刷新,SRAM 是因为晶体管电路需要电能来维持状态。

再来看看非易失性存储器:Nor Flash 和 Nand Flash

Nor Flash 和 Nand Flash 也是利用电荷来存储数据,但它们存储电荷的方式和保持能力则完全不同。它们的核心是一个特殊的叫做 浮栅(Floating Gate) 的结构。

浮栅(Floating Gate):
结构: 想象一下,在一个绝缘层(通常是二氧化硅)里面,有一个完全被绝缘材料包围的金属层,这就是浮栅。它就像一个“关在笼子里的囚犯”。
存储原理: 我们通过一种叫做“量子隧穿效应(Quantum Tunneling)”的物理现象,将电子“推”进或“拉出”这个浮栅。一旦电子被困在浮栅里,由于它被绝缘层层层包裹,外部的电场很难把它弄出来,它就能非常长时间地保持在那里,即使断开电源。
电荷存储 vs. 电容存储: 虽然浮栅存储的是电荷,但它和DRAM/SRAM的电容存储不是一个概念。DRAM/SRAM 的电容是储存的“电荷量”的多少代表数据,并且这个“量”会因为漏电而变化,需要动态维持。而浮栅存储的是“是否存在电子”这个相对固定的状态。

Nor Flash:
特点: Nor Flash 允许随机访问(random access),你可以像访问内存一样,直接通过地址访问到闪存中的任何一个字节。它的结构更像是传统的 ROM(只读存储器)。
读写机制: 读取 Nor Flash 是通过检测浮栅上的电荷是否影响了电流的通过来实现的。写入(或擦除)则是通过施加比正常工作电压更高的电压,利用量子隧穿效应,将电子注入或移出浮栅。
为什么非易失性? 因为浮栅被绝缘层完全包裹,一旦电子被“锁”进浮栅,只要绝缘层没有被物理损坏,这些电子就不会逃逸,数据就能长时间保存,即使断开电源。
应用: Nor Flash 适合存放对访问速度要求不高,但需要随机读取和执行代码的场合,比如 BIOS/UEFI 固件、嵌入式设备的操作系统等。

Nand Flash:
特点: Nand Flash 不支持随机访问,它只能以块(block)为单位进行擦除,以页(page)为单位进行写入。它的存储密度更高,每个存储单元更小,所以相同体积下能存储更多数据。
读写机制: 和 Nor Flash 类似,也是利用浮栅存储电荷。但是,它的读取和写入/擦除单位不同。为了提高效率和密度,Nand Flash 通常会把多个存储单元串联起来(像一串灯泡),形成一个“串”或“页”,然后通过控制这个串的末端来实现访问。
为什么非易失性? 同样是浮栅结构,保证了电荷的长期存储能力,即使断电也不会丢失数据。
应用: Nand Flash 速度不如 Nor Flash 快,且不支持随机读,但它存储密度高,成本低,适合大容量存储,比如我们常用的 U 盘、SD 卡、SSD 固态硬盘,以及手机、平板电脑的内置存储。

划重点:为什么 Nor/Nand 是非易失性的?

根本原因在于它们使用了浮栅这个结构。这个浮栅就像一个牢固的“电荷仓库”,一旦电子被“关进去”,它就被物理隔离了,不会轻易流失,从而保证了数据在断电后也能被长期保存。DRAM 的电容“电荷水桶”会有漏水,SRAM 的晶体管“状态锁”需要持续的电力才能工作,这两种机制都依赖于实时供电。

总结一下:

| 特性 | DRAM | SRAM | Nor Flash | Nand Flash |
| : | : | : | : | : |
| 存储原理 | 电容存储电荷,需刷新 | 晶体管锁存器,无需刷新 | 浮栅存储电荷,利用量子隧穿 | 浮栅存储电荷,利用量子隧穿 |
| 易失性 | 易失性 (断电后电荷流失) | 易失性 (断电后锁存器状态丢失) | 非易失性 (浮栅隔离,电荷不流失) | 非易失性 (浮栅隔离,电荷不流失) |
| 访问方式 | 随机访问,读写速度快 | 随机访问,读写速度极快 | 随机访问,读比写快 | 按块擦除,按页读写,速度相对慢 |
| 密度/成本 | 密度高,成本相对低 | 密度低,成本高 | 密度低,成本高 | 密度极高,成本低 |
| 主要用途 | 主内存 (RAM) | CPU 缓存 (Cache) | BIOS/固件、启动代码 | U 盘、SD 卡、SSD、手机存储 |

希望这样解释能让你更清楚它们之间的根本区别!说到底,就是电荷“藏”在哪里,怎么藏,以及需要什么条件才能让它“藏”住。DRAM 和 SRAM 的“藏”得不够牢固,而 Flash 的“藏”得非常牢固。

网友意见

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不请自来,正好最近学到这些内容,说说我的理解。

首先感觉题主的问题是不正确的。这四种存储器并不都是利用电容进行存储的。

首先是密度较高的Dynamic Random Access Memory (DRAM):

毫无疑问DRAM就是按照题主的问题,利用电容充放电存储数据,而电容是会漏电的,另外读取操作也会影响电荷存储,所以需要利用时钟信号进行refresh。

第二种是Static Random Access Memory (SRAM):

可以看到SRAM并不是利用电容存储电荷来记录数据,而是用两个inverter形成一个loop分别存储bit和bit_b,而我们还知道inverter连接vdd,是会对数据进行不停的restore的,如果停止供电,失去了restore的loop中的信号会很快衰减到不可读取。

以上是为什么DRAM和SRAM是易失性的。

而NAND和NOR型的闪存,存储原理是不同的。(以下内容部分来自wikipedia)

先说NOR flash:

同普通的mosfet不同的是,这里有两个gate,一个普通的control gate,还有一个在control gate和channel之间的floating gate。存储的关键就是这个floating gate。它是与周围绝缘的,一旦注入电荷,可以长时间保持状态而不耗散。这些电荷可以改变control gate产生的电场,进而改变沟道产生的阈值电压Vth,所以在相同的操作电压之下,通过控制floating gate的状态可以影响沟道是否导通,形成了1和0的区别。回到题主的问题,为什么NOR flash是具有nonvolatility呢?关键就是上面描述的一句话:floating gate与周遭是绝缘的,一旦充电可以长久保持,所以不需要定期刷新状态。

最后是NAND flash:

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此处没有图……我是凑数的……

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好叭,我偷懒了,因为本质上NAND flash也是利用floating gate transistor进行存储读写的,所以原理和NOR flash没有大区别,只不过NAND flash是串联到一起的,不过这个和本问题关系不太大,不赘述了。

所以,综上,DRAM和SRAM需要供电是因为他们如果失去了供电存储用的电荷或者信号会很快衰减消失,所以需要不停的刷新维持状态,而NAND/NOR flash存储的电荷是很难耗散的,所以不需要刷新。

如果理解有问题,请多多指正。

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