智能座舱之存储篇-第一篇初识存储

吃瓜群众：机哥，存储是什么玩意，我买手机、电脑的时候导购员都说买内存大的，三星的好，品牌大，问题少，我也只有看哪个内存大就买那个。

机哥：额，这个嘛，说来话长，慢慢说，那我先问你一个问题，你记得上周三中午吃的什么菜么？

吃瓜群众：额，这个记不住了

看吧，如果没记笔记的习惯，上周三吃了什么基本上很少人记得起来，此时需要有一个存储的东西，把这部分内容记录下，电子部分可以理解为存储设备。

我们先来看看手机上的存储，下图是华为P40pro的硬件配置，可以看到运行内存是8GB，机身存储是128GB，就是常说的8+128的配置，两个都是存储有什么区别呢。

其实第一个就是常说的DDR，就是电脑里面的内存条，这个决定着你跑一些大型应用的时候会不会卡死，比如吃鸡，比如机哥的画硬件软件工具等等。

第二个就是FLASH，也就是相当于电脑里面的硬盘，这个就是决定你可以装多少文件，可以存储拍多少照片，可以下载多少不连续剧，可以下载多少个APP等等。

存储的分类

人类存储数据的需求可谓历史悠久，存储器的形态历年来也发生了翻天覆地的变化：早期的软盘现早已不见踪影， 光学存储的DVD/CD也渐行渐远， 越来越多的电脑已不再配备光驱，传统的电脑硬盘使用的磁盘作为大量数据存储的首选方案现也已受到SSD的威胁。

众多形态的存储方式按照其原理可大致分为光学存储、半导体存储和磁性存储。半导体存储是存储领域的应用领域最广市场规模最大的存储器件：

按照停电后数据是否可继续保存在器件内，半导体存储器可分为掉电易失和掉电非易失器件；

易失存储器在过去的几十年里没有特别大的变化，依然是以静态随机存取存储器(SRAM) 、动态随机存取存储器(DRAM)为主；

非易失存储器从早期的不可擦除PROM， 到后来的光可擦除EPROM、电可擦除EEPROM， 到现在的主流的Flash， 技术在不断的更新、进步。现在RAM领域还出现了铁电存储器(FRANM)、相变存储器(PRAM) 、磁存储器(MRAM)和阻变存储器（RRAM）等非易失静态存储器，因此市场认为掉电易失器件就是RAM，这种观点是不准确的。

其实这里可以简单理解一下，手机每次关机后重新打开，此时软件需要重新启动吧，此时的启动软件就需要放在FLASH里面，因为掉电后依旧可以保存程序，这样才可以启动，但是你的吃鸡游戏可以不用立马启动，这个界面是可以不起来的，所以那部分的数据是保存在DDR中，一旦掉电了，这部分数据是没有的，需要你重新进入这个游戏才行。

存储的发展历程

1、存储主要以DRAM、NAND FLASH、NOR FLASH为主。

众多半导体存储器中， 市场规模最大的是DRAM和NAND Flash， 市场规模均在数百亿美元， 其中DRAM 2018年的市场规模已达到1000亿美元。除此之外， 存储芯片市场空间较大的还有NOR Flash， 其市场规模曾一度随着功能手机的消亡而逐渐降低， 但近年来随着新兴市场的崛起， NOR Flash的市场空间也已逐渐恢复。

存储行业兴起于1960s，是半导体行业重要的分支领域，其市场规模由开始的几十亿美元逐渐增长到现在的近1000亿美元， 约占整个半导体行业的25%。DRAM和闪存(FlashMemory) 为存储芯片行业中占比最高的两个分支，销售总额占据了整个存储芯片行业90%以上的市场份额。

存储行业的发展历程大致可分为3个阶段。1990年以前，DRAM为存储芯片市场上主要的产品，且伴随少量的EPROM和EEPROM。1990年至2000年， N OF Flash开始逐步占据一定比例的市场份额。2000年以后，NAND Flash开始爆发式增长， 其市场规模直逼DRAM，而NOF Flash的市场规模于2006年达到顶峰后开始逐渐下滑，但于近两年又开始有微小上升趋势。

2、存储产业在从美国到日本，日本到韩国的转移。

通过下图可以看到，存储行业的主要玩家伴随历史发展发生了显著的变化，霸主地位由一开始的美国企业(1969-1984年)逐步转移到日本(1985-1996年)，最后再转移到韩国企业(1996-现在)。

目前存储行业的主要玩家包括韩国的三星、SK海力士；日本的东芝、铠侠、日立、NEC；美国的美光、英特尔、西部数据等。

3、NAND FLASH发展介绍

经过50年的发展，闪存从EPROM 到NOR 到2D FLASH，再到现在的3D FLASH发展路径。

经过50年的闪存芯片发展，闪存容量增势迅猛，20世纪以前，主流的NOF FLASH存储容量普遍在100MB以下，到2004年，闪存存储容量进入GB时代，从2004年的发展到2011年的128GB，2013年的3D NAND Flash 技术的实践使闪存容量进一步提升，由128GB发展到现在的2TB。

NAND FLASH 原厂颗粒的竞争格局可以大致分为三个阶段：

在2013年Q4以前，三星、铠侠、镁光、海力士和英特尔为5家最大的NAND Flash原厂厂家，几乎占据了全部NAND Flash颗粒市场。

在2013年Q4到2017年Q3之间，西部数据作为另一大NAND flash原厂厂家加入竞争并占据显著的市场份额，铠侠的市占率由此下降了约10%，三星下降了5%。

2017年Q3以后，包括长江存储以内的其余厂商逐渐占据一定的市场份额，打破几乎被前6家大厂垄断的市场格局。

4、DRAM 的发展介绍

自美国Advanced Memory 推出首款1K DRAM至今已经超过50年，积累创造了1万亿美元的产值，DRAM市场格局变化风气云涌，从1980年代的百家齐放，到2000年的战国纷争，再到现在的寡头垄断，全球的DRAM市场的玩家在不断变化。

目前DRAM芯片的市场格局是三星、SK海力士和镁光统治，三大巨头市场占有率合计超过95%，而三星一家公司市占率就已经逼近50%，寡头垄断的格局使得中国企业对于DRAM芯片议价能力很低，也使得DRAM芯片成为我国受外部制约最严重的基础产品之一。

国内重要存储厂家介绍

这两年由于美帝的制裁，存储已经成为众多企业的卡脖子产品，经历过17年内涨价和交期无限长的痛苦日子，越来越多的企业参与存储的研发，加快推出新的产品。国内存储玩家有聚辰股份、长江存储、兆易创新、合肥长鑫、紫光集团等等，下面针对有特点的企业进行简单介绍。

1、聚辰股份EEPROM 市占率最高的国内企业

聚辰股份目前拥有EEPROM、音圈马达驱动芯片和智能卡芯片三条产品线， 2019年EEPROM收入占比为88.14 %，为公司核心业务。聚辰股份在 EEPROM 芯片领城市占率全球第三，是手机摄像头 EEPROM 领城占比超过 4 成，客户范围基本涵盖国内一线手机厂商，在此细分领域内是毫无争议的龙头企业。

公司在2018年公司基于1.01u EEPROM存储单元的容量128KBit 的产品实现量产，此外，公司将不断加码研发投入，开发新型EEPROM产品，提升公司的份额竞争力。

2、兆易创新国内NOR Flash龙头厂商

兆易创新是一家致力于各类存储器、控制器及周边产品的设计研发的全球化芯片设计公司。公司立足于最初的NOF Flash 不断研发，陆续推出NAND Flash 和MCU 。其中NOF Flash 收入占比超过 70 ％。兆易创新的SPI NOF Flash 在中国市场上占有率为第一，同时也是全球排名前三的供应商之一， 2O20Q1 兆易创新 NOF Flash 市场份额已达18.8 % ，累计出货量超130亿颗，年出货量超28亿颗。

NOF Flash 根据容量可分为高容量（1Gb 及以上）、中（128Mb一1Gb ）容量和低容量（128Mb以下）兆易创新主要供应中低容量的NOF Flash 产品，其市占率仍在伴随着美光和 Cypress 在低端 NOF Flash 市场的退出、公司技术能力的进步而持续提升。随着市场空间与市场份额的同步提升，公司的 NOF Flash销量未来仍有较大的提升空间。

2019 年，兆易创新 GD25 全系列 SPI NOR Flash 产品通过 AECQ100 认证，是目前唯一的全国产化车规闪存产品，可为汽车前装市场以及需要车规级产品的特定应用提供高性能高可靠性性的闪存解决方案。 2020年，公司推出国内首款 2Gb大容量高性能 SPI NOR Flash 产品，主要面向需要大容量存储、高可靠性与超高速数据吞吐量的工业、车载、 Al 以及 SG 等相关应用领域。

3、长江存储 3D NAND flash

长江存储成立于2016年7月，总部位于武汉，是一家专注于3D NAND闪存芯片设计、生产和销售的IDM存储企业，是紫光集团旗下重要的存储芯片厂商。截至目前长江存储已在武汉、上海、北京等地设有研发中心，全球共有员工5000 余人，其中研发工程师约2000人。公司于2016年底开工建设，并于2018 年底实现32层 3D NAND 的量产。公司首创XtackIng 技术，并使用该技术顺利研发出64层3D NAND ，并于2019年下半年量产256Gb ( 32GB ) TLC 3D NAND 。

长江存储由湖北紫光国器科技、国家集成电路基金、湖北科技投资和湖北国芯产业投资基金共同控股，其中湖北紫光国器科技为最大股东，占比51.04%。

长江存储专注3D NAND闪存业务，于2020年4月10日推出第三代产品128层 3D NAND 存储芯片，直接跳过96层，加速赶超国外厂商先进技术，128层 3D NAND缩小与海外厂商差距至1年。未来，128层QLC版本将率先应用于消费级SSD，并逐步进入企业级服务器、数据中心等领域，以满足未来5G、AI时代多元化数据存储需求。

4、合肥长鑫 国内领先的DRAM制造商

国内目前仅有一家DRAM制造商，合肥长鑫。合肥长鑫由合肥产投在2016年牵头成立，主攻DRAM方向。2017年，兆易创新与合肥产投签署协议，预算180 亿在合肥开展19nm 12 英寸DRAM 项目，兆易创新初始投资36亿，并约定公司在未来收购合肥产投在该项目中的权益，同时约定，合肥长鑫优先为兆易创新代工利基产品（由兆易设计）项目依托的是合肥长鑫旗下春力集成。

长鑫通过合作与协议的方式获取专利避免福建晋华的悲剧。2019 年 5 月，合肥长鑫对外公布，其DRAM 技术来源于奇梦达，通过合作获得了一千多万份与 DRAM 相关的技术文件（约2.8TB 数据） , 以及16000份专利。此后合肥长鑫又与 Polaris Innovations Ltd、蓝铂世签 iT 协议，获得 DRAM 芯片技术文件和专利许可。

5、北京君正 收购矽成重点进入车载DRAM领域

做车载领域，基本上都知道ISSI 这个厂家，无论是NAND FLASH还是DDR 都非常出名，在整个车载领域大名鼎鼎。好消息是现在已经完完全全是一家中国企业控股的企业了。2019年，北京君正公告拟以发行股份，支付现金方式合计72亿元收购北京矽成100%股权结构，并通过证券会审核。下图是整个股权示意图。

与全球存储行业龙头三星电子、美光科技等IDM厂商主要定位于通用型领域不同，ISSI的集成电路芯片产品主要定位于汽车电子、工业及通讯等专用型产品领域，有较高的毛利率以及较稳定的市场需求。随着龙头IDM厂商逐渐增大其在更先进的通用型存储芯片制程工艺的投入，在传统产品和工业级产品的产能上逐渐削减，并逐步放弃了一些小规模的市场。

北京矽成以 Fabless 模式运营，专注于集成电路产品的研发设计，凭借多年的研发积累，其芯片产品性能在极端环境下的可靠性和稳定性均处于行业领先水平，使得其产品在整机客户及汽车客户的产品中更具有市场竞争力，针对车用级客户及工业级客户的高传输速度、高容 量存储芯片可以保持良好的出货量。

存储的简单介绍

1)内存又称主存，是 CPU 能直接寻址的存储空间，由半导体器件制成

2)内存的特点是存取速率快

内存的作用

1)暂时存放 cpu 的运算数据

2)硬盘等外部存储器交换的数据

3)保障 cpu 计算的稳定性和高性能

上图非常清楚的看到不用的存储的大小不同，而且速度不同，越上面的存储器容量越小，比如L1和L2 cache这部分容量非常小，但是速度非常快，而且价格比较贵。

往下面的DDR、NOR、NAND、硬盘等等，你会发现容量越来越大，但是通讯速率会更慢，你从一个硬盘里面拷贝资料一般达到50MB/S就谢天谢地了，但是DDR可以达到2133MHZ的速率。同等容量下，越往下面的存储设备的价格也就越便宜。

科普时间到，假设家里室内烟头不小心把垃圾桶着火了，第一时间首先的灭火就是书桌上水杯里的水，然后如果还没有灭到，就是厨房里面盆子里面的水，其次才是家里的水龙头放水，最后是消防局的救援车的水。

虽然消防车的水更多更大，但是远水解不了近火，不可能打一个119电话，我家里的垃圾桶着火了，等消防局的过来，估计家里都烧成空架子了，所以这个时候就需要速度最快的解决方案，虽然杯子里面的水效率最快，此时有80%概率灭掉这个烟头产生的火，如果还不行，此时再用厨房里面盆子的水，虽然这两个装的水不多，但是效率最快。

如果火势非常大，此时就应该是自来水管的水或者消防通道里面的水来解救了，如果这两个都还解救不了，应该就是消防叔叔的消防车的高压水枪的水了。有这这个概念我们再来看看L1和L2 cache的内容。

芯片内部高速缓存介绍：

上图是全志T7的芯片内部手册图，可以从很多芯片手册上面看到有I cache和D cache 和L2 cache。这个就是上图中的L1和L2 cache 芯片内部高速缓存。

Cache，是存储器子系统的组成部分，存放着程序经常使用的指令和数据，这就是Cache的传统定义。从广义的角度上看，Cache是快设备为了缓解访问慢设备延时的预留的Buffer，从而可以在掩盖访问延时的同时，尽可能地提高数据传输率。

高速缓冲存储器Cache是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。在Cache中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从Cache中调用，从而加快读取速度。由此可见，在CPU中加入Cache是一种高效的解决方案，这样整个内存储器（Cache+内存）就变成了既有Cache的高速度，又有内存的大容量的存储系统了。Cache对CPU的性能影响很大，主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与Cache间的带宽引起的。

高速缓存的工作原理

1． 读取顺序

CPU要读取一个数据时，首先从Cache中查找，如果找到就立即读取并送给CPU处理；如果没有找到，就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中，可以使得以后对整块数据的读取都从Cache中进行，不必再调用内存。

正是这样的读取机制使CPU读取Cache的命中率非常高（大多数CPU可达90%左右），也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在Cache中，只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间，也使CPU读取数据时基本无需等待。总的来说，CPU读取数据的顺序是先Cache后内存。

2． 缓存分类

前面是把Cache作为一个整体来考虑的，现在要分类分析了。Intel从Pentium开始将Cache分开，通常分为一级高速缓存L1和二级高速缓存L2。

在以往的观念中，L1 Cache是集成在CPU中的，被称为片内Cache。在L1中还分数据Cache（I-Cache）和指令Cache（D-Cache）。它们分别用来存放数据和执行这些数据的指令，而且两个Cache可以同时被CPU访问，减少了竞相争用Cache所造成的冲突，提高了处理器效能。

在P4处理器中使用了一种先进的一级指令Cache——动态跟踪缓存。它直接和执行单元及动态跟踪引擎相连，通过动态跟踪引擎可以很快地找到所执行的指令，并且将指令的顺序存储在追踪缓存里，这样就减少了主执行循环的解码周期，提高了处理器的运算效率。

以前的L2 Cache没集成在CPU中，而在主板上或与CPU集成在同一块电路板上，因此也被称为片外Cache。但从PⅢ开始，由于工艺的提高L2 Cache被集成在CPU内核中，以相同于主频的速度工作，结束了L2 Cache与CPU大差距分频的历史，使L2 Cache与L1 Cache在性能上平等，得到更高的传输速度。L2Cache只存储数据，因此不分数据Cache和指令Cache。在CPU核心不变化的情况下，增加L2 Cache的容量能使性能提升，同一核心的CPU高低端之分往往也是在L2 Cache上做手脚，可见L2 Cache的重要性。现在CPU的L1 Cache与L2 Cache惟一区别在于读取顺序。

3. 读取命中率

CPU在Cache中找到有用的数据被称为命中，当Cache中没有CPU所需的数据时（这时称为未命中），CPU才访问内存。从理论上讲，在一颗拥有2级Cache的CPU中，读取L1 Cache的命中率为80%。也就是说CPU从L1 Cache中找到的有用数据占数据总量的80%，剩下的20%从L2 Cache读取。由于不能准确预测将要执行的数据，读取L2的命中率也在80%左右（从L2读到有用的数据占总数据的16%）。那么还有的数据就不得不从内存调用，但这已经是一个相当小的比例了。在一些高端领域的CPU（像Intel的Itanium）中，我们常听到L3 Cache，它是为读取L2 Cache后未命中的数据设计的—种Cache，在拥有L3 Cache的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。

为了保证CPU访问时有较高的命中率，Cache中的内容应该按一定的算法替换。一种较常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算法），它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局。因此需要为每行设置一个计数器，LRU算法是把命中行的计数器清零，其他各行计数器加1。当需要替换时淘汰行计数器计数值最大的数据行出局。这是一种高效、科学的算法，其计数器清零过程可以把一些频繁调用后再不需要的数据淘汰出Cache，提高Cache的利用率。

这期先把片内的高速缓存先讲解了，后面几期是E2PROM、NOR FLASH、NAND FLASH、EMMC、DDR的内容。