作者：吳 政道
来源：technews
去年Intel 发布第六代 Core i 系列的 CPU。在这一系列的 CPU 中，新增支持 DDR4 内存的功能，正式将 DDR4 内存导入消费型市场，而非高端玩家限定。藉由提升内存存取的速度，CPU 可以用更短的时间进行资料的传输。然而，什么是内存？
内存是用来存放电脑中的资料，像是我们常见的硬盘或是随身碟都是内存的一种。目前会将内存分成两类，一为系统主内存（RAM），另一为储存内存。然而，因为技术的演进，一种内存可以有多种归类，导致目前市场并没有统一的中文说法，形容这两个不同用途的内存。因此，消费者常不清楚这两者的差异。在本篇中，将以 RAM 和储存内存做区别。
▲ 此图为 3 家手机业者旗舰机的规格，光这 3 家就用 3 种不同的名词来描述相同的东西，目前急需一种统一且正确的中文讲法。
首先，储存内存，是用于资料储存。像是下载的 App、手机拍的照片、喜欢听的音乐等日常生活产生的资料，皆存放于储存内存中，因此，厂商会提供不同大小的容量给消费者选择，或是让消费者可外插一张 SD 卡，做为手机储存内存的扩充。越大的空间便可储存更多的照片、音乐等资料。
▲ iPhone 会提供不同的储存内存规格供消费者选择，但看不到 RAM 或内存等名词。或许 Apple 这么做有诸多考量，然而对消费者来说，名词越少会让选购产品变得轻松。
另一为系统主内存（RAM），此内存仅供电脑系统使用，一般的消费者无法选择将资料储存于此，各种操作系统会自动规划，这些操作系统中执行或待执行的所有程序，以及读取的资料皆暂放在其中。
因为系统主内存的大小会影响程序运行的流畅程度。因此，对经常执行大型程序或影像处理软件的使用者， 越大的 RAM 会有越好的使用者体验。这也就是为何近期发布的 iPad Pro 会大幅提升它的 RAM 容量，不然现有的内存空间将无法负荷影像处理的需求。
目前，最简单的分法，便是用 GB 数做判断。GB 较大的就是储存内存，较小的则是 RAM。
系统的缓冲空间：DRAM
DRAM 全名 Dynamic Random-Access Memory，是 RAM 的其中一个分支，也是目前大多数产品采用的技术。目前，DRAM 效能的演进速率和 CPU 相比，相当的缓慢。CPU 依循着莫尔定律，每 1.5 年效能提升一倍。然而，DRAM 却没有如此快速的提升，大约 10 年才能翻倍，形成效能上的落差。
当然，不可否认地，目前电脑的瓶颈并非在 DRAM 上，对高效能的 RAM 没那么大的需求。将传统的硬盘换成固态硬盘（SSD）所感觉到的效能提升，远比 DRAM 升级还有感觉，毕竟固态硬盘的传输速度是传统硬盘的 10 倍以上，远比 DRAM 升级的两倍加速有明显差异。但是，做为系统的主内存，越高的效能便代表能以越快的速度将资料送进 CPU 中进行运算，对于预算足够的消费者而言，DRAM 的效能提升相当重要。
▲ CPU 和 RAM 间的效能落差，是拖延 CPU 运算的速度的原因之一。（Source: slideshare）
现行 DRAM 主流规格：DDR SDRAM
DDR SDRAM 为目前主流的产品，其中，SDRAM 全名为同步动态随机存取内存（Synchronous DRAM）。SDRAM 的特性是让 DRAM 内部的工作时脉和主机板同步，以此提高存取的速度。
工作时脉就像是电子元件内部的时钟，电子元件会依循这个时钟做事。将时脉同步就像是设定一个标准时间，让电脑内部的元件可以依循着标准时间做事。像是流水线生产，会设定每一站的完成时间并彼此对时，如此便能稳定的将工作传下去，大幅提升工作效率。
至于 DDR 则是双倍数据率（Double Data Rate），藉由 DDR 的技术，将一个工作时脉切分成两份，就像是原本要一分钟才能完成一份工作，藉由将 1 分钟分成两个 30 秒，并在这两个 30 秒内完成工作，就能在相同的时间内完成两倍的工作量。大幅提升资料传输的速度。
▲ 和 DRAM 一开始采用的 SDR 技术相比，DDR 可以在一个时脉内读两次资料。（Source：Wikipedia）
将这两种特性结合在一起的产品，便是 DDR SDRAM。目前市场上的产品有 DDR3-1600 以及 DDR4-2133 等。其中，DDR3-1600 中的 1600 代表什么？在内存规格中，有一个用来衡量内存传输速度的单位，MT/s。MT/s 为 MegaTransfers per Second 的缩写，意思是在一秒内可传输几次资料。因此 DDR3-1600 便代表该产品具有 1600MT/s 的效能。
但是，MT/s 这个单位仅用于内存效能中，要将其转换成常见的 Gbps。Gbps 是用来衡量每秒钟有多少资料传输，像是 4G 移动上网的速度、硬盘传输等皆是以此做速度快慢的衡量。1600MT/s 只需乘上 DDR3 的内存线宽 64bit，便是 102.4Gbps。要乘上线宽是因为 MT/s 只代表一秒可传输几次资料，一次传输的资料量则是由线宽决定。因此，DDR3 后面所接的数字便代表着该内存的传输效率。
记忆力决定电脑的超能力──储存内存
内存，是用来存放电脑中的资料，依据使用功能可以区分成两种类型，一为系统主内存（RAM），另一为储存内存。在前一篇中已经对 RAM 的其中一个分支 DRAM 做初步的说明。
（在前一篇中有读者对于将 RAM 翻成系统主内存有质疑，笔者很清楚这两者并非是同种东西，但是现行国内消费性电子产品市场上对于主内存的标注相当混乱，想选一个比较客观的描述做代替，便以英文版 Wikipedia 上的内容做依据。然而目前英文版的内容也有所问题，无法做更正确的解释。因此，急需有力人士将内存分类做更完善的定义，供业界以及学习者参考。）
在本篇中，将进一步介绍储存内存。储存内存是用来存放电脑所有档案的地方，越大的储存空间就可以放更多资料。像对部分的男生来说，传说中的 D 槽都是以 TB 起跳的，大容量的硬盘是相当重要的。
目前，市面上有两种主流产品用做储存内存，分别为固态硬盘（SSD）以及传统硬盘（HDD）。这两者有其独特的运作方式以及优缺点，在本文中将一一介绍。
传统硬盘，大量资料储存的选择
硬盘（Hard Disk Drive），在大多数的笔电或桌机中皆可看到其身影。目前一般消费者可以购买到的 HDD，容量从 500GB 起跳至 6TB 为止，一颗硬盘就可以储存相当大量的资料。因此，HDD 相当适合存放大量的档案。
about-ssd-hdd-1.jpg1920x1469 242 KB ▲ 此图为 2.5 寸的硬盘，常用在笔电中。和 3.5 寸硬盘相比，耗电量较低。（Source：Wikipedia）
传统硬盘的运作方法是以中心的马达旋转碟片，接着磁头会在碟片上移动以便寻找资料，如下图。常见硬盘旋转的速度有每分钟 5,400、7,200 转两种，其中，5,400 转的硬盘大多为 2.5 寸的硬盘，因运转速度较慢，耗电量较低，只需用 USB 传输线供电即可。至于 7,200 转以上的硬盘则多为 3.5 寸硬盘，需额外的电源供给。
（Source：YouTube）
提升硬盘的读取效率，硬盘分区！
至此，我们已知硬盘是将资料储存于一张圆形的碟片上。然而资料究竟要如何摆放？在圆形的碟片上，资料的摆放有很多种，在这里将介绍 3 种。
1.类似黑胶唱片，以螺旋状的摆法，由外到内，只有单一一条路径，在读资料时，可以顺顺地从头的读到尾。但是这样的储存方式不适合硬盘这种会动态读写的运作机制。因为在动态写资料进入硬盘时，将无法迅速且准确的区分不同资料的位置。
2.类似 DVD，以同心圆的方式，将资料一圈又一圈的摆放，如下图。然而，缺点是最外圈单圈可储存资料量比内圈单圈还要多，不同容量的储存空间会不利于资料读写以及分类。单一化的模式较适合电脑。
3.将同心圆内的每圈切成多块大小相同的区间。如此，就能够将获得单一模式的区块，下图为分块的示意图，实际上的切法会有差异。
▲ 同心圆，在每一圈的间距皆相同的情况下，白色单圈的面积比红色单圈面积大。面积的大小直接影响可储存的资料量。（Source：Wikipedia）
▲ 藉由将同心圆再分成多个区块，如此便可均分硬盘的容量至每一区块
传统硬盘是以机械式的转轮运转碟片，并且使用机械轴控制磁头，因此，机械马达的运作速度会影响读取资料的速度，现行 7,200 转硬盘读取资料的极限速度大致在 200MB/s 左右。此外，如果在运行的过程中，突然遇到激烈的震动，磁头有可能和碟片相撞，导致硬盘受损。于是，一种非动态且可以更高速传输的硬盘闪耀登场。
固态硬盘，高速传输的不二选择
固态硬盘（Solid State Disk），做为传统硬盘市场的挑战者，它不会因为运转期间的剧烈震动而导致坏损。同时，也因为不需要机械式的转轴以及读取头，资料读取的速度可以大幅提升。目前，高端的笔记本电脑，大多采用此类的硬盘。
about-ssd-hdd-3.jpg2560x1680 391 KB ▲ 市面上常见的 SSD，外观和 2.5 寸的传统硬盘一样。因此，可以轻易地将笔电从传统硬盘升级成固态硬盘。
其中，固态硬盘是硬盘形式的总称。它可以再依据储存内存采用的技术分成几类。
1.以 DRAM 做为内存。和前一篇所述的系统内存，将 DRAM 当成只有系统可以读取不同，这边的 DRAM 是做为资料储存用。因为 DRAM 有较高的读取速度，因此部分使用者会将需要较高速执行的程序放在 DRAM 中执行，如此便能让程序运行的更快。然而，DRAM 的价格较高以及会有失去资料的风险。
2.以 NAND Flash 做为内部内存，是目前市面上主流的技术，此外，手机内部的储存内存也是采用此技术。在下一篇中会有更进一步的介绍。
3.3D Xpoint、3D V-NAND 及将来其他的技术。
总体来说，传统硬盘和固态硬盘的优缺点如下：
现行储存界的王者 NAND Flash
NAND Flash，做为现行固态硬盘以及手机储存空间的主流技术，它有高速传输以及抗震的优点，使其成为现行移动设备的市场占有者。然而，它究竟是怎么运作的？市场上常听到的 SLC、MLC 又是什么东西？以下将一一说明。
便于管理，NAND Flash 分区！
一片 Flash 的内部会被区分成很多块（block），每一块再细分成许多页（page）。我们可以将一片 Flash 比拟成一个书柜，书柜内部有很多本笔记本（block），每本笔记本里都有相同样数量的页面（page），有些页面有资料，有些是空白的，就像是我们手机或笔电的储存空间一样，有些地方有资料，有些地方是空的。
当我们要在书柜中找资料时，因为笔记本已经分门别类地放在架上，而且我们有张小抄记得要找的资料在哪一页。因此，我们可迅速的找出该本笔记本，直接翻到该页查看资料。当要修改笔记本内部的资料时，则会找一空白的页面，将修改后的资料写在此页上，把原本那一页涂黑，并记下新的资料在那边。
在 Flash 内部，有个专门的元件负责管理资料的存放，而 flash 的结构就像是书柜一样。因此，我们可以轻易地如上所述那样寻找资料以及撰写资料。
因为修改资料是直接涂黑而非擦掉，因此，当其中一本笔记本差不多被涂黑之后，就只能将有用的资料抄至别处，直接换一本新的笔记本。Flash 则是当其中一块里面的页面都差不多不能再写资料的时候，将有用的资料存到另一块中，将不能读写的那一块重新充电，让该块变得像新的一样。
速看元件结构，揭开 NAND Flash 的面纱
一个 NAND Flash 单元的结构如下图。和 MOSFET 相比，它多了浮闸（Floating Gate），NAND Flash 便是藉由这个元件储存资料。
▲ 此为 Flash 的结构，除了 Floating Gate 的部分外，剩下的构造皆和 MOSFET 类似。
▲ 将 Flash 的单元以 NAND 逻辑闸的方式排列，便成为 NAND Flash。（Source：wikipedia user Cyferz [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons）
当要将电子存放进浮闸时，便是调整控制闸（Word Line Control Gate）的电压，让部分电子以量子穿隧效应跃进浮闸。当电子充满浮闸时，它便代表 0，当浮闸内部没有电子时，则代表着 1。一旦要写资料进入 memroy 中，则将部分元件的电子导出浮闸。这样便可形成 0 和 1 相间的排列方式，满足储存资料的目标。
如果将多个 Flash 单元，以 NAND 逻辑闸的排列方式排列，如右上图。这类的 Flash 便被称为 NAND Flash。采用这个排列方式的 Flash 所具备的优点是可以减少 Source Line 和 Bit Line 的数量，在寸土寸金的晶圆上，容纳更多的储存元件。缺点则是读资料时，一次只能读取一个元件，不能整条一起读，以及欲充电时，必须将整条 NAND Flash 单元一起充电。
当我们将多条 NAND Flash 单元摆放在一起，如下图。便会形成一片 Flash。Page、Block 在硬件中大致是依此方法分配。
▲ 2D NAND Flash 实际制作出来的电路简图，由图中可以明显得知 Block 是将多个 Page 组合起来而成。（Source：Slideshare）
在既存结构下塞入更多资料，MLC
上面介绍的 NAND Flash 被归类在 SLC（Single Level Cell）中，SLC 是指在一个 NAND Flash 单元中，只储存一单位的资料，也就是 0 或 1。然而，制程演进的速度跟不上使用者对大容量 Flash memory 的需求。
因此，制造商便想到可以在单一 Flash 单元中，依据电子存放的多寡来分成4个等级。每一个等级代表一种资讯排列，分别为 00、01、10、11。如此，便可在既有的技术下，提供两倍的储存容量。采用这种技术的 NAND Flash 便被称为 MLC（Multi-Level Cell）。
然而，因为 MLC 是将原本元件再多分2级，导致在电子数量的判断上，将更加严格，让 MLC 对错误的容忍度比 SLC 低，寿命也较短。至于现在逐渐在市场出现的 TLC（Triple-Level Cell），则是在一个 Flash 单元中分成 8 个等级，分别为 000、001、010、011、100、101、110、111。可想而知，TLC 的寿命必定小于 MLC。
NAND Flash 的寿命，读写次数上限
NAND Flash 会有寿命是因为在写资料的时候，需要施加较高的电压，将电子强行跃过绝缘体，以进入浮闸，或离开浮闸。每次执行这个步骤时，都会对绝缘体层造成伤害。渐渐的，绝缘体层将失去隔绝电子的能力，使浮闸无法再保存资料。
此外，大多数的使用者会频繁的使用部分程序，电脑在读写资料的时候将无法平均的读写整片内存，而是频繁的使用特定几块（block）。为了避免特定几块被迅速的使用而导致内存容量下降，制造商会再加上控制器，以变换定址的方式，平衡每一块的使用次数，让 NAND Flash 有更长的寿命。
因为有控制器在监控内存的使用情形，目前已经不需要太担心 NAND Flash 的寿命，只要硬盘不要装满资料，留有部分的空间做平衡读写，基本上再换新电脑前，硬盘都不会有坏掉的问题。
在考虑传输速度以及单位储存空间的价钱。现在以 NAND Flash 为核心的 SSD 逐渐成为主流，开始侵蚀传统硬盘的市场，称 NAND Flash 为现行储存界的王者，相当合适。
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