DRAM 與 NAND 快閃記憶體的差異:揮發性、速度、容量、用途比較

DRAM 是以電容中的電荷記憶資料的記憶體,能高速讀寫,但斷電後資料就會消失。NAND 快閃記憶體將電子封存在被絕緣膜包圍的層中來記憶資料,因此斷電後資料仍會保留,每位元的成本也能壓低,但讀寫比 DRAM 慢得多,可抹寫的次數也有限。因此,在個人電腦與智慧型手機中,DRAM 用作工作用的主記憶體,NAND 則用於 SSD 等儲存裝置。

項目DRAMNAND 快閃記憶體
記憶機制1 個電晶體加 1 個電容(1T1C)。以電容中是否有電荷來記憶可改變臨界電壓的電晶體。以儲存在浮動閘極或電荷捕捉層中的電子量來記憶
斷電時資料會消失(揮發性)資料會保留(非揮發性)
更新需要(一般在 64 ms 以內更新所有列)不需要。但電荷會一點一點流失,因此能保存資料的期間有限
讀寫單位能以細小的單位隨機讀寫(實際上是數十位元組的突發傳輸)讀取與寫入以頁(數 KB~十數 KB)為單位,抹除則以更大的區塊為單位
覆寫可以直接覆寫無法覆寫。必須以區塊為單位抹除後再寫入
存取所需時間數十奈秒讀取約數十微秒,寫入更長,約數百微秒
抹寫次數實用上沒有限制有限(參考值:SLC 約 5 萬~10 萬次、TLC 數千次、QLC 約 1,000 次)
提高容量的方法微縮,以及電容的立體化(又深又高的電容結構)將單元垂直堆疊的 3D NAND,以及在 1 個單元中放入多個位元的多值化
每位元的成本高比 DRAM 低得多
主要用途個人電腦與伺服器的主記憶體、智慧型手機的 LPDDR、GPU 的 GDDR 與 HBMSSD、智慧型手機的內建儲存空間、USB 隨身碟、SD 記憶卡

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

DRAM
想讓 CPU 或 GPU 快速讀寫運算中的資料時。用於存放執行中程式與資料的主記憶體。
NAND 快閃記憶體
想以低成本保存大量資料,且沒有電源也能保留時。用於保存作業系統、應用程式、照片與影片等的儲存裝置。
搭配使用
電腦會先將保存在 NAND 中的資料讀入 DRAM,再進行處理。SSD 中也有搭載 DRAM、用來暫存管理資訊的產品。

常見問題

DRAM 與 NAND 最大的差異是什麼?

在於斷電時資料是否會保留。DRAM 是斷電後資料就會消失的揮發性記憶體,NAND 是斷電後資料仍會保留的非揮發性記憶體。DRAM 速度快,NAND 容量大且便宜,因此兩者分工使用。

這和個人電腦的「記憶體」與「儲存空間」的差異一樣嗎?

大致是相同的關係。個人電腦規格中寫的「記憶體」是 DRAM,「儲存空間」SSD 的內部則是 NAND 快閃記憶體。

為什麼 NAND 的抹寫次數有限?

因為每次寫入與抹除時,電子都會穿過很薄的絕緣膜,使絕緣膜一點一點受損,逐漸難以保持電荷。SSD 的控制器會透過將寫入分散到整體的耗損平均(wear leveling)與錯誤更正,來延長壽命。

DRAM 與 NAND 是由同一家公司製造的嗎?

有同時製造兩者的公司。Samsung、SK hynix、Micron Technology 都同時製造 DRAM 與 NAND。Kioxia 則以製造 NAND 為主。

理解度檢測

下列何者是一般DRAM的1位元記憶單元的正確結構?

  1. A1個電晶體與1個電容
  2. B6個電晶體
  3. C具有浮動閘極的1個電晶體
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正確答案:A. 1個電晶體與1個電容

DRAM的單元由1個電晶體與1個電容(1T1C)構成,依電容中有無電荷來記憶1位元。電容約為10 fF左右,非常小,僅憑數萬個電子的差異來區分0與1。由於元件數量少,單元面積小至約6F²,適合大容量化。6個電晶體是SRAM,具有浮動閘極的電晶體則是快閃記憶體的單元結構。

DRAM需要定期執行更新(refresh)動作的原因,下列何者正確?

  1. A為了提高讀取速度
  2. B因為寫入次數有上限
  3. C因為儲存在電容中的電荷會因漏電流而逐漸流失
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正確答案:C. 因為儲存在電容中的電荷會因漏電流而逐漸流失

電容的電荷會因單元電晶體的次臨界漏電(subthreshold leakage)與接面漏電而一點一點流失。在資料無法判讀之前先讀出並重新寫入,就是更新,在DDR4以前的規格中要在64 ms內、DDR5則要在32 ms內將所有列輪過一遍。更新期間該記憶體區塊(bank)無法存取,也會消耗電力,因此容量越大負擔越重。寫入次數有上限是快閃記憶體的特徵。

下列何者是DRAM的性質?

  1. A是斷電後資料即消失的揮發性記憶體
  2. B是斷電後資料仍會保留的非揮發性記憶體
  3. C是無法改寫資料的唯讀記憶體
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正確答案:A. 是斷電後資料即消失的揮發性記憶體

DRAM以電荷來記憶資訊,斷電後電荷無法保持,資料便會消失,是揮發性記憶體。即使通電也需要更新,這點與同為揮發性的SRAM不同。不過,在剛斷電後立即冷卻,資料有時會殘留數秒至數分鐘,利用這一點讀取記憶體內加密金鑰的「冷開機攻擊(cold boot attack)」廣為人知。屬於非揮發性的是快閃記憶體等。

  1. 與 NOR 型相比,NAND 型快閃記憶體的特徵,下列何者正確?
  2. NAND 型快閃記憶體抹除資料的單位,下列何者正確?
  3. 關於 3D NAND 型快閃記憶體的說明,下列何者正確?
  4. 下列何者是占記憶體半導體市場銷售額大部分的兩項產品之正確組合?

前往DRAM的練習題

相關名詞的解說

1T1C 單元
以 1 個電晶體與 1 個電容儲存 1 位元的 DRAM 記憶單元。以電容有無電荷表示 0 與 1。
更新(Refresh)
在 DRAM 電容的電荷因漏電而消失之前,定期讀出資料並重新寫入的動作。
NAND 型快閃記憶體
記憶單元以串聯方式連接的非揮發性記憶體。容易高密度、大容量化,用於 SSD 與記憶卡。
3D NAND
將 NAND 快閃記憶體的記憶單元在垂直方向堆疊許多層以達成大容量。為突破平面微縮的極限而導入,堆疊層數已達 200 層以上。
非揮發性記憶體
關閉電源後所記憶的資料也不會消失的記憶體。例如快閃記憶體與 MRAM 等。DRAM 與 SRAM 則是揮發性。
損耗平均
為避免快閃記憶體的覆寫集中在特定區塊,而分散寫入位置以延長壽命的技術。

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