DRAM 與 SRAM 的差異:結構、速度、成本、用途比較

DRAM 以電荷的形式將 1 位元記憶在 1 個電容中,因此可以做得小、做得便宜,但需要定期更新。SRAM 則記憶在由電晶體構成的閂鎖電路中,速度快且不需要更新,但每位元所佔的面積較大。因此,大容量的主記憶體使用 DRAM,小容量而高速的快取則使用 SRAM。

項目DRAMSRAM
記憶機制1 個電晶體加 1 個電容(1T1C)。電容中是否累積電荷代表 0 與 1通常為 6 個電晶體(6T)。由 2 個反相器交叉耦合而成的閂鎖電路,以及 2 個存取電晶體構成
更新(Refresh)需要。因為電荷會洩漏,必須每隔一段時間(一般在 64 ms 以內)對所有列進行讀取並重新寫入不需要。只要電源持續供應,閂鎖電路就會保持資料
斷電時資料會消失(揮發性)資料會消失(揮發性)
每位元的面積小(單元面積約 6F²,F 為最小加工尺寸)大(為 DRAM 的 10 倍以上)
速度較慢。需要列選取(啟動)與預充電,存取需要數十奈秒快。處理器內的 SRAM 可在 1 奈秒左右(數個時脈週期)完成存取
每位元的成本低高(因為面積較大)
待機時的耗電待機時也需要更新(以自我更新模式來抑制)不需要更新,但在大型陣列中電晶體的漏電流會累積
製程使用深溝槽結構的電容與高介電常數(high-k)薄膜,在專用的記憶體晶圓廠製造可用標準的邏輯 CMOS 製程製造,並能與處理器放在同一顆晶片上
典型容量每顆晶片數 Gbit 至數十 Gbit處理器的各層快取為數 KB 至數十 MB
主要用途主記憶體(DDR、LPDDR)、圖形記憶體(GDDR、HBM)CPU、GPU 的快取,暫存器檔案,晶片內的小型高速緩衝區

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
想壓低成本取得大容量,且可容忍一些延遲時。例如個人電腦、伺服器、智慧型手機的主記憶體,以及 GPU 的圖形記憶體。
SRAM
容量小也無妨,但以速度為最優先時。例如 CPU 的快取、暫存器檔案,以及不想配置更新電路的小型緩衝區。
搭配使用
實際的電腦兩者都會使用。將常用的資料放在快速的 SRAM 快取中,以隱藏較慢的 DRAM 的延遲。

常見問題

SRAM 比 DRAM 快嗎?

是的。SRAM 將位元保存在由電晶體構成的閂鎖電路中,因此晶片內的 SRAM 可在 1 奈秒左右完成存取。DRAM 必須先選取列,需要數十奈秒。因此 CPU 的快取使用 SRAM。

為什麼 DRAM 比 SRAM 便宜?

DRAM 的單元只由 1 個電晶體和 1 個電容構成,而 SRAM 的單元通常需要 6 個電晶體。單元較小,同樣的矽面積就能容納多得多的位元,每位元的成本也隨之降低。

為什麼 DRAM 需要更新?

DRAM 單元的電容會一點一點地洩漏電荷,因此必須在資料消失之前,定期(一般在 64 ms 以內)讀取並重新寫入。SRAM 只要電源持續供應就會保持其值,所以不需要更新。

DRAM 與 SRAM 是非揮發性的嗎?

兩者都不是非揮發性。斷電後資料都會消失。快閃記憶體、MRAM、ReRAM 等非揮發性記憶體,即使沒有電源也能保持資料。

理解度檢測

下列關於一般 6 電晶體型 SRAM 單元的組成,何者正確?

  1. A兩個交叉連接的反相器,加上兩個存取電晶體
  2. B1 個電晶體加 1 個電容
  3. C6 個具有浮動閘極的電晶體串聯
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正確答案:A. 兩個交叉連接的反相器,加上兩個存取電晶體

6T SRAM 單元由閂鎖電路(4 個電晶體,兩個反相器彼此的輸出接到對方的輸入)與 2 個控制位元線連接的存取電晶體所組成。由於以正回授維持狀態,只要電源開啟就不需要更新。單元面積約為 120~150F²,大約是 DRAM 的 20 倍,但可用與邏輯電路相同的製程製作且速度快,因此是 CPU 快取記憶體的主力。

關於 SRAM 的性質,下列何者正確?

  1. A電源開啟期間不需更新即可保存資料,但斷電後資料會消失
  2. B斷電後資料仍會保留
  3. C需要定期更新
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正確答案:A. 電源開啟期間不需更新即可保存資料,但斷電後資料會消失

SRAM 以閂鎖電路的正回授保存資料,因此只要電源開啟就不需要更新,但因為是揮發性,斷電後資料會消失。存取速度約 1 ns,非常快,用於 CPU 的快取與暫存器檔案。待機時電晶體的漏電流仍會流動,所以容量變大時待機功耗成為問題,因而會使用降低電源電壓以保存資料的省電模式。

SRAM 主要使用的用途,下列何者最恰當?

  1. A數位相機的記錄媒體
  2. B大容量資料的長期保存
  3. CCPU 的快取記憶體
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正確答案:C. CPU 的快取記憶體

SRAM 不需更新、可用與邏輯相同的製程製作,且能在約 1 ns 內存取,因此用於 CPU 的快取(L1~L3)與暫存器檔案。最近的 CPU 中,也有擁有數十~數百 MB 的 L3 快取者,還出現了將晶片縱向堆疊以增加 SRAM 的產品。每位元面積大、成本高,因此不適合大容量的主記憶體。

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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。
6T SRAM 單元
由交叉耦合的兩個反相器(4 個電晶體)與 2 個存取用電晶體所構成的 SRAM 記憶單元。
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。
快取記憶體
設置在 CPU 附近的高速、小容量記憶體。保存常用資料,以緩和與主記憶體之間的速度差。主要由 SRAM 製成。

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