存储器和硬盘，有哪些区别？

常听闻中国台湾有两大优势产业，分别与 DRAM 和面板相关。那么，DRAM 到底是什么意思呢？DRAM 实际上是我们日常所使用内存的一种类型。

内存还包含 SRAM、SDRAM、DDR3、DDR4、NOR Flash 等多种类型。若想知道当前 DRAM 与 NAND Flash 价格为何居高不下，至少需要先明白 “什么是内存”。

例如，近期价格大幅上涨的 NAND Flash 闪存，它的含义到底是什么呢？它是否属于内存范畴呢？从其功能角色来看它更类似于硬盘。

从广义上来说，具备存储功能的硬件都可以被称为内存相关硬件。那么硬盘与内存之间到底存在哪些差异呢？在了解冯・诺依曼架构以及 CPU 与内存的简单运行原理之后，相信大家对硬件元件已经有了初步的认识。接下来为大家详细介绍：内存的定义是什么？硬盘的定义是什么？两者的差异体现在哪些方面？

内存与硬盘有哪些区别？

内存具有很多地址（Address），并且 CPU 对内存进行读取、写入操作，其实这些涉及的都是 “主内存” 相关部分。

硬盘与内存的差异在于电源关闭后，其所储存的资料是否还能保留。

即便电源关闭，硬盘中的资料也不会消失。此时用户可能会有疑问：按照冯・诺依曼架构，“要被执行的程序和资料” 不是应该保存在内存中吗？确实如此，但这是在电脑开启后，从硬盘 “复制一部分资料” 到内存里的情况。

为什么要在 CPU 中设置寄存器呢？这是因为 CPU 在进行运算时，从寄存器中获取数据比从内存中获取数据的速度更快。

所以内存是用于运行 “正在执行中的程序和资料”，这些程序和资料是先从硬盘中复制过来的。CPU 从内存中读取数据的速度与 CPU 不通过内存而直接从硬盘读取数据的速度相比，前者比后者快约数百万倍。

简单来讲，电脑的运行就如同办公场景，喝饮料、看书、听音响…… 当想要同时使用更多东西时，桌面（内存）就需要越大。而其他暂时未使用的东西，则会存放在抽屉（硬盘）里。

存储单元从快到慢：寄存器 > 缓存 > 主内存 > 硬盘

从存储介质特点角度

寄存器：寄存器是 CPU 内部的存储单元，它与 CPU 的运算单元紧密结合。由于其物理位置就在 CPU 内部，数据传输路径极短，几乎没有延迟，所以它的速度是最快的。寄存器通常用于暂存 CPU 在执行指令过程中需要频繁使用的数据，比如指令操作数、地址信息以及运算的中间结果等。

缓存（Cache）：缓存的速度仅次于寄存器。它是位于 CPU 和主内存之间的高速缓冲存储器。其主要作用是存储 CPU 近期可能会再次访问的数据，以减少 CPU 访问主内存的次数。因为缓存的容量比寄存器大，但又比主内存小很多，所以可以使用高速的存储材料和优化的存储结构来实现相对较快的数据读写速度。

主内存（Main Memory）：主内存通常是指计算机中的内存条，它的容量比缓存大得多，但速度相对较慢。主内存用于存储正在运行的程序以及这些程序所使用的数据。当 CPU 需要执行程序或处理数据时，会将相关的数据从主内存加载到缓存或者寄存器中进行处理。

硬盘（Hard Disk）：硬盘是计算机中用于长期存储数据的设备，它的容量通常非常大，但数据读写速度与前三者相比最慢。硬盘包括机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD），机械硬盘通过磁头在旋转的磁盘上读写数据，而固态硬盘则是基于闪存芯片进行数据存储。虽然固态硬盘的速度比机械硬盘快很多，但仍然远远慢于内存和缓存等。

从计算机体系结构和数据处理流程角度

在计算机运行程序时，数据从硬盘中读取并加载到主内存中，这是因为硬盘存储容量大，可以长期保存大量的程序和数据。当程序开始运行，CPU 需要处理数据时，它会先从主内存中读取数据到缓存，再从缓存加载到寄存器进行运算。这个过程是一个分层级的数据获取和处理过程，每一层级都在速度和容量之间进行了权衡。

从硬盘到主内存，再到缓存和寄存器，数据的存储容量逐渐减小，但数据的访问速度逐渐加快。这种分层结构使得计算机能够在大容量存储和快速数据处理之间找到平衡。例如，当一个程序需要反复访问某一部分数据时，这部分数据会先被加载到主内存，如果它被频繁访问，就可能会被进一步加载到缓存中，而最常被访问的数据甚至会被暂存到寄存器中，这样可以大大提高计算机的整体运行效率。

存储器分为易失性和非易失性

易失性存储器是一种在电源关闭或中断时，其所存储的数据会迅速丢失的存储设备。

这类存储器通常依赖于持续的电源供应来维持存储的数据状态。例如，动态随机存储器（DRAM）的基本存储单元是由电容器和相关的晶体管组成。电容器可以存储电荷，电荷的有无代表了二进制数据中的 0 和 1。但由于电容器存在漏电现象，所以需要定期对其进行刷新操作（一般每 64 毫秒刷新一次），以保持数据的准确性。而静态随机存储器（SRAM）则是基于双稳态触发器来存储数据，只要电源持续供电，数据就能稳定保持，但它的每个存储单元需要更多的晶体管，成本相对较高。

其特点为：

速度快：易失性存储器的读写速度通常较快，能够快速地与计算机的处理器进行数据交互。例如，现代 DRAM 的内存模块可以在纳秒级别的时间内完成数据的读写操作，这使得计算机能够高效地运行各种程序和处理复杂的计算任务。

容量较大：在计算机系统中，易失性存储器（如 DRAM）可以提供相对较大的存储容量。目前常见的计算机内存条容量从几 GB 到几十 GB 不等，可以满足计算机运行操作系统、多个应用程序以及处理大量临时数据的需求。

数据易丢失：这是易失性存储器的一个显著缺点。一旦电源出现故障、设备突然断电或者系统崩溃等情况，存储在其中的数据将无法恢复。

非易失性存储器是指在电源关闭后仍能长期保留所存储数据的存储设备。

不同类型的非易失性存储器工作原理有所不同。例如，只读存储器（ROM）在制造过程中就通过特殊的工艺将数据固化在芯片内部，用户无法对其进行修改。闪存（Flash Memory）则是利用浮栅晶体管来存储电荷，通过控制浮栅上的电荷数量来表示不同的数据状态。当电源关闭时，浮栅上的电荷能够长时间保持，从而实现数据的非易失性存储。

其特点为：

数据持久性：非易失性存储器的最大优势在于其数据在电源关闭后不会丢失。这使得它非常适合用于存储那些需要长期保存的重要信息，如计算机的启动程序（BIOS）、移动存储设备中的文件等。

多种类型与用途：非易失性存储器有多种类型，包括 NOR Flash、NAND Flash、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）等。NOR Flash 具有随机读取速度快的特点，常用于存储设备的启动代码等关键信息；NAND Flash 则以其高存储密度和相对较低的成本广泛应用于 U 盘、存储卡、固态硬盘（SSD）等大容量存储设备中；EEPROM 则常用于一些需要频繁修改少量数据且对数据持久性有要求的场合，如电子设备中的配置信息存储。

读写速度相对较慢：与易失性存储器相比，非易失性存储器的读写速度通常较慢。例如，常见的 NAND Flash 的读写速度一般在几十微秒到几百微秒之间，比 DRAM 的读写速度慢了几个数量级。

擦写次数有限：部分非易失性存储器（如闪存）存在擦写次数限制。例如，NAND Flash 一般可以承受数千次到数万次的擦写循环，超过这个次数后，存储单元可能会出现故障，导致数据存储不可靠。

易失性存储器（DRAM / SRAM）深度剖析

动态随机存取存储器（DRAM）

DRAM 的基本存储单元由一个电容器和一个访问晶体管组成。电容器用于存储电荷，电荷的有无代表二进制数据中的 0 和 1。访问晶体管则起到控制电容器与外界电路连接的作用。

数据存储：当写入数据时，通过字线（Word Line）和位线（Bit Line）的控制，给电容器充电（存储数据 1）或者放电（存储数据 0）。由于电容器存在漏电现象，即使没有外界干扰，其存储的电荷也会逐渐流失。

数据读取：读取数据时，通过激活字线，使访问晶体管导通，电容器上的电荷会在位线上产生微小的电流变化。通过检测位线上的电流变化，就可以判断电容器中存储的数据是 0 还是 1。

刷新操作：为了保持数据的准确性，需要定期对电容器进行刷新。刷新操作是将存储单元中的数据读出，然后再重新写入，以补充电容器中流失的电荷。整个 DRAM 芯片通常被划分为多个存储单元阵列，每个阵列都需要按照一定的时间间隔（通常是每 64 毫秒）进行刷新。

DRAM的性能特点

存储容量大：DRAM 能够在相对较小的芯片面积上实现较大的存储容量。这是因为其存储单元结构简单，主要依赖电容器和晶体管，所以可以在单位面积上集成大量的存储单元。例如，常见的 DDR4（Double Data Rate 4）内存条，单条容量可以达到 16GB 甚至更高。

成本较低：由于 DRAM 的存储单元结构简单，制造工艺相对成熟，所以其成本相对较低。这使得 DRAM 成为计算机主存储器的首选，广泛应用于各种计算机系统中。

读写速度相对较慢：与 SRAM 相比，DRAM 的读写速度相对较慢。这主要是因为其存储单元的电容充放电过程需要一定的时间，而且在读取数据时需要对微弱的电流信号进行放大和检测。此外，刷新操作也会占用一定的时间和系统资源，影响其整体读写性能。

功耗相对较低：在数据保持状态下，DRAM 只需要消耗少量的功率来维持电容器的电荷，所以其静态功耗相对较低。但是在进行读写操作和刷新操作时，功耗会有所增加。

静态随机存取存储器（SRAM）

SRAM 的基本存储单元由多个晶体管组成，通常是 6 个晶体管构成一个存储单元。这种结构形成了两个交叉耦合的反相器，形成了一个双稳态电路，可以稳定地存储数据。

数据存储：在 SRAM 中，只要电源持续供电，存储单元中的数据就会一直保持稳定。当写入数据时，通过控制相应的字线和位线，改变存储单元中晶体管的导通状态，从而将数据写入。

数据读取：读取数据时，通过激活字线，使存储单元与位线连接，根据位线上的电压电平即可判断存储的数据是 0 还是 1。由于 SRAM 不需要像 DRAM 那样进行刷新操作，所以读取操作相对简单直接。

SRAM的性能特点

读写速度快：SRAM 是目前读写速度最快的存储器之一。这得益于其简单的读取机制和不需要刷新操作的特点。它可以在很短的时间内完成数据的读写，通常在纳秒级别，比 DRAM 快很多。

稳定性高：由于其存储单元基于双稳态电路，不需要像 DRAM 那样担心电容漏电问题，所以数据存储的稳定性非常高。只要电源正常供电，数据就不会丢失或改变。

成本高：SRAM 的存储单元需要 6 个晶体管，相比 DRAM 的存储单元结构复杂得多，占用的芯片面积也大。这导致了其制造成本较高，相同存储容量下，SRAM 的成本可能是 DRAM 的几倍甚至更高。

存储容量小：由于存储单元结构复杂，在相同的芯片面积上，SRAM 能够集成的存储单元数量远少于 DRAM。所以，SRAM 的存储容量相对较小，一般在几十 KB 到几 MB 之间。

功耗较大：因为 SRAM 的每个存储单元都需要持续的电流来维持其数据状态，所以它的静态功耗比 DRAM 大。在一些对功耗敏感的应用中，这是需要考虑的因素。