闪存和硬盘：内存、外存、硬盘、磁盘、闪存，傻傻分不清？

引言

平时我们买手机，关注最多的配置就是内存了，比如6G+64G、8G+128G等等。但是很多人容易弄混这两个概念。之前我遇到有人问我，说买平板是64G内存，还是128G内存好，128G有点贵，64G又怕不够用。我当时愣了一下，心里想：这是啥平板啊，64G内存，企业级服务器的配置也不过如此，后来一想他说的肯定是闪存。

存储器分类

存储芯片种类很多，依据不同的特性有多种分类方法
(1) 按存取方式分类

• 随机存取存储器(Random Access Memory, RAM)
  这种存储器每个单元读写时间一样，且与各单元所在位置无关。我们平常说的手机内存，那个6G或者8G的，指的就是这种。（注：原意主要强调地址译码时间相同。现在的DRAM芯片采用行缓冲，因而可能因为位置不同而使访问时间有所差别。）
• 顺序存取存储器 (Sequential Access Memory, SAM)
  数据按顺序从存储载体的始端读出或写入，因而存取时间的长短与信息所在位置有关。例如：磁带。
• 直接存取存储器 (Direct Access Memory, DAM)
  直接定位到读写数据块，在读写数据块时按顺序进行。例如：磁盘。
• 相联存储器 (Associate Memory, AM）
  按内容检索到存储位置进行读写。例如：快表。

(2) 按存储介质分类
半导体存储器：双极型，静态MOS型，动态MOS型。
磁表面存储器：磁盘（Disk）、磁带（Tape）。
光存储器：CD，CD-ROM，DVD。

(3) 按信息的可更改性分类
读写存储器（Read/ Write Memory)：可读可写。
只读存储器（Read Only Memory)：只能读不能写。

(4) 按断电后信息的可保存性分类
非易失性存储器(Nonvolatile Memory)：信息可一直保留，不需电源维持。 （如 ：ROM、磁表面存储器、光存储器等）
易失性存储器(Volatile Memory)： 电源关闭时信息自动丢失，（如：RAM、Cache等）。
(5) 按功能/容量/速度/所在位置分类

• 寄存器(Register)
  这种存储器封装在CPU内，用于存放当前正在执行的指令和使用的数据。用触发器实现，速度极快，容量很小（几个字节到几十字节）
• 高速缓存(Cache)
  位于CPU内部或附近，用来存放当前要执行的局部程序段和数据。用SRAM实现，速度可与CPU匹配，容量小（几十KB到几MB）
• 内存储器MM（又称主存储器Main (Primary) Memory）
  位于CPU之外，用来存放已被启动的程序及所用的数据。用DRAM实现，速度较快，容量较大（目前来说通常是2GB到16GB）。
• 外存储器AM(又称辅助存储器Auxiliary / Secondary Storage)
  位于主机之外，用来存放暂不运行的程序、数据或存档文件。用磁表面或光存储器实现，容量大而速度慢。

目前我们讨论的多的还是按照第4种分类方式，因为按照这样来分只有2类，描述比较方便，当然第3种方式也是分为两类，不过目前存储器都支持读写，只读的很少，所以一般说第4类种分法。那么按照第4种分法，可以总结如下图：

内 存

讲理论往往是枯燥的，下面拿平时身边用到的举例。笔记本电脑或者台式电脑是我们平时都要接触的，那么它里面的内存听的最多的词就是DDR了，我们在购买时的详情页面也会写：

这里的DDR4在上面的分类图中就是属于RAM。RAM又分DRAM（动态随机存储器）和SRAM（静态随机存储器），它们之间不同在于生产工艺，SRAM保存数据是靠晶体管锁存的，DRAM保存数据靠电容充电来维持。SRAM的工艺复杂，生产成本高，所以价格昂贵，但是速度很快，一般做寄存器。容量比较大的RAM一般都选用的是DRAM。 现在电脑里面用的内存条就是DRAM。而SDRAM是“Synchronous Dynamic Random Access Memory”的缩写，也就是“同步动态随机存取存储器”的意思。
我的笔记本用的是DDR3 SDRAM（图中的DDRIII SDRAM）。DDR SDRAM和SDRAM的区别在于DDR（Double Data Rate）双倍速率，即双倍速率同步动态随机存储器。SDRAM只在时钟的上升沿表示一个数据，而DDR SDRAM能在上升沿和下降沿都表示一个数据。当然DDR SDRAM工艺也在不断发展，一步步经过改良出现了一代、二代、三代，已经现在普遍使用的四代（DDR4）和明年要推出的五代（DDR5）。

补充一点：RAM既然是存储器就要传输数据，传输数据就是通信。通信又分同步通信和异步通信。前面我们所说的DRAM和SRAM都是异步通信的，速率没有SDRAM和SSRAM快。所以现在大容量RAM存储器是选用SDRAM的，其中S表示同步(Synchronous单词的首字母)。
说完电脑的内存，再来说一说手机的。我们在购买手机时，其详情页面也会有介绍，如图：

这里怎么是LPDDR5呢，和电脑的内存是一样的吗？LPDDR和DDR其实是师出同门，LPDDR内存全称是Low Power Double Data Rate SDRAM，中文意为低功耗双倍数据速率内存，又称为mDDR（Mobile DDR SDRM），是美国JEDEC固态协会面向低功耗内存制定的通信标准，主要针对于移动端电子产品。
主要是因为手机尺寸小，而且电量也不充足，不可能用和电脑规格一样的内存条，所以针对手机的特点进行了改进，于是有了LPDDR。现在手机普遍使用的是LPDDR4内存或者是LPDDR4X，如果使用了更先进的内存，会特别说明，比如上图就是，用了LPDDR5，那还不得宣传一番。
还没结束，我们电脑用的显卡，有个词叫"显存"。这个显存和内存一样吗。如图，来看看今年最火的甜品级显卡3060的参数：

可以发现显存使用的是GDDR6。前面说了DDR内存，GDDR就是“Graphics Double Data Rate DRAM”的英文缩写，用于显卡的高速DDR颗粒，GDDR是专门为了设计高端显卡而特别设计的高性能DDR存储器规格，其有专属的工作频率、时钟频率、电压，因此与市面上标准的DDR存储器有所差异，与普通DDR内存不同且不能共用。一般它比主内存中使用的普通DDR存储器时钟频率更高，发热量更小，所以更适合搭配高端显示芯片。
针对显卡设计的高性能DRAM有两个主要特点，一是高密度寻址能力，也就是颗粒的容量要高，以满足显卡对内存容量的要求和显卡设计的要求。高密度图形内存寻址只是设计要面对的一半问题，另一半就是性能，显存必须能提供高速传输，现在的GDDR显存可以提供超过1GT/s的数据传输率。
其实GDDR就是源自于DDR，而GDDR2源自于DDR2，而GDDR3在频率方面的表现又与DDR3比较相似，不少用户认为GDDR3就是显存版的DDR3，这是一大误区。

闪 存

上面说的是内存，但是还有一个东西，我们购买手机时，如图：

图中红色圈起来的“8”就是上面说的内存，这表明该手机配备8GB大小的内存，那么后面绿色圈起来的128又是什么呢？这里就要提到闪存了，在分类图中就是FLASH。
前面说到，内存是保存进程的相关数据，一旦关机，内存里面的数据就随之清空。而像照片，文档什么的，并不是保存在内存中，而是存在闪存里面，也就是图中的128G。内存越大，可以同时运行的软件就越多，闪存越大，可以存储的文件就越多。
目前的手机闪存大多用的是Nand Flash，也有少数用Nor Flash的。同样说到手机的闪存，不得不提电脑了。电脑除了内存，也要存文件，那么电脑是不是和手机一样，也是闪存呢。有人马上会说，不是闪存，是叫固态硬盘或者机械硬盘。目前电脑大多使用固态硬盘，如图：

购买时的详情页面512后面写了固态两个字。看起来好像和手机的闪存没有关系，其实它们本质上是一样的。
固态驱动器（Solid State Disk或Solid State Drive，简称SSD），俗称固态硬盘。固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由FLASH闪存作为基础存储介质的存储设备。手机上的闪存和电脑的固态，存储介质都是Nand Flash，也就是说他们的存储芯片是一样的，只是控制芯片不同。
FLASH的速度比机械硬盘速度快很多，所以被广泛应用与存储设备。不仅是手机的闪存和电脑的固态硬盘，目前的U盘、SD卡等都是flash。不过有的人可能会看到这样的介绍：

上面是某品牌手机的详情页，再看下面这款：

可以看到，闪存部分的介绍都是UFS，不是说闪存是Nand Flash吗，怎么是UFS？这里就得介绍接口标准了。

协议和标准

手机的闪存，无论是eMMC还是UFS，其存储介质都是Nand Flash芯片。UFS只是接口协议或者说标准。（有的文献不区分标准和协议，比较混乱，大家清楚就行）
UFS，全称是Universal Flash Storage，中文叫通用闪存存储。上图中的手机闪存就是采用了UFS3.0标准，该标准采用HS-G4规范，单通道带宽可达11.6Gbps，性能为UFS 2.1的两倍。简单来说UFS3.0标准在传输速度上更快，功耗更低，软件响应更快，程序运行更流畅，而省电效果更佳。
前面讲固态时也提了，存储器除了存储介质，还需要控制器。这么说吧：既然是存储器就要传输数据（读或写），传输数据就是通信。说到通信就好明白了，计算机网络里面，各种通信协议，TCP/IP、UDP等等。这个闪存的通信也需要协议。这个UFS就是个通信标准。主流的标准有eMMC和UFS两种，目前绝大部分半导体厂商都使用UFS这种标准。
虽说eMMC标准的闪存和UFS标准的闪存在外观和作用上都没明显区别，但是实际上两者的内部结构却有着本质上的差异。eMMC闪存基于并行数据传输技术打造，其内部存储单元与主控之间拥有8个数据通道，传输数据时8个通道同步工作，工作模式为半双工，也就是说每个通道都可以进行读写传输，但同一时刻只能执行读或者写的操作，与PC上已经淘汰的IDE接口硬盘很是相似。

而UFS闪存则是基于串行数据传输技术打造，其内部存储单元与主控之间虽然只有两个数据通道，但由于采用串行数据传输，其实际数据传输时速远超基于并行技术的eMMC闪存。此外UFS闪存支持的是全双工模式，所有数据通道均可以同时执行读写操作，在数据读写的响应速度上也要凌驾于eMMC闪存。这里仅拿UFS 2.0来比较，如图：

可以看到UFS 2.0的性能已经远超eMMC 5.1了，至于UFS 2.1、3.0以及目前最新的3.1就不拿来欺负eMMC了。
正因为eMMC闪存与UFS闪存在内部结构上存在着本质上的区别，这让两者的理论带宽产生了极大的差异。近年来比较常见的eMMC闪存多应用eMMC 4.x或者5.x规范，其中eMMC 4.5常见于低端设备，理论带宽为200MB/s，现在已经基本淘汰；而eMMC 5.0/5.1标准在目前来说仍算主流，理论带宽分别为400MB/s和600MB/s，从数字上看并不算低。
然而与UFS闪存相比，eMMC闪存的这点理论带宽就不够看了。UFS闪存的相关标准是在2011年2月份首次亮相，当时的UFS 1.1标准其已经可以提供相当于300MB/s的理论带宽，而eMMC闪存要到2012年的eMMC 4.5标准时才可以提供200MB/s的理论速率。只是由于当时的应用环境以及产本成本等因素的限制，USF 1.1标准未能得到大规模的推广。
直到2014年UFS 2.0规范出炉后，eMMC闪存才被彻底碾压。UFS 2.0规范分为两部分，第一部分是UFS HS-G2规范，也就是我们常说的UFS 2.0，其单通道单向的理论带宽就可以达到1.45Gbps的水平，双通道双向的理论带宽就是5.8Gbps；而第二部分的UFS HS-G3标准，也就是我们常说的UFS 2.1，其理论带宽更是UFS 2.0的翻倍，达到11.6Gbps，eMMC闪存彻底望尘莫及了。
这里主要说的是Android手机，其实常见的手机闪存标准有eMMC、UFS与NVMe三种。其中Android手机主要采用eMMC与UFS标准，而NVMe则是苹果iPhone所使用的闪存标准。其实不难理解，类比文件系统，Windows用的是NTFS取代了之前的FAT32，而Mac的文件系统是HFS+标准，如果是HTFS的U盘，对于Mac来说只能读不能写，不过可以安装插件。
对于笔记本电脑也是一样，虽然前面已经说了，固态硬盘也是闪存，用的Nand Flash颗粒，但我们购买时是这样介绍的：

SSD前面的PCle 4.0是什么鬼，不是说固态硬盘存储也是用的Nand Flash吗。没错，SSD存储介质确实是Flash，这里的PCle是数据通道，数据通信总需要通道吧，这个PCle就是。电脑的固态现在普遍是PCle标准，目前最新的是第四代PCle 4.0标准。
细心的可能发现了，上图有一句“双M.2接口”，什么情况。这个M.2又是什么鬼，注意，M.2不是通信协议，也不是数据通道，而是接口标准。举个简单的例子：大家最熟悉的USB接口，常见的有Type-A和Type-C，就拿type-c来说，它就可以支持多种通信协议，比如支持雷达协议、dp协议等等。
M.2接口类型既可以走PCle通道，也可以走SATA通道，所以有双M.2的说法。值得注意是的是，PCle通道有专门的PCle接口类型，如图：

当然了，SATA通道也有专门的接口类型，那就是SATA接口，如图：

也就是说，硬盘与主板连接的接口，主要有SATA、PCIe、M.2三种形式，但从主板插槽到主板芯片之间，传输数据的总线（就是上面提到的“数据通道”）有SATA和PCIe两种。基于这种理解，M.2接口有两种规范，一种是socket2，一种是socket3。前者支持SATA3和PCIe x2的总线接口，后者支持PCIe x4的总线接口。
也就是说，并非M.2接口就是PCle通道，所以不要以为M.2接口的就是高速固态硬盘，也可能是机械硬盘。
最后就是NVMe协议。大伙还记得电脑bios里面硬盘的一个设置项，可选择为AHCI或者ATAPI。一块SATA接口的硬盘，可以选择使用AHCI传输协议或者ATAPI传输协议。而M.2接口PCIe通道的固态硬盘，只有NVMe协议。
M.2接口，如果走SATA通道，只能使用AHCI协议，而不能用NVMe协议；如果走PCle通道，即可采用AHCI协议，也可以采用NVMe协议。
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