存储器作为计算机系统的核心组件，承担着存储程序与数据的关键任务。根据不同的分类标准，存储器可划分为多种类型。本文将系统性地从作用层次、存储介质、存取方式和信息可保存性四个维度进行解析，帮助读者建立完整的存储器知识体系。

一、按作用层次分类

1. 主存储器（内存）

功能：

• 直接为CPU提供运行所需的程序和数据
• 作为Cache与辅助存储器之间的数据交换枢纽

核心特性：

• 容量受限（通常GB级）但速度快（纳秒级访问）
• 采用半导体工艺，单位成本较高
• 易失性存储（断电后数据丢失）

技术演进：
从DDR3到DDR5的迭代，带宽提升显著

2. 辅助存储器（外存）

功能：

• 长期保存操作系统、应用程序及用户文件
• 数据必须加载到主存才能被CPU处理

典型特征：

• 容量可达TB级（2023年消费级HDD已达22TB）
• 访问延迟在毫秒级（机械硬盘寻道时间约5-15ms）
• 非易失性存储

技术对比（大致参数）：

类型	延迟	寿命	价格/GB
HDD	5-15ms	无写入限制	$0.03
SATA SSD	0.1ms	500-3000次	$0.08
NVMe SSD	0.02ms	1000-5000次	$0.12

3. 高速缓冲存储器（Cache）

层级架构：

• L1 Cache：分指令/数据缓存，约32-64KB
• L2 Cache：通常256KB-1MB
• L3 Cache：共享式设计，可达32MB

设计原理：

• 利用局部性原理（时间/空间局部性）
• 采用SRAM工艺，速度比DRAM快10倍

性能影响：
Cache命中率每提升10%，CPU性能可提高15-20%

二、按存储介质分类

1. 半导体存储器

MOS型存储器：

• DRAM：1T1C结构，需每64ms刷新
• 3D NAND：堆叠层数已达232层（2023年）

新型技术：

• 相变存储器（PCM）
• 阻变存储器（ReRAM）

2. 磁存储技术

硬盘技术参数：

• 面密度：最新HAMR技术达2Tb/in²
• 转速：企业级15Krpm，消费级5400-7200rpm

3. 光存储发展

• 蓝光光盘单碟容量达128GB（四层记录）
• 档案级光盘寿命可达50年

三、按存取方式分类

1. 随机存储器技术细节

DRAM刷新机制：

• 分散刷新：每行刷新间隔=刷新周期/行数
• 透明刷新：利用CPU不访问内存的周期

新型RAM技术：

• GDDR6X：带宽达1TB/s（RTX 4090显存）
• HBM3：堆叠式设计，带宽突破819GB/s

2. ROM技术演进路线

3. 存储层次结构优化

访问时间对比（大致参数）：

存储层级	典型访问时间
L1 Cache	1ns
L2 Cache	4ns
DRAM	60ns
NVMe SSD	20μs
HDD	5ms

优化策略：

• 预取算法优化
• 缓存替换策略改进（LRU到ARC算法）

四、按信息可保存性分类

1. 易失性存储器技术

• DRAM保持时间约64ms（需定期刷新）
• 新型非易失性RAM技术：MRAM保持时间>10年

2. 非易失性存储可靠性

• SSD写入耐久度：
  • 消费级TLC：500-1000次
  • 企业级3D XPoint：百万次级别

五、前沿存储技术

1. 存内计算：

• 三星HBM-PIM方案
• 计算延迟降低至传统架构的1/10

2. 量子存储器：

• 冷原子量子存储保持时间突破1小时
• 光量子存储效率达90%

3. DNA存储：

• 微软Demo实现1EB/mm³存储密度
• 当前写入速度约400bps