從閃存卡到SSD硬盤，存儲芯片是如何發(fā)展起來的？

小棗君給大家詳細介紹了DRAM的滄桑往事。

DRAM屬于易失性存儲器，也就是大家常說的內(nèi)存。今天，我們再來看看半導(dǎo)體存儲的另一個重要領(lǐng)域，也就是非易失性存儲器（也就是大家熟悉的閃存卡、U盤、SSD硬盤等）。

我在“半導(dǎo)體存儲的最強科普（鏈接）”那篇文章中，給大家介紹過，早期時候，存儲器分為ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存取存儲器）。后來，才逐漸改為易失性存儲器和非易失性存儲器這樣更嚴謹?shù)姆Q呼方式。

1950s-1970s：從ROM到EEPROM

我們從最早的ROM開始說起。

ROM的準確誕生時間，在現(xiàn)有的資料里都沒有詳細記載。我們只是大概知道，上世紀50年代，集成電路發(fā)明之后，就有了掩模ROM。

掩模ROM，是真正的傳統(tǒng)ROM，全稱叫做掩模型只讀存儲器（MASK ROM）。

這種傳統(tǒng)ROM是直接把信息“刻”進存儲器里面，完全寫死，只讀，不可擦除，更不可修改。它的靈活性很差，萬一有內(nèi)容寫錯了，也沒辦法糾正，只能廢棄。

后來，到了1956年，美國Bosch Arma公司的華裔科學家周文?。╓en Tsing Chow），正式發(fā)明了PROM（Programmable ROM，可編程ROM）。

周文俊

當時，Bosch Arma公司帶有軍方背景，主要研究導(dǎo)彈、衛(wèi)星和航天器制導(dǎo)系統(tǒng)。

周文俊發(fā)明的PROM，用于美國空軍洲際彈道導(dǎo)彈的機載數(shù)字計算機。它可以通過施加高壓脈沖，改變存儲器的物理構(gòu)造，從而實現(xiàn)內(nèi)容的一次修改（編程）。

后來，PROM逐漸出現(xiàn)在了民用領(lǐng)域。

一些新型的PROM，可以通過專用的設(shè)備，以電流或光照（紫外線）的方式，熔斷熔絲，達到改寫數(shù)據(jù)的效果。

這些PROM，被大量應(yīng)用于游戲機以及工業(yè)控制領(lǐng)域，存儲程序編碼。

1959年，貝爾實驗室的工程師Mohamed M. Atalla（默罕默德·阿塔拉，埃及裔）與Dawon Kahng（姜大元，韓裔）共同發(fā)明了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。

MOSFET發(fā)明后，被貝爾實驗室忽視。又過了很多年，1967年，姜大元與Simon Min Sze（施敏，華裔）提出，基于MOS半導(dǎo)體器件的浮柵，可用于可重編程ROM的存儲單元。

姜大元（左上）、施敏（右上），還有它們設(shè)計的浮柵架構(gòu)

這是一個極為重要的發(fā)現(xiàn)。后來的事實證明，MOSFET是半導(dǎo)體存儲器存儲單元的重要基礎(chǔ)元件，可以說是奠基性技術(shù)。

當時，越來越多的企業(yè)（摩托羅拉、英特爾、德州儀器、AMD等）加入到半導(dǎo)體存儲的研究中，嘗試發(fā)明可以重復(fù)讀寫的半導(dǎo)體存儲，提升PROM的靈活性。

正是基于MOSFET的創(chuàng)想，1971年，英特爾公司的多夫·弗羅曼（Dov Frohman，以色列裔），率先發(fā)明了EPROM（user-erasable PROM，可擦除可編程只讀存儲器）。

EPROM可以通過暴露在強紫外線下，反復(fù)重置到其未編程狀態(tài)。

同樣是1971年，英特爾推出了自己的2048位EPROM產(chǎn)品——C1702，采用p-MOS技術(shù)。

C1702

不久后，1972年，日本電工實驗室的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Naga，共同發(fā)明了EEPROM（電可擦除可編程ROM）。

1980~1988：FLASH閃存的誕生

從ROM發(fā)展到EEPROM之后，非易失性存儲技術(shù)并沒有停止前進的腳步。

當時，EEPROM雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但仍然存在一些問題。最主要的問題，就是擦除速度太慢。

1980年，改變整個行業(yè)的人終于出現(xiàn)了，他的名字叫舛岡富士雄（Fujio Masuoka，“舛”念chuǎn）。

舛岡富士雄

舛岡富士雄是日本東芝（Toshiba）公司的一名工程師。他發(fā)明了一種全新的、能夠快速進行擦除操作的浮柵存儲器，也就是——“simultaneously erasable（同步可擦除） EEPROM”。

這個新型EEPROM擦除數(shù)據(jù)的速度極快，舛岡富士雄的同事根據(jù)其特點，聯(lián)想到照相機的閃光燈，于是將其取名為FLASH（閃存）。

遺憾的是，舛岡富士雄發(fā)明Flash閃存后，并沒有得到東芝公司的充分重視。東芝公司給舛岡富士雄發(fā)了一筆幾百美金的獎金，然后就將這個發(fā)明束之高閣。

原因很簡單。這一時期，日本DRAM正強勢碾壓美國，所以，東芝公司想要繼續(xù)鞏固DRAM的紅利，不打算深入推進Flash產(chǎn)業(yè)。

1984年，舛岡富士雄在IEEE國際電子元件會議上，正式公開發(fā)表了自己的發(fā)明（NOR Flash）。

在會場上，有一家公司對他的發(fā)明產(chǎn)生了濃厚的興趣。這家公司，就是英特爾。

英特爾非?？粗谾LASH技術(shù)的前景。會議結(jié)束后，他們拼命打電話給東芝，索要FLASH的樣品。收到樣品后，他們又立刻派出300多個工程師，全力研發(fā)自己的版本。

1986年，他們專門成立了研究FLASH的部門。

1988年，英特爾基于舛岡富士雄的發(fā)明，生產(chǎn)了第一款商用型256KB NOR Flash閃存產(chǎn)品，用于計算機存儲。

1987年，舛岡富士雄繼NOR Flash之后，又發(fā)明了NAND Flash。1989年，東芝終于發(fā)布了世界上第一個NAND Flash產(chǎn)品。

NOR是“或非（NOT OR）”的意思，NAND是“與非（NOT AND）”的意思。這樣的命名和它們自身的基礎(chǔ)架構(gòu)有關(guān)系。

如下圖所示，NOR Flash是把存儲單元并行連到位線上。而NAND Flash，是把存儲單元串行連在位線上。

架構(gòu)對比

NOR Flash存儲器，可以實現(xiàn)按位隨機訪問。而NAND Flash，只能同時對多個存儲單元同時訪問。

對于NOR Flash，如果任意一個存儲單元被相應(yīng)的字線選中打開，那么對應(yīng)的位線將變?yōu)?0，這種關(guān)系和“NOR門電路”相似。

而NAND Flash，需要使一個位線上的所有存儲單元都為 1，才能使得位線為 0，和 “NAND門電路”相似。

看不懂？沒關(guān)系，反正記?。篘AND Flash比NOR Flash成本更低。（具體區(qū)別，可以參考：關(guān)于半導(dǎo)體存儲的最強入門科普。）

1988~2000：群雄并起，逐鹿Flash

FLASH（閃存）產(chǎn)品出現(xiàn)后，因為容量、性能、體積、可靠性、能耗上的優(yōu)勢，獲得了用戶的認可。英特爾也憑借其先發(fā)的閃存產(chǎn)品，取得了產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢，賺了不少錢。

搞笑的是，在英特爾公司取得成功后，東芝不僅沒有反省自己的失誤，反而聲稱FLASH是英特爾公司的發(fā)明，不是自家員工舛岡富士雄的發(fā)明。

直到1997年，IEEE給舛岡富士雄頒發(fā)了特殊貢獻獎，東芝才正式改口。

這把舛岡富士雄給氣得不行，后來（2006年），舛岡富士雄起訴了公司，并索要10億日元的補償。最后，他和東芝達成了和解，獲賠8700萬日元（合75.8萬美元）。

1988年，艾利·哈拉里（Eli Harari）等人，正式創(chuàng)辦了SanDisk公司（閃迪，當時叫做SunDisk）。

1989年，SunDisk公司提交了系統(tǒng)閃存架構(gòu)專利（“System Flash”），結(jié)合嵌入式控制器、固件和閃存來模擬磁盤存儲。這一年，英特爾開始發(fā)售512K和1MB NOR Flash。

1989年，閃存行業(yè)還有一件非常重要的事情，在以色列，有一家名叫M-Systems的公司誕生。他們首次提出了閃存盤的概念，也就是后來的閃存SSD硬盤。

進入1990年代，隨著數(shù)碼相機、筆記本電腦等市場需求的爆發(fā)，F(xiàn)LASH技術(shù)開始大放異彩。

1991年，SunDisk公司推出了世界上首個基于FLASH閃存介質(zhì)的ATA SSD固態(tài)硬盤（solid state disk），容量為20MB，尺寸為2.5英寸。

東芝也開始發(fā)力，陸續(xù)推出了全球首個4MB和16MB的NAND Flash。

1992年，英特爾占據(jù)了FLASH市場份額的75%。排在第二位的是AMD，只占了10%。除了他倆和閃迪之外，行業(yè)還陸續(xù)擠進了SGS-Thomson、富士通等公司，競爭開始逐漸變得日趨激烈。

這一年，AMD和富士通先后推出了自己的NOR Flash產(chǎn)品。閃存芯片行業(yè)年收入達到2.95億美元。

1993年，美國蘋果公司正式推出了Newton PDA產(chǎn)品。它采用的，就是NOR Flash閃存。

1994年，閃迪公司第一個推出CF存儲卡（Compact Flash）。當時，這種存儲卡基于Nor Flash閃存技術(shù)，用于數(shù)碼相機等產(chǎn)品。

1995年，M-Systems發(fā)布了基于NOR Flash的閃存驅(qū)動器——DiskOnChip。

1996年，東芝推出了SmartMedia卡，也稱為固態(tài)軟盤卡。很快，三星開始發(fā)售NAND閃存，閃迪推出了采用MLC串行NOR技術(shù)的第一張閃存卡。

1997年，手機開始配置閃存。從此，閃存繼數(shù)碼相機之后，又打開了一個巨大的消費級市場。

這一年，西門子和閃迪合作，使用東芝的NAND Flash技術(shù)，開發(fā)了著名的MMC卡（Multi Media Memory，多媒體內(nèi)存）。

1999年8月，因為MMC可以輕松盜版音樂，東芝公司對其進行了改裝，添加了加密硬件，并將其命名為SD（Secured Digital）卡。

后來，又有了MiniSD、MicroSD、MS Micro2和Micro SDHC等，相信70后和80后的小伙伴一定非常熟悉。

整個90年代末，受益于手機、數(shù)碼相機、便攜式攝像機、MP3播放器等消費數(shù)碼產(chǎn)品的爆發(fā)，F(xiàn)LASH的市場規(guī)模迅猛提升。當時，市場一片繁榮，參與的企業(yè)也數(shù)量眾多。其中，最具競爭力的，是三星、東芝、閃迪和英特爾。

2000年，M-Systems和Trek公司發(fā)布了世界上第一個商用USB閃存驅(qū)動器，也就是我們非常熟悉的U盤。

當時，U盤的專利權(quán)比較復(fù)雜，多家公司聲稱擁有其專利。中國的朗科，也在1999年獲得了U盤的基礎(chǔ)性專利。

2000~2012：NAND崛起，NOR失勢

90年代末，NAND Flash就已經(jīng)開始崛起。進入21世紀，崛起的勢頭更加迅猛。

2001年，東芝與閃迪宣布推出1GB MLC NAND。閃迪自己也推出了首款NAND系統(tǒng)閃存產(chǎn)品。

2004年，NAND的價格首次基于同等密度降至DRAM之下。巨大的成本效應(yīng)，開始將計算機推進閃存時代。

2007年，手機進入智能機時代，再次對閃存市場技術(shù)格局造成影響。

此前的功能機時代，手機對內(nèi)存的要求不高。NOR Flash屬于代碼型閃存芯片，憑借NOR+PSRAM的XiP架構(gòu)（XiP，Execute In Place，芯片內(nèi)執(zhí)行，即應(yīng)用程序不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，而是可以直接在Flash閃存內(nèi)運行），得到廣泛應(yīng)用。

進入智能機時代，有了應(yīng)用商店和海量的APP，NOR Flash容量小、成本高的缺點就無法滿足用戶需求了。

于是，NOR Flash的市場份額開始被NAND Flash大量取代，市場不斷萎縮。

2008年左右，從MMC開始發(fā)展起來的eMMC，成為智能手機存儲的主流技術(shù)。

eMMC即嵌入式多媒體卡（embedded Multi Media Card），它把MMC（多媒體卡）接口、NAND及主控制器都封裝在一個小型的BGA芯片中，主要是為了解決NAND品牌差異兼容性等問題，方便廠商快速簡化地推出新產(chǎn)品。

后來，2011年，UFS（Universal Flash Storage，通用閃存存儲）1.0標準誕生。UFS逐漸取代了eMMC，成為智能手機的主流存儲方案。當然了，UFS也是基于NAND FLASH的。

SSD硬盤那邊就更不用說了，基本上都是采用NAND芯片。

2015年左右，三星、鎂光、Cypress等公司，都逐步退出了NOR Flash市場，專注在NAND Flash領(lǐng)域進行搏殺。

2012~現(xiàn)在：閃存行業(yè)的現(xiàn)狀

• 市場壟斷格局的形成

2011年之后，整個閃存行業(yè)動蕩不安，收購事件此起彼伏。

那一時期，LSI收購Sandforce、閃迪收購IMFT、 蘋果收購Anobit、Fusion-io收購IO Turbine。2016年，發(fā)生了一個更重磅的收購——西部數(shù)據(jù)收購了閃迪。

通過整合并購，NAND Flash市場的玩家越來越少。

最終，形成了由三星、鎧俠（東芝）、西部數(shù)據(jù)、鎂光、SK 海力士、Intel等巨頭為主導(dǎo)的集中型市場。直到現(xiàn)在，也是如此。

在NAND閃存市場里，這些巨頭的份額加起來，超過95%。其中，三星的市場份額是最高的，到達了33-35%。

• 3D NAND時代的到來

正如之前DRAM那篇文章所說，到了2012年左右，隨著2D工藝制程逐漸進入瓶頸，半導(dǎo)體開始進入了3D時代。NAND Flash這邊，也是如此。

2012 年，三星正式推出了第一代 3D NAND閃存芯片。隨后，閃迪、東芝、Intel、西部數(shù)據(jù)紛紛發(fā)布3D NAND產(chǎn)品。閃存行業(yè)正式進入3D時代。

此后，3D NAND技術(shù)不斷發(fā)展，堆疊層數(shù)不斷提升，容量也變得越來越大。

3D NAND存在多種路線。以三星為例，在早期的時候，三星也研究過多種3D NAND方案。最終，他們選擇量產(chǎn)的是VG垂直柵極結(jié)構(gòu)的V-NAND閃存。

目前，根據(jù)媒體的消息，三星已經(jīng)完成了第八代V-NAND技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)，將采用236層3D NAND閃存芯片，單顆Die容量達1Tb，運行速度為2.4Gb/秒。

三星的市場份額最大，但他們的層數(shù)并不是最多的。

今年5月份，鎂光已經(jīng)宣布推出232層的3D TLC NAND閃存，并準備在2022年末開始生產(chǎn)。韓國的SK海力士，更是發(fā)布了238層的產(chǎn)品。

• NOR迎來第二春

再來說說NOR Flash。

前面我們說到，NOR Flash從2005年開始逐漸被市場拋棄。

到2016年，NOR Flash市場規(guī)模算是跌入了谷底。

誰也沒想到，否極泰來，這些年，NOR Flash又迎來了新的生機。

以TWS耳機為代表的可穿戴設(shè)備、手機屏幕顯示的AMOLED（有源矩陣有機發(fā)光二極體面板）和TDDI（觸屏）技術(shù)，以及功能越來越強大的車載電子領(lǐng)域，對NOR Flash產(chǎn)生了極大的需求，也帶動了NOR Flash市場的強勁復(fù)蘇。

從2016 年開始，NOR Flash市場規(guī)模逐步擴大。

受此利好影響，加上很多大廠此前已經(jīng)放棄或縮減了NOR Flash規(guī)模（鎂光和Cypress持續(xù)減產(chǎn)），所以，一些第二梯隊的企業(yè)獲得了機會。

其中，就包括中國臺灣的旺宏、華邦，還有中國大陸的兆易創(chuàng)新。這三家公司的市場份額，約占26%、25%、19%，加起來的話，超過70%。

FLASH閃存的國產(chǎn)化

在國產(chǎn)化方面，NAND Flash值得一提的是長江存儲。

長江存儲于2016年7月26日在武漢新芯集成電路制造有限公司的基礎(chǔ)上正式成立，主要股東包括中國集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金和紫光集團、湖北政府等，致力于提供3D NAND閃存設(shè)計、制造和存儲器解決方案的一體化服務(wù)。

2020 年，長江存儲宣布128層TLC/QLC兩款產(chǎn)品研發(fā)成功， 且推出了致鈦系列兩款消費級SSD新品。

2021年底，長江存儲就已經(jīng)達到了每月生產(chǎn)10萬片晶圓的產(chǎn)能。截止2022年上半年，已完成架構(gòu)為128層的NAND量產(chǎn)。

目前，長江存儲正在努力挑戰(zhàn)232層NAND，爭取盡快縮小制程差距，追趕國際大廠。

NOR Flash方面，剛才已經(jīng)提到了兆易創(chuàng)新（GigaDevice）。

兆易創(chuàng)新成立于2005年，是一家以中國為總部的全球化芯片設(shè)計公司。2012年時，他們就是中國大陸地區(qū)最大的代碼型閃存芯片本土設(shè)計企業(yè)。

目前，他們在NOR Flash領(lǐng)域排名世界第三。2021年，兆易創(chuàng)新的存儲芯片出貨量大約是32.88億顆（主要是NOR Flash），位居全球第二。

結(jié)語

近年來，如大家所見，隨著FLASH芯片價格的不斷下降，個人家庭及企業(yè)用戶開始大規(guī)模采用閃存，以及SSD硬盤。SSD硬盤的出貨量，逐漸超過HDD機械硬盤。存儲介質(zhì)的更新?lián)Q代，又進入新的高峰。

未來，閃存的市場占比將會進一步擴大。在這樣的趨勢下，不僅我們個人和家庭用戶的存儲使用體驗將會變得更好，整個社會對存力的需求也可以得到進一步的滿足。

半導(dǎo)體存儲，將為全人類的數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)揮更大的作用。

好啦，今天的文章就到這里，感謝大家的耐心觀看！